胡衛(wèi)勇

中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，中國(guó)·廣東 湛江 524057

海洋平臺(tái)高壓注水泵多次出現(xiàn)故障，導(dǎo)致平臺(tái)注水量不足，論文對(duì)柱塞泵進(jìn)行失效原因分析，并提出解決方案及措施，以期能幫助海洋平臺(tái)恢復(fù)平臺(tái)注水。

海洋平臺(tái)；柱塞泵；高壓；注水；故障分析

1 概述

某海洋平臺(tái)注水設(shè)備為五柱塞往復(fù)式注水泵，自2018年5月調(diào)試階段開始，陸續(xù)出現(xiàn)振動(dòng)高、柱塞填料泄露、潤(rùn)滑油過濾器壓癟及儲(chǔ)能器氣囊損壞等問題，導(dǎo)致注水泵無法運(yùn)行。2018年5～12月期間，注水泵共計(jì)啟泵16 次，累計(jì)運(yùn)行308h，注水時(shí)率嚴(yán)重不足，導(dǎo)致該平臺(tái)地層能量得不到有效補(bǔ)充，地層能量下降較快，從而引起平臺(tái)產(chǎn)量一直處于衰減狀態(tài)。為徹底解決注水泵問題，補(bǔ)充地層能量，對(duì)該泵故障原因進(jìn)行充分分析，并提出解決方案。

柱塞泵主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)：最大流量是60 方/h；柱塞直徑是75mm；操作壓力是219bar；往復(fù)次數(shù)是121～405 次；電機(jī)功率是500KW。

2 主要故障現(xiàn)象及原因分析

故障一：十字頭連接螺栓斷裂，2019年7月6日柱塞泵在運(yùn)行過程中1#柱塞兩次出現(xiàn)螺紋斷裂在十字頭軸內(nèi)問題，并存在1#柱塞十字頭軸拉傷、所有十字頭軸有不同程度腐蝕、軸瓦磨損嚴(yán)重、軸承滾珠表面有點(diǎn)蝕等問題（如圖1所示）。

分析故障原因：①多次拆裝造成柱塞或十字頭螺紋處有疲勞損傷，長(zhǎng)時(shí)間高頻運(yùn)動(dòng)和震動(dòng)帶動(dòng)下連接松動(dòng)掰斷連接螺桿。②安裝柱塞六角頭扭力過大（完工文件扭力值50N.m），導(dǎo)致十字頭連接處存在應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)造成螺紋斷裂。③同心度差：十字頭軸內(nèi)牙螺紋孔不在十字頭中心（同軸度偏差大），當(dāng)柱塞桿與十字頭軸連接后，柱塞與十字頭存在一個(gè)徑向應(yīng)力。④貼合面不光滑：十字頭軸接觸面位置或柱塞接觸端面平面不夠光滑，導(dǎo)致十字頭和柱塞沒有完全貼合。⑤支撐環(huán)問題：兩次柱塞斷裂均采用了銅合金支撐環(huán)，可能由于銅合金在生產(chǎn)水和摩擦升溫后后膨脹不均勻，將柱塞帶離原預(yù)定的中心軌道，導(dǎo)致柱塞和十字頭不同心造成柱塞螺桿斷裂。⑥軸瓦連桿原因：軸瓦由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和曲軸結(jié)合處磨損，間隙增大，導(dǎo)致連桿不能在原定水平位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使十字頭和柱塞產(chǎn)生一個(gè)徑向的力，掰斷柱塞螺桿。

圖1 柱塞泵故障現(xiàn)象

故障二：柱塞泵出口5 個(gè)單向閥彈簧全部斷裂，且1#和3# 出口單向閥壓蓋導(dǎo)向套損壞，分析原因可能為1#柱塞斷裂后導(dǎo)致所有出口閥不能正常關(guān)閉所致；柱塞端壓力不均衡，導(dǎo)致柱塞運(yùn)動(dòng)不均勻，更換所有的彈簧及出口單向閥（如圖2所示）。

圖2 柱塞泵故障現(xiàn)象

故障三：1#十字頭軸上部有明顯拉傷，且1#缸曲軸箱滑油密封殼體上部也出現(xiàn)嚴(yán)重劃痕。對(duì)1-5#缸的十字頭表面檢查發(fā)現(xiàn)，2-5#缸十字頭上表面均存在與十字頭滑道接觸的痕跡，但下表面則相對(duì)光滑（由于柱塞的重力作用，十字頭會(huì)略微翹起來與滑道上表面接觸），檢查1#十字頭上下表面均非常光滑，對(duì)比十字頭外徑數(shù)據(jù)和滑道內(nèi)徑數(shù)據(jù)，說明1號(hào)十字頭可能處于上揚(yáng)且懸空狀態(tài)。導(dǎo)致十字頭軸與滑油密封殼體接觸（殼體與軸的間隙為0.40mm）。而這也應(yīng)該是該缸柱塞連續(xù)兩次斷裂的重要原因（如圖3所示）。

圖3 柱塞泵故障現(xiàn)象

故障四：五根十字頭軸均出現(xiàn)不同程度的麻點(diǎn)腐蝕，柱塞填料泄漏后，生產(chǎn)水介質(zhì)會(huì)隨著柱塞往復(fù)運(yùn)行甩在十字頭軸表面，將軸表面逐漸腐蝕形成麻點(diǎn)，造成軸表面光潔度不夠，最后將曲軸箱油封劃傷（如圖4所示）。

圖4 柱塞泵不同程度的麻點(diǎn)腐蝕

故障五：軸瓦等磨損嚴(yán)重，五根連桿的連桿瓦均磨損嚴(yán)重，巴氏合金已磨沒漏出本體，連桿瓦面接口發(fā)黑，曲軸曲柄銷外徑已磨損0.02～0.03mm；通過曲軸軸徑表面痕跡可以看出，泵組運(yùn)行時(shí)連桿在曲軸上位置不正，有歪斜現(xiàn)象，已經(jīng)磨到曲軸軸徑根部；連桿小頭也發(fā)生偏斜現(xiàn)象，小頭端面也與十字頭銷孔內(nèi)側(cè)面接觸磨損（如圖5所示）。

分析原因可能是柱塞填料泄露后，柱塞與十字頭不同軸，造成連桿不在曲軸軸徑中心運(yùn)行，加劇了曲軸箱內(nèi)部各零部件的磨損[1]。

圖5 柱塞泵故障現(xiàn)象

故障六：軸承滾珠表面有輕微點(diǎn)蝕，柱塞填料泄露后，隨著柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，少量生產(chǎn)水進(jìn)入到曲軸箱，雖然平臺(tái)定期對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行取樣檢查，且注水泵潤(rùn)滑油達(dá)到20 天左右就進(jìn)行更換，但生產(chǎn)水腐蝕性極強(qiáng)，仍造成軸承滾柱表面有輕微點(diǎn)蝕。

故障七：柱塞使用壽命過短，只有400h 左右。柱塞填料設(shè)計(jì)為死密封，沒有任何調(diào)節(jié)余量；而支撐環(huán)是和柱塞直接接觸的，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間必然會(huì)出現(xiàn)磨損，起不到扶正柱塞的作用，加快了二級(jí)密封等的磨損，這也是更換柱塞填料后，運(yùn)轉(zhuǎn)幾天就出現(xiàn)輕微泄露，運(yùn)轉(zhuǎn)20 天左右后就會(huì)出現(xiàn)大量泄露的原因。同時(shí)支撐環(huán)磨損后，柱塞與十字頭軸不同軸，也會(huì)造成機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)偏高，加快動(dòng)力端軸瓦等磨損。

3 柱塞泵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

因該柱塞泵使用效果不佳，為了有效分析該泵的失效原因，通過對(duì)照API674 及設(shè)計(jì)文件，該泵行程長(zhǎng)度為 120mm，經(jīng)換算該泵最大允許往復(fù)次數(shù)不能超過323 次/分鐘，而實(shí)際該泵在額定流量下的往復(fù)次數(shù)達(dá)到405 次/min，因此該泵額定轉(zhuǎn)速超過API 674 規(guī)范要求最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速的25%。

按照規(guī)范允許的最大每分鐘323 次，該泵最大流量為47方/h，而設(shè)計(jì)額定最大排量60 方/小時(shí)，超規(guī)范28%。

4 整改措施

第一，降低該泵出口壓力，將出口壓力由219bar 降低為100bar 左右，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

第二，改善柱塞和十字頭軸的連接方式，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化：在柱塞和十字頭軸接觸面之間分別增加加工精度較高的定位凸臺(tái)和溝槽，這樣既可保證了柱塞安裝后與十字頭的同軸度的精度，又能保護(hù)柱塞螺紋在安裝時(shí)不被損壞，且減輕了柱塞在往復(fù)運(yùn)行螺紋所承受的力。

第三，改造工藝流程，將高低壓注水流程分開，滿足平臺(tái)注水需求。

5 結(jié)語(yǔ)

海洋平臺(tái)注水泵作為關(guān)鍵重要設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠性影響著平臺(tái)油氣開采量，如何保證注水泵平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要，論文從故障發(fā)生及原因、設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)方面逐一分析，為高壓柱塞泵的管理提供了良好的借鑒模式。