宮艷紅 于興才 齊玉梅 孔紅芳 陳亮

（1.大港油田公司第三采油廠；2.大港油田公司第五采油廠；3.大港油田公司第一采油廠）

油田注水開發(fā)是我國(guó)大部分油田進(jìn)入中后期開發(fā)階段，補(bǔ)充地層能量，維持、提高油井產(chǎn)能的必然手段[1-2]。柱塞泵因能產(chǎn)生高壓，是油田注水的關(guān)鍵設(shè)備，也是注水工藝中核心的動(dòng)力之一[3]，主要特點(diǎn)是排量小、泵效高、泵壓高及運(yùn)行靈活[4]，但其能耗約占油田開發(fā)系統(tǒng)用電的1/4以上，因此實(shí)現(xiàn)柱塞泵優(yōu)化運(yùn)行是注水系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，減少柱塞泵故障、優(yōu)化維修體系是實(shí)現(xiàn)注水泵平穩(wěn)運(yùn)行，保證注水時(shí)率，降低注水能耗的有效手段。韓露[5]對(duì)現(xiàn)代的柱塞泵故障診斷方法進(jìn)行了分析研究，通過(guò)仿真尋找最適合柱塞泵信號(hào)的信號(hào)分析方法，以軸向柱塞泵為研究對(duì)象，搭建故障試驗(yàn)臺(tái)采集在線的故障信號(hào)并進(jìn)行分析，構(gòu)建故障特征向量等，保證了柱塞泵故障診斷時(shí)高速度、高精度。夏楠[6]對(duì)沈陽(yáng)耐腐柱塞泵雙泵頭進(jìn)行改造，將整體液力端缸全部拆除，重新設(shè)計(jì)進(jìn)液、出液閥組，把兩個(gè)泵頭整合為一個(gè)泵頭，在進(jìn)液閥和出液閥之間增加隔套，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出一體化，避免雙泵頭造成的滲液等現(xiàn)象，降低故障率，提高運(yùn)行時(shí)率。周陽(yáng)陽(yáng)[7]采用模糊PID控制規(guī)則，對(duì)注水井流量控制和變頻器轉(zhuǎn)速控制分別搭建模型，根據(jù)仿真模型分析兩種控制算法下的超調(diào)量、調(diào)節(jié)速度、抗干擾能力等，提高油田注水的效率，減少注水能源消耗，達(dá)到節(jié)能減排目的。潘永偉[8]分析了影響單耗和泵效等的因素，采用減級(jí)、涂膜和單雙泵布局調(diào)整等措施，減級(jí)改造降壓后，泵管壓差下降了0.9 MPa，平均注水單耗由5.98 kWh/m3下降到5.77 kWh/m3，下降了0.21 kWh/m3；涂膜后注水泵單耗由6.02 kWh/m3下降到5.90 kWh/m3，泵效由71.4%上升到73.8%，見(jiàn)到了顯著的節(jié)能效果。何建宇[9]通過(guò)對(duì)杏四～五區(qū)東部聚驅(qū)注水系統(tǒng)開展的能耗狀況調(diào)查，挖掘注水系統(tǒng)節(jié)能潛力，提出注水系統(tǒng)注水泵減級(jí)、區(qū)塊注入水質(zhì)統(tǒng)一、注水泵運(yùn)行模式優(yōu)化等節(jié)能措施，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電506×104kWh的節(jié)能效果。但針對(duì)柱塞泵通過(guò)液力端改造以及提高骨架油封更換質(zhì)量來(lái)提高效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗幾乎沒(méi)有涉及。這些技術(shù)均在某方面上取得了突破，但仍無(wú)法滿足現(xiàn)有的技術(shù)問(wèn)題。近年來(lái)，由于興才等[10]人發(fā)明的襯套式彈簧座及骨架油封拆卸裝置，形成了柱塞泵提高泵效、提高操作效率的新認(rèn)識(shí)和新方法，降低了運(yùn)行能耗和生產(chǎn)成本，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好的效果。

1 柱塞泵的工作機(jī)理及常見(jiàn)問(wèn)題

1.1 泵體結(jié)構(gòu)及工作原理

柱塞泵啟動(dòng)后，由原動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶將動(dòng)力傳遞給輸入軸的大皮帶輪并進(jìn)行減速，再通過(guò)曲軸箱內(nèi)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成柱塞的直線運(yùn)動(dòng)，柱塞在液缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變工作室的容積，使工作室內(nèi)交替地產(chǎn)生局部真空和高壓，不斷的吸入和排出液體。

柱塞泵由兩部分組成，一是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能，并直接輸送液體的部分，稱液缸部分或液力端；二是動(dòng)力和傳動(dòng)部分，稱動(dòng)力端。

1.2 柱塞泵運(yùn)行現(xiàn)狀及常見(jiàn)故障

油田處理水普遍存在礦化度高、含有腐蝕性物質(zhì)和少量機(jī)械雜質(zhì)的現(xiàn)象，為此在處理水經(jīng)過(guò)注水系統(tǒng)輸送增壓的過(guò)程中不可避免的對(duì)設(shè)備及配件產(chǎn)生傷害。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)得到，柱塞泵在運(yùn)行中易發(fā)生填料磨損、柱塞失效、閥艙損傷、閥組件損壞等故障。

特別是處理水中的腐蝕性物質(zhì)、機(jī)械雜質(zhì)在高壓水的協(xié)同下，會(huì)使閥組件刺漏損壞，造成泵頭吸入端（閥艙）表面出現(xiàn)不同大小、形狀和深度的溝槽和蝕點(diǎn)，從而產(chǎn)生很多微小的水道，吸入端密使封墊的失效，導(dǎo)致排出壓力下降、泵效下降，需要頻繁檢修。

同時(shí)，柱塞泵連接桿的骨架油封在運(yùn)行時(shí)常出現(xiàn)磨損漏油的現(xiàn)象，如不及時(shí)更換則會(huì)造成曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑油減少，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致曲軸箱研瓦事故發(fā)生?，F(xiàn)場(chǎng)更換油封時(shí)，需使用螺絲刀向外撬才能取出，造成連接桿表面劃傷損壞，使其密封性下降，需要頻繁更換連接桿。

2 解決方案

2.1 解決泵頭閥艙失效的方案

為解決采出水回注過(guò)程中高壓水對(duì)泵頭閥艙的沖擊損傷，借鑒鏜缸加套技術(shù)，設(shè)計(jì)了襯套式彈簧座，將吸液彈簧座功能與襯套結(jié)構(gòu)相互嵌合，即防止了高壓水對(duì)泵頭閥艙的直接沖擊，延長(zhǎng)了整體泵頭的使用壽命，又大幅降低了注水設(shè)備運(yùn)行成本。

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

襯套式彈簧座主要由彈簧座、襯套、彈簧凸臺(tái)、閥片凸臺(tái)、閥體凸臺(tái)、第一襯套密封槽、第二襯套密封槽、彈簧座密封槽、閥體密封槽、端面密封槽組成，襯套彈簧座的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中襯套為筒狀結(jié)構(gòu)，襯套的側(cè)壁上設(shè)置有兩個(gè)相對(duì)的通孔。彈簧座包括一體成型的插入部和連接部，插入部與襯套連接，插入部的外徑與襯套的外徑相同。連接部設(shè)置在插入部的外壁上，連接部用于安裝在泵頭的端部，襯套的外徑與閥艙的內(nèi)徑相適配，且襯套位于液缸內(nèi)。此設(shè)計(jì)使高壓水流動(dòng)過(guò)程不與泵頭閥艙的內(nèi)壁直接接觸，起到保護(hù)閥艙的作用。通過(guò)設(shè)置一體成型的彈簧座和襯套，利用連接部固定襯套，襯套與彈簧座之間沒(méi)有能使處理水透過(guò)的間隙，進(jìn)一步提高對(duì)閥艙內(nèi)壁的保護(hù)效果。

圖1 襯套彈簧座的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of bushing spring seat

2.1.2 實(shí)施方法

該設(shè)計(jì)首先需要對(duì)泵頭閥艙內(nèi)壁進(jìn)行鏜孔，孔的深度與彈簧座本體管體長(zhǎng)度相同，使其具備加裝襯套式彈簧座的空間位置。加工時(shí)將彈簧座與襯套加工為一體型，襯套外壁加工吸液孔和三道密封槽，頂部增加一個(gè)密封槽。安裝時(shí)將密封槽內(nèi)安裝“O”型密封膠圈，密封閥艙與襯套之間的間隙，將吸液孔垂直放置插入泵頭吸入端內(nèi)，將彈簧座本體壓入泵頭腔，用內(nèi)六角螺栓對(duì)角緊固。泵頭兩端依次安裝柱塞總成、閥體總成和壓緊法蘭。更換時(shí)拆除泵頭壓緊法蘭、閥體總成和柱塞總成，拆卸內(nèi)六角螺栓，用專用工具將彈簧座本體自泵頭排出腔向內(nèi)頂出。

2.1.3 技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)特點(diǎn)

1）技術(shù)規(guī)格。成果的主體套體材質(zhì)為2Cr13，與泵頭同材質(zhì)，加工完成后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，增加強(qiáng)度30%以上，O型密封圈材質(zhì)為丁腈橡膠，每道密封圈耐壓20 MPa，三道疊加提高耐壓強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）技術(shù)參數(shù)。泵頭閥艙經(jīng)過(guò)鏜孔直徑由110 mm增至130 mm；襯套式彈簧座與泵頭閥艙為間隙配合，襯套管體上設(shè)置三道密封圈可承壓45 MPa以上；襯套本體經(jīng)過(guò)270℃調(diào)質(zhì)處理后，強(qiáng)度提高1.5倍，延長(zhǎng)襯套使用壽命2倍以上。

3）技術(shù)特點(diǎn)。研制了襯套式彈簧座，將損害點(diǎn)由泵頭本身轉(zhuǎn)移到了襯套上，使更換泵頭的工作量改為更換襯套的工作量，降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度和操作時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。延長(zhǎng)了受損泵頭的使用壽命，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已受損泵頭閥艙進(jìn)行鏜孔再使用，提高了報(bào)廢泵頭的再利用率，降低購(gòu)置成本。改變了老式吸液彈簧座的厚度，采用調(diào)質(zhì)處理，提高了吸液彈簧座的強(qiáng)度，在原來(lái)功能上進(jìn)行了延展。

2.2 解決連接桿失效的方案

為解決柱塞泵連接桿骨架油封在取出過(guò)程中對(duì)連接桿刮傷損壞問(wèn)題，研發(fā)了柱塞泵骨架油封的拆卸裝置和拆卸方法，提出了面接觸拆卸安裝柱塞泵骨架油封的新思路，發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱牽引原理對(duì)連接桿保護(hù)的規(guī)律，形成了專用+輔助、點(diǎn)面相結(jié)合的拆裝方法。即提高了骨架油封的更換效率，又延長(zhǎng)連接桿的使用壽命，降低了損耗。

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柱塞泵骨架油封拆卸裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，主要由拉套、擋圈、拉鉤凹槽、拉鉤、斜端面、把手組成，將Z字型拉鉤臥在拉套上的凹槽內(nèi)，拉套部分順著連接桿插入骨架油封內(nèi)，旋轉(zhuǎn)拉鉤，勾住骨架油封，用擋圈壓住拉鉤，利用拉套向外的拉力將骨架油封帶出，減少拆卸工具對(duì)柱塞泵連接桿的損傷。

圖2 骨架油封拆卸裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of skeleton oil seal disassembly device

2.2.2 實(shí)施方法

現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，首先卸掉連接桿卡箍，再卸掉骨架油封壓蓋，將拉套套接在連接桿上，將兩個(gè)拉鉤放置在拉鉤凹槽內(nèi)并使拉鉤一端與前徑向凹槽貼合，向前推送拉套穿過(guò)油封膠皮刃口進(jìn)入骨架油封內(nèi)，向右旋轉(zhuǎn)拉鉤另一端與后凹槽貼合，將擋圈連接到拉套絲扣上，旋轉(zhuǎn)把手，即能將骨架油封拉出。

3 應(yīng)用效果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

首次試驗(yàn)應(yīng)用于大港油田第三采油廠作業(yè)六區(qū)官28注水站3#泵，取得明顯的節(jié)能降耗效果。其中襯套式彈簧座共計(jì)應(yīng)用在60臺(tái)柱塞泵上，經(jīng)3 a多的跟蹤統(tǒng)計(jì)，再無(wú)因泵頭閥艙損傷進(jìn)行泵頭更換作業(yè)，達(dá)到了預(yù)期效果。同時(shí)骨架油封拆卸裝置及方法累計(jì)使用229次，使用后，油封取出時(shí)間由21 min下降至9 min，機(jī)油日添加量?jī)H為以往的1/2，效果較好。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

柱塞泵降耗技術(shù)應(yīng)用后能耗效果對(duì)比見(jiàn)表1，3個(gè)注水站年累計(jì)節(jié)電76.69×104kWh，年累計(jì)節(jié)省機(jī)油2 226.5 kg，工業(yè)用電0.828元/kWh，機(jī)油14.1元/kg計(jì)算，累計(jì)創(chuàng)效66.7萬(wàn)元，若在大港油田全面推廣應(yīng)用，規(guī)模創(chuàng)效可達(dá)400萬(wàn)元以上。

表1 柱塞泵降耗技術(shù)應(yīng)用后能耗效果對(duì)比Tab.1 Comparison of energy consumption effect after application of plunger pump consumption reduction technology

4 結(jié)論

1）襯套式彈簧座將處理水對(duì)設(shè)備的損害點(diǎn)由泵頭本身轉(zhuǎn)移到了襯套上，將傳統(tǒng)6人6 h的操作時(shí)間降為2人2 h，大幅降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度和操作安全風(fēng)險(xiǎn)。

2）柱塞泵骨架油封拆卸裝置，將傳統(tǒng)的點(diǎn)接觸拆卸改變?yōu)槊娼佑|拆卸，提出平行拆裝骨架油封的新方法，使骨架油封取出時(shí)間由21 min下降至9 min，機(jī)油日添加量?jī)H為以前的1/2。

3）通過(guò)以上降耗措施，實(shí)現(xiàn)注水單耗和機(jī)油添加量的明顯下降，累計(jì)創(chuàng)效66.7萬(wàn)元，為同行業(yè)注水系統(tǒng)設(shè)備降耗提供了借鑒，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。