謝光偉，張 哲，段宏偉，王 冠，李園園，桑科中

（渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)各大油田均采用配注技術(shù)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，輸入介質(zhì)有水、聚合物、二氧化碳等，且一般壓力在10 MPa 以上。往復(fù)式柱塞泵具有壓力高、泵效高的優(yōu)點(diǎn)，而且壓力不受流量影響，能提供比較穩(wěn)定的流量輸出。根據(jù)輸入介質(zhì)的特性，往復(fù)式柱塞泵配備不同結(jié)構(gòu)、材料的液缸體，廣泛用于國(guó)內(nèi)油田各區(qū)塊的增壓采油系統(tǒng)中。往復(fù)式柱塞泵為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)特征致使柱塞運(yùn)行具有一定的加速度以及輸送介質(zhì)的間斷性，導(dǎo)致輸送介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的能量波動(dòng)，從而對(duì)輸送管線(xiàn)產(chǎn)生沖擊，造成管線(xiàn)振動(dòng)。由于往復(fù)式柱塞泵是長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，如果輸送管線(xiàn)的振動(dòng)得不到緩解，可能會(huì)造成進(jìn)、出口管線(xiàn)的疲勞損壞，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，對(duì)工作人員的身心健康造成影響。破損管線(xiàn)的維修工作量較大，不僅增加日常維護(hù)費(fèi)用，也影響油田的正常生產(chǎn)。

本次研究以某油田所屬往復(fù)式柱塞泵為對(duì)象，該油田往復(fù)式柱塞泵數(shù)量多，柱塞泵出口管線(xiàn)均存在不同程度的振動(dòng)現(xiàn)象，個(gè)別泵站的柱塞泵進(jìn)口管線(xiàn)也有振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)導(dǎo)致焊接部位開(kāi)裂可能致使高壓水泄露，存在很大的安全隱患。同時(shí)因?yàn)檎駝?dòng)造成的電子元件失效、管網(wǎng)段滲水等現(xiàn)象，給現(xiàn)場(chǎng)人員的日常巡檢工作帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)。

1 振動(dòng)原因分析

管線(xiàn)振動(dòng)的主要原因是對(duì)外部干擾的響應(yīng)和管線(xiàn)內(nèi)流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)[1]。

1.1 機(jī)械振動(dòng)引起管線(xiàn)振動(dòng)

往復(fù)式柱塞泵不是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，而是管線(xiàn)、閥門(mén)、儀器儀表等設(shè)備與之組成的一個(gè)剛度較大的機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)在外力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，此振動(dòng)必然會(huì)傳遞到與之相連的管線(xiàn)上，從而引起管線(xiàn)振動(dòng)。連接柱塞泵的管線(xiàn)一般會(huì)配置相應(yīng)的支撐裝置，由于管線(xiàn)內(nèi)存在周期性的脈沖，所以管線(xiàn)的振動(dòng)不是處于自由狀態(tài)，而是由管線(xiàn)內(nèi)的周期性脈沖引起的外力振動(dòng)。由于往復(fù)式柱塞泵的固有特性導(dǎo)致其動(dòng)力源在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的不平衡慣性力以及液缸內(nèi)壓力波動(dòng)性的變化構(gòu)成了往復(fù)式柱塞泵自身振動(dòng)的原因。

1.2 流體脈動(dòng)引起管線(xiàn)振動(dòng)

當(dāng)管線(xiàn)內(nèi)的流體遇到外部干擾時(shí)，比如遇到彎頭轉(zhuǎn)變流向、閥門(mén)調(diào)節(jié)、管徑變化造成流速突變，流體就會(huì)對(duì)管線(xiàn)產(chǎn)生激振力，激振力作用在管線(xiàn)內(nèi)部引發(fā)管線(xiàn)振動(dòng)，當(dāng)此激振力頻率與管線(xiàn)系統(tǒng)上的某一設(shè)備或者裝置的固有頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，加劇管線(xiàn)的振動(dòng)。

往復(fù)式柱塞泵的曲柄連桿機(jī)構(gòu)決定了其吸入和排出流體的工作具有周期性的波動(dòng)，而且一般油田作業(yè)區(qū)的配注間有多臺(tái)柱塞泵同時(shí)工作，導(dǎo)致吸入和排出的介質(zhì)具有一定的間歇性，并形成了一種不穩(wěn)定的流體狀態(tài)，產(chǎn)生一種脈動(dòng)力[2]。此脈動(dòng)力在遇到彎頭、變徑、閥門(mén)等管線(xiàn)元件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生管線(xiàn)激振力，引發(fā)管線(xiàn)振動(dòng)。同時(shí)，振動(dòng)的管線(xiàn)也會(huì)反作用于管線(xiàn)內(nèi)流體介質(zhì)，從而產(chǎn)生更加復(fù)雜的流固耦合振動(dòng)。其次，當(dāng)管線(xiàn)對(duì)于此脈動(dòng)力產(chǎn)生的激勵(lì)響應(yīng)頻率與其自身的固有頻率相重合的時(shí)候，管線(xiàn)系統(tǒng)與此脈沖力就會(huì)產(chǎn)生共振，破壞管線(xiàn)的安全運(yùn)行。

2 管線(xiàn)振動(dòng)實(shí)際分析

管線(xiàn)振動(dòng)的主要來(lái)源是往復(fù)式柱塞泵本體振動(dòng)的傳遞、輸送管線(xiàn)的布置因素以及輸送介質(zhì)產(chǎn)生的流體脈動(dòng)。

2.1 往復(fù)式柱塞泵本體振動(dòng)原因分析

柱塞泵內(nèi)部的激振源主要包括泵的旋轉(zhuǎn)件的偏心、不平衡引起的振動(dòng)以及液缸內(nèi)壓力變化造成的振動(dòng)。

（1）大皮帶輪的動(dòng)平衡不合格會(huì)造成往復(fù)式柱塞泵存在高頻振動(dòng)。柱塞（注水）泵的轉(zhuǎn)速一般在200 r/min 以上，轉(zhuǎn)速比較高，如大皮帶輪的動(dòng)平衡在出廠(chǎng)時(shí)未達(dá)到規(guī)定要求，那么往復(fù)式柱塞泵在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)造成往復(fù)式柱塞泵本體振動(dòng)。

（2）地基平面度不合格，造成往復(fù)式柱塞泵存在高低不平現(xiàn)象。柱塞泵在安裝時(shí)，需將水平儀曲軸箱已加工的面上，調(diào)整楔鐵，使橫向縱向水平達(dá)0.1/1000。第二次澆注混凝土需經(jīng)15 d 的養(yǎng)護(hù)期，再次檢查調(diào)整泵機(jī)組的縱向、橫向水平達(dá)要求并固定。

（3）閥組密封不嚴(yán)造成高低壓水串壓。柱塞泵在運(yùn)行一段時(shí)間后，吸、排閥組經(jīng)過(guò)介質(zhì)或雜質(zhì)的沖刷，會(huì)對(duì)密封面造成損傷，無(wú)法密封，引發(fā)介質(zhì)從高壓區(qū)竄向低壓區(qū)，導(dǎo)致振動(dòng)。

2.2 進(jìn)口管線(xiàn)振動(dòng)原因分析

管線(xiàn)受到外力的激振頻率與管線(xiàn)本身的固有頻率接近時(shí)，極易引發(fā)共振現(xiàn)象，但其并不是引起柱塞泵進(jìn)口管線(xiàn)振動(dòng)的根本原因，進(jìn)口管線(xiàn)的振動(dòng)主要是由管線(xiàn)內(nèi)的流體介質(zhì)的脈動(dòng)引起的[3-4]。

（1）來(lái)水壓力不足或水中含有氣體。往復(fù)式柱塞泵在運(yùn)行時(shí)，由于是過(guò)流件均有密閉性能，柱塞泵帶有一定的自吸功能，但如果來(lái)水壓力不足，柱塞泵會(huì)發(fā)生抽空現(xiàn)象，大量空氣進(jìn)入泵腔內(nèi)，產(chǎn)生氣蝕、氣擊，同樣會(huì)造成閥組空打而形成沖擊載荷，除影響閥組的壽命外，還會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)。

（2）進(jìn)口管線(xiàn)規(guī)格過(guò)小。由于柱塞泵具備一定的自吸功能，當(dāng)進(jìn)口管線(xiàn)的規(guī)格過(guò)小不足以滿(mǎn)足柱塞泵的排出流量時(shí)，管線(xiàn)內(nèi)的介質(zhì)流速會(huì)增加，從而對(duì)柱塞泵液缸體吸入口產(chǎn)生一定的沖擊力，引發(fā)柱塞泵的輕微振動(dòng)，此振動(dòng)反過(guò)來(lái)會(huì)加劇進(jìn)口管線(xiàn)的振動(dòng)。

2.3 出口管線(xiàn)振動(dòng)原因分析

出口管線(xiàn)輸送的介質(zhì)是從柱塞泵出口輸出，一般壓力比較高，對(duì)管線(xiàn)的沖擊力較大，所以出口管線(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象比較普遍，主要原因集中在以下4 個(gè)方面：①出口蓄能器失效。蓄能器有吸收脈沖，減少壓力波動(dòng)的功能，如若檢查不及時(shí)，蓄能器里的皮囊損壞或者氮?dú)鈮毫Σ蛔?，則起不到吸收脈沖的功能；②出口管線(xiàn)缺乏支撐或支撐采取剛性連接；③出口閥門(mén)密封不嚴(yán)。柱塞泵的出口一般采取閘閥和止回閥配套使用，如若閥門(mén)密封失效或者異物卡閥等現(xiàn)象，會(huì)造成管線(xiàn)的壓力變化而產(chǎn)生劇烈振動(dòng)；④出口管線(xiàn)過(guò)細(xì)。有的注水站由于后期調(diào)參的原因，將柱塞的規(guī)格加大，而沒(méi)有相應(yīng)的增加介質(zhì)的過(guò)流通道，造成流速過(guò)高。

3 治理措施

3.1 進(jìn)口管線(xiàn)振動(dòng)解決措施

以某油田第二油礦注水間為例，該注水間共5 臺(tái)柱塞泵，需同時(shí)運(yùn)行3 臺(tái)泵才能滿(mǎn)足井口注入。其中1 臺(tái)柱塞泵的進(jìn)口振動(dòng)較大，造成管線(xiàn)上安裝的進(jìn)口傳感器部分零件松動(dòng)失效，存在安全隱患。

柱塞泵基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其高度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工況來(lái)確定，剛性較大，混凝土基礎(chǔ)與柱塞泵底座通過(guò)埋地螺栓再次澆筑后連接。通過(guò)對(duì)柱塞泵運(yùn)行情況的反復(fù)勘察，發(fā)現(xiàn)地腳螺栓的螺母有松動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)增加墊圈以及在底座空隙處澆灌混凝土等方式加固后，進(jìn)口管線(xiàn)仍然有振動(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明地腳螺栓松動(dòng)是由管線(xiàn)振動(dòng)引起的，而不是柱塞泵振動(dòng)引起的管線(xiàn)振動(dòng)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)頻試驗(yàn)，當(dāng)把柱塞泵的變頻由25 Hz 逐漸調(diào)至40 Hz 時(shí)，進(jìn)口管線(xiàn)振動(dòng)無(wú)異常，當(dāng)頻率調(diào)至41 Hz，進(jìn)口管線(xiàn)振動(dòng)明顯加大，說(shuō)明造成進(jìn)口管線(xiàn)振動(dòng)的主要原因?yàn)橹玫母咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)與管線(xiàn)內(nèi)的介質(zhì)的流動(dòng)頻率產(chǎn)生共振造成，初步判斷吸入口管徑過(guò)小造成流速過(guò)高是進(jìn)口管線(xiàn)振動(dòng)的主要因素。

在現(xiàn)有條件下，盡量減少改造成本和工作量的前提下，將柱塞泵的吸入口規(guī)格由DN150 增加至DN200（圖1、圖2），同時(shí)將液缸體的吸入口規(guī)格由Φ50 mm 擴(kuò)至Φ55 mm，增大了進(jìn)口管線(xiàn)和液缸體吸入口的過(guò)流面積，降低了流速，避免介質(zhì)流速過(guò)高造成的高頻沖擊，同時(shí)在地下進(jìn)口匯管上加裝支墩。經(jīng)過(guò)改造后，流動(dòng)沖擊和渦流流動(dòng)狀況明顯改善。

圖1 改造前（DN150）

圖2 改造后（DN200）

3.2 出口管線(xiàn)振動(dòng)的解決措施。

以某油田第三油礦注水間為例，該站前期有3 臺(tái)柱塞泵，運(yùn)2 備1，其中一臺(tái)轉(zhuǎn)速為350 r/min 的柱塞泵自運(yùn)行起出口管線(xiàn)就存在輕微振動(dòng)。后期由于產(chǎn)能擴(kuò)建，加裝了2 臺(tái)柱塞泵。之前有輕微振動(dòng)的那臺(tái)柱塞泵隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，出口管線(xiàn)振動(dòng)越來(lái)越劇烈，造成出口閥門(mén)的旋轉(zhuǎn)手柄脫落，具有嚴(yán)重的安全隱患。為避免劇烈振動(dòng)造成管線(xiàn)焊接部位的出現(xiàn)疲勞損傷，導(dǎo)致焊口開(kāi)裂，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，站在出口管線(xiàn)附近，明顯能感覺(jué)地面振動(dòng)比較劇烈。

首先在排除柱塞泵本體振動(dòng)因素后，通過(guò)在出口管線(xiàn)上加裝支撐后，振動(dòng)有所減輕，但無(wú)法根除。初步懷疑是柱塞泵的高轉(zhuǎn)速與管線(xiàn)產(chǎn)生共振而造成的振動(dòng)，但該泵無(wú)法進(jìn)行變頻調(diào)速試驗(yàn)，無(wú)法確定是否由共振導(dǎo)致的管線(xiàn)振動(dòng)。后期通過(guò)同種泵型的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)考察，說(shuō)明高轉(zhuǎn)速不是造成出口管線(xiàn)振動(dòng)的因素，從而判定是埋地出口匯管的振動(dòng)引起了地面出口管線(xiàn)振動(dòng)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工改造，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槭┕挝皇┕げ灰?guī)范，未按要求安裝支墩和澆灌，管線(xiàn)施工后用渣土進(jìn)行填充，致使埋地匯管未進(jìn)行固定，通過(guò)高壓水流沖擊未固定的埋地管匯造成的管線(xiàn)振動(dòng)。后期經(jīng)過(guò)重新安裝支墩和填充，該泵的出口管線(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象得到了明顯改善。

其余泵站的柱塞泵管線(xiàn)振動(dòng)比較具有共性，均是出口有振動(dòng)現(xiàn)象。首先是出口管線(xiàn)缺少支撐，而出口安裝的壓力傳輸管線(xiàn)和回流管線(xiàn)會(huì)加劇管線(xiàn)振動(dòng)（圖3）；其次出口用于穩(wěn)壓的蓄能器未按要求進(jìn)行保養(yǎng)，不具備吸收脈沖的功能（圖4）。按蓄能器的保養(yǎng)要求，每年應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)充入氮?dú)?，蓄能器使? 年后應(yīng)及時(shí)更換。相應(yīng)的解決措施主要是增加出口管線(xiàn)上的支撐以及檢修或更換出口穩(wěn)壓裝置。

圖3 柱塞泵出口工藝

圖4 蓄能器（2003 年生產(chǎn)）

4 應(yīng)用效果及結(jié)論

由于往復(fù)式柱塞泵的固有特性，與之連接的管線(xiàn)上必然會(huì)存在振動(dòng)現(xiàn)象，管線(xiàn)振動(dòng)引發(fā)的疲勞損傷造成管線(xiàn)焊接部位開(kāi)裂事故是不可忽視的安全隱患，可以通過(guò)設(shè)計(jì)、施工等手段可以極大地降低進(jìn)、出口管線(xiàn)振動(dòng)，消除安全隱患。①降低柱塞泵沖次，減少液體脈沖的頻率；②擴(kuò)管降速，減少水錘沖擊[5]。增大管線(xiàn)的過(guò)流面積，減低流速，減輕脈沖液流造成高頻沖擊；③優(yōu)化減振措施，在地面上管線(xiàn)增加支撐加以約束，并在管卡與管線(xiàn)之間墊橡膠板；地下匯管澆筑支墩固定管線(xiàn)，減少地下匯管的自由振動(dòng)；④連接部位采用彈性連接，尤其是進(jìn)口低壓部位，可避免從液缸體的流體脈沖造成進(jìn)口管線(xiàn)的振動(dòng)。