柱塞式注水泵易损件寿命分析及提高措施

贾品元

(长庆油田公司 第五采油厂 西安 710200)



柱塞式注水泵易损件寿命分析及提高措施

贾品元

(长庆油田公司 第五采油厂 西安 710200)

摘要：长庆油田采油五厂采出水水型主要为氯化钙型，矿化度较高，地层水中普遍含有等，导致柱塞式注水泵易损件寿命较短，维修更换易损件占用时间较多，制约着注水设备完好率的提高。以长庆油田部分站点在用柱塞式注水泵为研究对象，进行了多次现场调研，对柱塞式注水泵柱塞、盘根、阀组等易损件的失效形式和失效原因进行了统计分析，提出了提高易损件寿命的改进措施，进行了现场应用，取得了良好效果。

关键词：柱塞式注水泵；易损件；措施

随着长庆油田注采工艺水平的发展，柱塞式注水泵已成为油田注水系统的关键设备。长庆油田采油五厂注水泵全部采用柱塞式注水泵，使用中普遍出现易损件寿命短等问题，导致维修工作量大、维修成本较高，这一问题不仅对注水效率造成一定影响，同时还增加了采油成本。

对长庆油田采油五厂在用注水泵易损件失效情况进行了现场调研和测试，对失效形式进行了统计分析，结合相关失效分析理论，对注水泵易损件失效原因进行了分析，并提出了相应的改进措施及建议，通过现场实践取得了较好效果，对提高注水系统效率，降低运行成本，保证油田开发水平有一定指导意义，并带来了可观的经济效益。

1失效形式分析

1.1使用情况

柱塞、盘根、阀组等是柱塞式注水泵中的主要易损件，它们直接影响着注水泵的性能。通常情况下，易损件本身制造成本较低，但其失效后对整个注水泵组的正常运行所带来的影响非常大。通过现场调研和数据监测，对长庆油田采油五厂姬一联、姬二联、姬五联等10个站点的柱塞泵易损件的使用情况进行跟踪统计，如表1 所示。

表1　长庆采油五厂柱塞式注水泵易损件使用情况

现场跟踪统计的10个站点的柱水泵易损件实际使用寿命和 “长庆油田企业标准”[1]所要求的易损件使用寿命相比较，无论介质是清水还是采出水，注水泵的易损件寿命均远低于国家标准及企业标准；配件费用消耗量极大，主要易损件寿命较短，导致单台年平均维修费用均超过￥5万元。

1.2失效形式[2]

1.2.1柱塞

柱塞断裂( 如图1a)；柱塞表面拉伤(如图1b)；柱塞表面镀层(喷焊层)脱落、脱皮(如图1c)；柱塞表面腐蚀(如图1d)。

a　断裂　　　　　　　b　表面拉伤

c　表面镀层脱落　　　　　　d　表面腐蚀

1.2.2盘根

盘根磨损(如图2a)；盘根塑性变形(如图2b)；盘根烧结、碳化(如图2c)。

a　磨损　　　　b　塑性变形　　　　c　烧结碳化

1.2.3阀组件

阀芯、阀板及阀座(表面)磨损、刺槽(如图3)。

a　阀芯磨损　　　　　　b　阀座刺槽

2失效原因分析

2.1介质对易损件使用寿命的影响

为了合理利用资源，减少污水对环境的污染，将采出水直接回注。但由于水中含有大量氧、硫、磷、硫化氢、氯离子等强腐蚀物质，柱塞长期工作在这种环境下，逐渐形成许多肉眼无法看到的沟槽和蚀点，形成了许多微小水道，同时对盘根、阀体增加了腐蚀和磨损。

此外，注入介质采出水中含有砂粒，颗粒磨损现象的出现，导致盘根、柱塞拉伤；阀组件的早期磨损，导致密封失效，产生泄漏。一些微小砂粒容易进入盘根与柱塞缝隙，或镶嵌在盘根中，会造成柱塞磨损加剧，反过来，柱塞的不正常拉毛，又会造成盘根的磨损，导致早期磨损密封失效，产生漏水；阀板、阀座在关闭的时候，磕碰砂粒(因为砂粒的硬度基本上在70HRC以上)，会造成点坑，引起刺漏，阀板、阀座密封失效，寿命大幅度降低。以往复泵冲次250min-1为例，1d阀启闭达到36万次，所以如果介质含砂粒等硬颗粒，对阀组的损害非常大。

2.2零部件制造质量对易损件质量的影响

2.2.1柱塞制造质量的影响

1)柱塞表面的硬质合金层的硬度及喷焊层厚度不够，表面硬度低于55HRC的柱塞约占50%，喷焊硬质合金层厚度在0.20mm以下的柱塞约占60%。

2)柱塞的金相显微组织疏松，有针孔，不能形成奥氏体基体上分布碳化物和硼化物硬质相的组织结构。柱塞表面硬度及喷焊层厚度不够是柱塞耐磨性、耐蚀性差的重要原因。

3)柱塞表面硬质合金层结合强度不够，在柱塞的工作过程中，容易造成柱塞表面脱皮，合金层脱落，影响柱塞的使用寿命。

4)部分厂家提供的柱塞未对柱塞端面进行防腐处理，造成柱塞的耐腐蚀性差。2013年到四个厂家考察后发现，大多数厂家的柱塞表面热喷涂都是人工操作，质量受限于操作工的技术水平和责任心。

2.2.2盘根制造质量的影响

1)盘根制造材料成分不符合要求，未按照注入介质的腐蚀性来确定盘根的成分，造成盘根的耐腐蚀性差。

2)盘根内部疏松、编织不紧密是造成盘根不耐用的原因之一。

3)选用盘根型号不对，未根据压力等级正确选用，导致盘根使用寿命缩短。

2.2.3阀组制造质量的影响

1)选用材料不当，阀组件的材质耐腐蚀性能差，因腐蚀造成密封失效。长庆油田采油五厂各站点的采出水的腐蚀性较强，腐蚀性离子的种类又存在着差异，部分阀组件供应厂家未对现场工况的腐蚀性能进行分析，对形成阀组件的腐蚀机理不清楚，造成选材不当。

2)阀芯、阀座、阀板的表面粗糙度不合格，密封不严，造成阀组件的破坏。

3)阀弹簧的加工及热处理不规范，造成阀弹簧断裂等。

4)阀密封面硬度不够，造成阀组件寿命降低。

2.3加工、装配对易损件寿命的影响

加工要保证配合圆柱体间的同轴度(如中间杆和柱塞、十字头与中间杆)，两零件连接端面的垂直度，如果一个零件相关联尺寸形位公差达不到要求，就会造成两连接件不同轴、不垂直导致偏磨，造成密封失效。

柱塞组件常规密封是柱塞前后各有1个导向套，中间为碳铅密封或芳纶密封，盘根数量一般不少于6个。这种组合方式，会造成靠近调节螺母的几个盘根变形过大，造成盘根寿命较短，不同的组合方式对易损件寿命影响较大。

盘根装配的好坏直接影响易损件的使用寿命。盘根应逐个装配，而且通过专用工具应逐个压紧，保证盘根受力均匀，盘根的缺口应错开120°安装。初始预紧力也对易损件寿命有影响，初始预紧力过大会使柱塞和盘根摩擦加剧，温升过高，加快失效。

2.4十字头下沉对易损件寿命的影响[3-4]

由于十字头孔下部的磨损，导致十字头下沉，会导致十字头中心线与导轨孔中心线不同轴，而密封函体盘根孔是与导轨孔中心线同轴，这样会造成柱塞与密封盘根孔不同轴，造成柱塞与盘根不同轴，偏磨，直接影响到盘根、柱塞等易损件的使用寿命。

2.5运行维护的影响

盘根与柱塞间的微泄漏是允许的，泄漏量超过标准要求，要及时紧盘根，如果不紧，随着泄漏量的增加，会造成高压刺漏，盘根很快受损失效。阀座或阀板密封不严，如果不处理，阀座与阀板间就会造成刺漏，最后阀板与阀座损坏，无法修复，降低了使用寿命。

3提高易损件寿命的措施

3.1针对性做好易损件防腐处理

长庆油田注水泵实际注水压力一般都超过16MPa，随着压力升高，柱塞的磨损和腐蚀加剧，从而加快柱塞的损坏。采出水矿化度极高，影响腐蚀因素较多，厂家应针对性地做好柱塞喷涂表面的防腐、耐磨等特殊处理，应进行喷涂耐磨强化，增加喷涂合金材料，严格控制喷涂工艺，保证涂层与母材的结合强度，应满足Q/SYCQ3452—2012之规定。

3.2正确选择阀组材料和结构

3.2.1阀组材料

阀组材料选择既要满足防腐蚀的需要，也要满足硬度、强度的需要，这些条件都和输送介质、排出压力有关。

1)输送介质是清水或油田污水(一般性腐蚀)、不含砂时，泵阀材质选用2Cr13、3Cr13，阀板为尼龙、聚甲醛、改性工程塑料 。

2)输送介质矿化度高(含氯离子等腐蚀性很强)、不含砂时，泵阀材质选用304/Ni60、 316/Ni60、17-4PH、沉淀硬化型不锈钢，非金属阀板、阀芯。

3)输送介质含颗粒、含砂时，泵阀材质选用316/WC(硬质合金)，阀板、阀芯为非金属改性聚合材料 。且泵进口汇管处一定要加装过滤器，过滤器的目数既要保证过滤效果，也要确保足够的流通面积，以保证流量。

3.2.2根据不同工况选择组合阀

阀组应根据介质、压力等参数选择不同结构 。介质中含砂时，颗粒垫阀造成密封不严引发加砂射流，使阀面因冲刷形成沟槽而过早失效。这与不含颗粒的清水或油田处理水引起的阀面损坏是不同的，因此需要从结构和材料进行综合分析。

1)泵的工作压力≤15MPa，且输送介质不含砂(清水或油田污水)，阀组结构选择立式组合阀、锥形平板阀。

2)泵的工作压力>15MPa，且输送介质不含砂(清水或油田污水)，阀组结构选择卧式组合阀、双流道组合阀，如图4所示。

1—吸入阀弹簧；2—吸入阀片；3—阀座；4—排出阀；5—弹簧；6—弹簧座；7—高压螺母；8—螺柱。

3)泵的工作压力≤15MPa，且输送介质含有颗粒、含砂时，选择的阀组结构为AR阀、非金属阀板组合阀，如图5所示。

1—阀座；2—阀心；3—弹簧；4—阀罩；5—阀胶片；6—O型圈。

4)泵的工作压力≤ 25MPa且输送介质含有颗粒、含砂时，选择双导向非金属密封锥形组合阀、立式非金属组合阀。

3.3选择合适的盘根材料和组合方式

提高盘根使用寿命不仅要考虑盘根材料，还需采取盘根合理的组合方式，才能提高盘根的使用寿命。一般在10～15MPa应选用碳纤密封；15～20MPa应选用碳纤维含油盘根；20MPa以上应选用芳纶盘根。

3.4正确选择柱塞的材料和结构

3.4.1材料和表面加工工艺

1)在不含颗粒污水和清水介质中，选用改性陶瓷烧结工艺或等离子喷涂/喷焊金属增韧陶瓷柱塞。

2)在含颗粒污水介质中，选用喷焊Ni60/WC复合金属涂层柱塞或镍錋合金。

3.4.2连接结构

现在大多数泵的十字头、中间杆、柱塞之间都是硬连接，一旦十字头下沉，这此零部件与盘根孔将不同心，这是造成柱塞、盘根损坏的主要原因。即使十字头孔装了滑板，调整十字头与柱塞的同心度也很难。应在十字头与中间杆之间，或中间杆与柱塞之间采用可调连接，即允许十字头与中间杆之间，或中间杆与柱塞之间有适当的偏角，以弥补十字头下沉造成的偏心。

4应用效果分析

4.1柱塞及阀组

在姬二注、柳三转等站点现场实施应用，采出水回注压力15～20MPa。

改进泵阀材质为316/WC(硬质合金)，金属阀芯锥面上结合非金属密封材料，柱塞为喷焊Ni60/WC复合金属涂层柱塞。主要易损件柱塞、填料、阀组平均≥1 800h，如表2。

表2　特殊处理后易损件使用寿命　h

注：括号中为Q/SYCQ3452—2012标准规定的使用寿命。

4.2泵阀结构及材料

原泵阀使用上下分体阀结构，阀芯与阀体为金属密封面配合，在输送污水本身就含有颗粒物时，会出现阀芯与阀体密封不严而漏失的问题，容易破坏金属密封面。

在姬二注站点采用螺旋导向复合密封锥型组合阀组，进液阀和排液阀组合在同一阀体上，如图6所示。

图6　螺旋导向复合密封锥型组合阀组

泵阀选择316/WC(硬质合金)，阀板、阀芯为非金属改性聚合材料，改造后阀组寿命由改造前的平均785h提高到1 850h。

5结论

1)造成柱塞式注水泵柱塞、盘根等易损件寿命较短原因是注入介质的影响、易损件制造质量、盘根材质及组合方式、十字头下沉及装配质量等。柱塞表面的微小腐蚀、脱皮、拉伤、偏磨和填料失效是造成柱塞密封渗漏的主要原因；阀组硬度不够、介质含硬颗粒、腐蚀、刺漏是阀组寿命短的主要原因。

2)根据现场介质情况，选用不同材质填料与工艺的柱塞及阀组，针对性做好易损件防腐处理可大幅提高易损件寿命。采取合理密封结构型式及盘根组合方式，可提高柱塞、盘根寿命。柱塞采用软连接，可提高柱塞、盘根使用寿命。根据不同工况，合理选用阀组结构及阀板材料，可延长阀组寿命。处理好十字头下沉问题，可延长柱塞、盘根使用寿命。选择正确的装配方式可使易损件寿命显著提高。

参考文献：

[1]Q/SYCQ3452—2012，往复式注水泵技术规范[S].西安：长庆油田公司，2012.

[2]李志丹.往复式注水泵故障诊断研究[D].成都：西南石油大学，2007.

[3]黄天成，袁新梅，周思柱，等.柱塞泵十字头有限元疲劳强度分析[J].煤矿机械，2009(2)：98-100.

[4]李宁会.往复泵与离心泵用于原油集输时的性能比较[J].石油机械，1996(5)：39-41.

LifeAnalysisandImprovementMeasuresoftheWearPartsofPistonInjectionPump

JIAPinyuan

(No.5 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China)

Abstract：The produced water effluent from No.5 oil production plant of Changqing oil field is mainly of calcium chloride，formation water generally contain high concentrations of Ba2+，Sr2+，Cl-，and ，etc.，leads to shorten life of wearing parts of plunger water injection pump，needs more time to maintenance and replace wearing part and restricts the improvement of water injection equipment.In view of this，some field investigations in Changqing oilfield were made for piston injection pump as the research object，and the statistic analysis was made for failure modes and failure of plunger piston pump，packing，valve group，wearing parts.A corresponding improvement measures is put forward.Application and the field application are carried out to obtain good results，and the feasibility of the measure is proved.

Keywords：piston injection pump；wearing parts；improving measures

文章编号：1001-3482(2016)06-0100-05

收稿日期：2015-12-24

作者简介：贾品元(1971-)，男，甘肃庆阳人，工程师，现从事油田设备的技术管理工作，E-mial：jpy_cq@petrochina.com.cn。

中图分类号：TE934.1

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.023