五柱塞泵柱塞涂层失效分析及改进方法

荣延成　马军　张德军

摘 要：五柱塞泵是应用繁多的采油设备其中重要的一个装置，尤其在油气进入中后期开采，出水量增大的情况下，五柱塞泵更加起到举足轻重的作用。但是，五柱塞泵受到使用环境的影响较大，地下工业废水长时间的腐蚀，长期机械性磨损等原因，柱塞的涂层会发生脱皮现象，没有涂层保护的五柱塞泵，故障频发，使用寿命明显降低，给企业造成不小的经济损失，为此，本文针对这一现象，详细的分析柱塞涂层在使用中失效的原因，并就这些原因对泵的柱塞涂层予以优化改进，延长其使用期限，达到设备一直能稳定良好运行的目的。

关键词：五柱塞泵;柱塞涂层;失效分析;注水;优化

0 前言

国内油气田开发进入中后期，联合站及各类计量站生产过程产生大量的工业废水，工业废水环境危害大，生产单位环保压力高，地层水回注是目前采用较为广泛的做法，由于工业废水腐蚀性强，需要通过高压注水设备增压后注入地下，注水增压设备根据地区不同，采用柱塞式注水泵和高压离心泵进行增压，本文就柱塞式注水泵使用过程中，核心部件由于柱塞涂层脱皮，导致注水泵曲轴箱润滑油污染导致设备停运进行分析。

1 五柱塞泵工作原理

五柱塞泵属于注水液压系统的一个重要装置（图1），它依靠柱塞在缸体内反复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸液和注液，轴向柱塞泵一般都由缸体、配流盘、柱塞和斜盘等主要部件组成，缸体内有五个柱塞，各柱塞是轴向排列的，即柱塞的中心线平行于转动轴的轴线，当电动机带动传动轴旋转时，泵缸与柱塞一同旋转，柱塞头永远保持与斜盘接触，因斜盘与缸体成一角度，因此缸体旋转时，柱塞就在泵缸中做往复运动，以一柱塞为例，它从0°转到180°，即转到上面柱塞的位置时，柱塞缸容积逐渐增大，因此液体经配流盘的吸液口吸入液缸，而该柱塞由180°转到360°时，柱塞缸容积逐渐减小，因此液缸内液体经配流盘的出口排出来，只要转动轴不断旋转，泵就不停的工作，改变倾斜元件的角度，就可以改变柱塞在泵缸内行程的长度。

2 五柱塞泵柱塞运行的相关技术数据

油气田基层站队注水单元核心设备注水泵通过设备更新改造，更换为5柱塞式注水泵，注水泵设计压力为28MPa，注水流量65m3/h，柱塞直径为80mm，按照一般柱塞分类标准，该注水泵使用的柱塞柱塞分类（L>3×D），此柱塞体为细长柱塞。

该柱塞泵设计采用变频启动和流量调节，注水量在29～59m3/h之间波动，出口压力维持在10～11MPa之间，累计运行达1700h，运行至984h，编号为1#的柱塞涂层破损脱皮，根据涂层的磨损情况，该涂层磨损后的厚度为0.65mm，破损面积为150*60mm，根据更换的新柱塞涂层进行换算，该电涂层为0.70mm，由于涂层结合面粘接强度低，涂层表层刚度低，具体表象为涂层软更换的柱塞涂层损伤较为严重，

3 柱塞涂层使用失效原因分析

根据现场实际情况，综合分析有以下几个方面原因：柱塞表面涂层磨损后间隙超差的原因之一，是注入的液压油的清洁度不符合标准，导致早期磨损。原因之二，柱塞表层涂层硬度未达到。原因之三，柱塞体圆柱表面粗糙度不够。原因之四柱塞填料硬度大于柱塞表面涂层。原因之五就是涂层工艺参数不符合设计要求，导致涂层粘接强度不足，同时涂层硬度下降。

①该注水泵柱塞表面润滑油采用高差注入到柱塞表面，确保密封填料和柱塞之间的润滑达到清洁柱塞表面和降低填料磨损速率润滑油采取三级过滤注入，排除注入过程的二次污染;

②润滑油吸入水份或混入空气，致使润滑油成膜能力大大减低，柱塞在缸体里高速往复运动时，油膜附着力差，导致磨损或柱塞变色，根据已拆除的柱塞看柱塞表层未变色，运行时间在984h以上更换柱塞，排除柱塞注入过程的空气和水分造成的影响;

③目前柱塞采取的涂硬铬是一种传统的表面电涂技术，已经应用长达70多年。具有涂铬层硬度高、耐磨、耐蚀;

④由于传统热喷涂焊硬铬，涂层表面制造过程存在微裂纹，甚至不可避免产生穿透性裂纹，导致腐蚀介质从表面渗透至界面而腐蚀柱塞体，造成涂层表面出现锈斑甚至剥落，在已拆除的柱塞看完全吻合;

⑤传统的热喷焊工艺，涂层沉积速度慢，综合考虑柱塞的经济性，涂层一般会采取涂20～30丝厚的涂层。

综合以上情况，柱塞使用失效原因分析：原因之一看存在喷涂工艺参数选择不合理，导致涂层粘接强度不足，出现锈蚀和剥离;原因之二是柱塞涂层厚度过大，表面强度较低;原因之三柱塞体材质选择不当涂铬层附着力差;原因之四水质硬度大;由于该区块的水质矿化度为2.259×105，且钙离子9.536×103mg/L，镁离子含量8.358×103mg/L，水质出现结晶体导致柱塞表面磨损加快。

4 五柱塞泵柱塞涂层的优化

因此与制造单位结合后，对五柱塞泵采取了以下几项优化措施：①优化柱塞体表面涂层喷涂工艺，采用热喷焊接工艺提高涂层强度;②采取40#钢加表面30～40丝涂铬层，经过磨削加工后，涂层厚度20～30丝，涂层与柱塞结合度良好;③由于涂层只有原设计的40%，柱塞加工成本只有原设计的70%，表面结合较好;④解决基材与涂层之间膨胀系数差导致的脱层;⑤提供注水泵运行中的维护质量，做好柱塞与连杆之间防松工作。

5 日常使用与维护保养

机器的日常维护和保养也是非常重要的，这其中有三点需要特别注意一下：第一，当行程较大时，流体进入放电室内部会产生回流和涡流，会引起泵头本体振动，长时间作用会损坏放电室内壁。第二，阀门和阀座的间隙近似为微孔，阀门底角处的最大速度非常大，密封圈易撕裂，导致泄漏，特别是当行程为299转/分時，液压油平均速度过大，这会导致腔体被侵蚀。第三，在维修需要更换零件时，应尽量使用原厂生产的零件，虽然这些零件可能比其他仿造零件价格贵，但是质量和稳定性好，便宜的仿造零件短期内节省了费用，但存在一定的风险隐患，将来可能对柱塞泵的使用造成更大的危害。

6 结语

根据以上情况分析和优化，目前试制5根柱塞已投入运行，效果良好。柱塞泵使用寿命的长短，与平时的维护保养有很大的关系，泵体涂层的有效保护，也是延长柱塞泵使用寿命的有效途径之一。随着柱塞泵的发展，逐步实现自动化控制，自动识别运行状态，这种调节方式最大优点就是能降低柱塞泵的运行能耗，节电效果可达30%以上，节省能耗，节约成本，无疑是对企业的发展最大的裨益。

参考文献：

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