注水泵震动过大的原因分析及改造措施

陈阳，周维洪，张方海

(1.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452；2.中海油中联公司神府分公司，陕西 神木 719300；3.中海油能源发展股份有限公司湛江采油服务文昌分公司，广东 湛江 524000)

0 引言

在海上某油田区域的移动式采油平台，号称可移动式的“石油天然气的海上加工厂”，它处于产业链的上游，是石油天然气的源头。该平台的生产工艺系统分为原油处理系统、天然气处理系统、生产污水处理系统、注水系统、开闭排系统、火炬系统等工艺处理系统。其中，注水系统是海上油田生产污水经污水处理系统处理合格之后，实现生产污水回注的关键系统，注水泵一旦发生损坏无法运转，将导致注水系统瘫痪，进而导致油田停产。

该平台自投产运营以来，注水系统的核心设备—注水泵常常出现震动过大的现象，不仅引起了平台其他设备及附属管线的震动，而且给平台生产工艺操作人员及设备维修人员带来了较多的工作量，注水泵随着震动加大，泄漏量也逐渐加大，需要生产操作人员频繁转移泄漏的废液；同时，震动过大引起注水泵的气囊等部件频繁损坏。为此，针对震动过大的问题，进行仔细观察，经过全面剖析，找到了问题的根本原因，并从根本上解决，实现降本提质增效。

1 生产概况与存在问题

在油田投产初期，由于生产工艺系统分离出的生产污水较少，平台为满足配注指标，通过掺入大量的水源井的地层水进行注水，注水泵运行基本稳定。生产污水处理及回注工艺流程如图1所示。但是随着开采时间的推移，油田综合含水率逐渐上升，生产污水量逐步由一天几十立方米上升至一千立方米左右，注水泵运转过程中一系列故障现象开始频繁出现，对油田持续稳定注水造成了很大影响。其主要故障现象表现如下：

图1 生产污水处理及回注工艺流程简图

(1)运转时噪音增大；

(2)震动加剧，造成泵的出口管线及管线上的附属仪表设备异常震动；

(3)两台注水泵储能器需要经常充氮气，且均出现了气囊破裂现象；

(4)两台注水泵泵阀弹簧都出现断裂现象。

2 探究分析，确定要因

针对以上出现的现象，通过机械维修人员和厂家的技术支持，现场进行了一系列分析，并开展了相关检修作业如下。

2.1 现场确认注水泵泵体对中有无问题

平台的施工改造作业以及吊装货物等其他作业，会引起甲板的承重发生变化，进而引起泵撬或者注水泵舱甲板结构发生变形，是否导致泵的对中有问题。经过现场对三台泵(两台注水泵及一台压裂泵)进行了逐一对中检测，发现各项数据均满足安装要求。

2.2 现场确认注水增压泵是否排量不足

针对可能是因为注水泵上游的注水增压泵排量不足，导致注水泵高震动。现场通过清洗注水增压泵进口滤器，并启动了两台注水增压泵(均为离心泵)做试验。油田单台注水增压泵的排量为64 m3/h，而注水泵排量为32 m3/h。启动两台注水增压泵后发现注水泵运行时状态仍无明显好转，说明注水泵入口的流量由单台注水增压泵就已经满足其供液要求。

2.3 现场确认是否蓄能器气囊压力设定不合适

经过现场运行期间观察，发现每次震动高或者噪音大时，进行拆卸蓄能器气囊检测均发现其气囊压力降低了，或出现破裂了。油田现场按照厂家技术规格书要求先后进行了多次压力充装试验，但是仍未根本解决高震动高噪音问题，反而出现气囊多次破损现象。因此分析气囊不是导致前述故障现象发生的根本原因，而是有其他因素导致蓄能器气囊损坏和高震动的产生。

2.4 现场确认是否新采购的相关备件质量问题

油田对两台注水泵均更换了新采办的弹簧，弹簧材质为1Cr18Ni9Ti，经过试验发现两台注水泵均是运转4天后运转声音就加剧，出口管线震动也加剧。机械维修人员在拆检注水泵过程中，对泵体解体后发现弹簧均出现不同数量的断裂和损坏。发现新更换的第二批1Cr18Ni9Ti阀弹簧有6件，其中损坏了5件，其中一个吸入阀的导向爪断裂，由此判断厂家新提供的弹簧可能存在材质问题导致断裂。同时发现阀和阀座上出现不同程度的麻点，初步判断可能是输送的生产水有一定的腐蚀性，或者是由于泵内产生汽蚀造成的。另外，出口蓄能器皮囊损坏。

经过重新更换4Cr13材质的阀弹簧和出口蓄能器，并充气达到合适压力。再次重新启动注水泵运行，入口0.36～0.4 MPa，出口压力表为1.8 MPa较稳定。运转5小时后入口压力表为0.32～0.4 MPa，与启泵初期入口压力表波动和入口管线震动均有所加大，继续运行观察，大约10 h后注水泵出现异常，每隔3～5 s异常声音响一次，同时进出口压力表指针剧烈摆动一次，通过液缸体上放气螺栓放气约10 min，现象没有消除。该现象可能是由于泵内集气太多，造成个别缸的阀门不能正常工作。停泵后通过拆检检查阀及阀弹簧等零部件均完好后重新组装，蓄能器压力均正常。由此排除了由于备件材质质量问题引起的损坏故障。

2.5 现场确认是否注水泵泵腔有大量气体导致震动加剧、噪音增大

在发现问题进行分析原因后，现场在注水泵出口放气管线上多次排气试验，均发现有大量气体，且多次长时间排放后，重新启动注水泵运转发现状态有较为明显的好转。因为需进一步全面分析产生大量气体的根本原因。

在该油田投产初期，注水泵运行基本保持平稳，因为在油田开发初期，油田的生产工艺处理系统分离出来的生产污水较少，因而进入生产水舱的高温生产污水也很少。平台为了满足配注的需要，在注水泵上游的净水舱中掺入了大量的水源井的水源。由于水源井水源的温度只有45～50 ℃，而生产工艺处理系统分离出来的水基本上接近90 ℃(主要是二级分离器分离脱出的水，且该流程无海水冷却器而直接进入生产水舱)；两者混合之后的注水水源温度相对较低，在50 ℃左右。

随着油田开发时间的推移，各口油井的含水率逐步上涨，生产污水由初期的几十立方米、几百立方米逐步上升到接近一千立方米；这就导致注水水源温度上升到接近70 ℃。以前50 ℃的水源经过注水增压泵(离心泵)后基本不会产生气体，再供给给注水泵，注水泵能够基本正常工作。然而，但当注水水源温度上升到70 ℃甚至有时更高后，再经过离心泵后可能产生了部分的气体。

再加上由于注水增压泵出口(即注水泵入口)管线至注水泵吸入口，设计有一段倒U形管，易造成注水泵入口管线易于集气。当气体达到一定容积时，就会引起注水泵的吸入状态变差，随着运行时间延长，最终造成注水泵气蚀，引起注水泵进出口管线震动过大。最终体现在阀及阀弹簧经常损坏，注水泵进出口管线剧烈震动，严重影响平台的正常生产。

3 主要技术对策与实施效果

注水泵通常是柱塞泵或多级离心泵，利用电力向电动机输送，从而使泵用设备通过电动机高速旋转。曲柄连杆机构是高速旋转电机动力端的主要机械单元装置。在此机械单元，实现将电动机的转动转化为往复活塞运动。在此基础上，往复泵缸容积会发生不同程度的变化。液体不断吸入和排出，只有当注入压力达到预定目标时，才能完成注水[1]。

柱塞泵是属于液态系统的一个重要装置，它通过柱塞在缸套中的反复运动，从而使密闭的缸体容器密度发生变化来实现吸油、压油等一系列实用性功能[2]。

通过利用柱塞泵的工作原理分析得知，柱塞泵的震动是由于供液不平稳，柱塞泵的压力变化所引起的，通常表现为进出口管线的震动。而管线的震动是由压力的波动引起的，压力的波动又是由流量波动引起的。其关系表现为：流量波动→压力波动→管线震动。

当泵的吸液和排液交替进行时，各个零部件的振动信号会依次反映在往复泵的表面。为了区分油田往复泵产生的故障是否应该维修，需要对油田往复泵常见故障进行分析和总结[3]。经过前面一系列相关原因的全面分析排查，结合注水泵的工作原理，综上所述提出以下几点整改解决措施。

(1)对注水泵的入口管线进行改进，在倒U形管的最顶端增设放气阀和放气管线，操作人员巡检时每2 h进行定期排放一次顶部集聚的气体。

(2)合理控制蓄能器预设压力。

(3)选取合适的阀弹簧材质，以避免阀弹簧过快损坏。

(4)设备正常运行时，注水增压泵出口旁通阀门保持全关，以保证注水泵的入口供水量，如因注水泵排量较配注量大则采用注水泵回流方式控制。

(5)定期倒泵清洗注水增压泵滤器，以免造成注水增压泵的供液不足，从而导致注水泵的入口供水量不足。

平台根据以上整改措施，进行落实完成整改之后，噪音过大问题、震动过大问题均极大地降低，有效解决了注水泵及管线频繁震动过大的问题，规避了导致发生油田关断和跑冒滴漏事故的风险。保障了油田持续稳定注水，还减少了设备检修工作量和更换成本。

另外，结合注水泵的工作原理，进行合理确定蓄能器气囊中的预压力，它亦是消除柱塞泵震动的根源。当蓄能器预压力过低或过大时，蓄能器基本上起不到降低压力波动的作用。在预压力的选取上，除考虑消波效果外，还应顾及到气囊的寿命，预压力过高，气囊寿命相对较短。排出蓄能器的预压力不超过极限压力的60%；吸入蓄能器的预压力是进口平均压力的80%。

目前两台注水泵运转一直非常稳定。注水泵出口管线未出现震动现象，注水泵各辅助配件均未再出现损坏事件，储能器气囊也未进行过氮气补充。不仅充分地保障了油田注水持续稳定，还大大减少了设备检修工作量和设备更换成本。

通过对柱塞泵故障现象进行分析，提出改善柱塞泵震动的几个方案，结合现场实际运行状态，在不影响正常生产的前提下，利用一些可行性措施解决了柱塞泵震动问题，经改造后，取得了很好效果，为今后解决柱塞泵震动提供了可借鉴的经验。结合现场实际，根据解决柱塞泵震动的对策，进一步优化工艺操作，通过加装放气阀、优化蓄能器压力等措施后，泵一直运行平稳，故障率明显降低，满足工艺流程需要，提高了设备的运行周期，从而稳定设备运转，降低设备检修费用以及备件更换成本，提高了企业经济效益，达到降本增效的目的。

4 结语

在发现生产工艺流程的关键设备注水泵存在震动较大的现象后，能够及时组织机械维修人员对故障泵进行检修，更换损坏备件，总结目前设备运转状态，结合以前丰富的现场流程管理实际经验，运用自身专业知识和扎实的工作能力，从设备工作原理入手，解决了这一困扰影响正常生产的棘手问题。

虽然这一技改项目的处理解决方法不是很复杂，但是此项目对自身专业基础知识要求比较高，需要在掌握设备工作原理的同时，融会贯通，灵活运用，通过从现象看本质存在的问题来分析从而找到解决办法，充分展现了现场工作人员发现问题、分析问题、处理问题的能力。通过设备故障的表象和设备运转状态的现场细致观察分析，注水泵入口倒U形弯加装放气阀、根据注水压力合理调整蓄能器压力等措施之后，正常工况下没有再次出现注水泵频繁震动等故障的现象，从而使设备能够稳定运转，提高了企业经济效益，达到降本增效的目的。

柱塞泵在石油化工生产装置中有着广泛的应用，解决柱塞泵使用中遇到的故障、问题非常重要，对石油化工生产装置的正常运行起着至关重要的作用，能够给生产装置提供足够的动力。但是，在柱塞泵的使用和维护中，有很多问题需要引起注意，其中包括流程状态发生变化、蓄能器压力控制、流程设计缺陷等等，通过对柱塞泵震动原因的分析处理，以及加强工作中的预防性维修，不仅能够使装置运行得更稳定，而且能够延长柱塞泵的使用寿命，降低生产作业成本以及维修工作量。