3DW系列注水泵改進探討

陸 輝

（中國石化集團江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江433123）

截至2015年6月，江漢油田采油廠新周采油管理區共有20臺3DW系列注水泵，基本可以滿足注水的要求（排量和壓力），但是這些注水泵在使用的過程中不可避免地出現了一些問題。對出現的問題進行統計和歸納，從動力端和液力端著手，逐一進行分析，旨在從理論和實際中找出問題的癥結，并采取相應的改進措施，以便能夠更好地保障注水泵的運行。

1 3DW系列注水泵動力端存在的問題及改進措施

1.1 箱體內十字頭滑道的改進

1.1.1 問題

現以老21井的3DW100A注水泵箱體結構為例，說明箱體內十字頭滑道的鑄造缺陷。從注水泵曲軸箱體剖面圖（圖1）可以看出，當更換中間桿油封時，必須先卸掉3個密封盒里的12個 M 10mm的螺栓，如果螺栓被從函體中刺出來的污水腐蝕，則極易滑扣或者被折斷，這時，只能夠從注水泵曲軸箱體的上部卸掉螺栓，然后從曲軸箱內部往外敲擊，取出剩余的部分。由于曲軸箱的十字頭滑道是封閉式的，與泵體形成了一個整體，在現場維修時無法從內往外敲擊，只能夠對密封盒進行破壞性地拆卸，這樣極易損壞絲扣或者曲軸箱體。

圖1 注水泵曲軸箱體剖面圖

1.1.2 措施

建議在鑄造曲軸箱體時將滑道和密封盒座部位分開鑄造。這個建議已經得到了廠家的首肯，目前的箱體是開放式結構，維修難度大大降低。

1.2 曲軸箱體設計的改進

1.2.1 問題

由于3DW系列注水泵的整體構造較為的緊湊，填料函體之間的距離過小，維修及更換配件極為不便。如3DW100系列注水泵，其函體之間的中心距為130mm（圖2），一旦函體損壞需要進行更換，首先，拆卸函體下部的6個螺栓就很困難，更別說更換柱塞和中間桿了。

圖2 注水泵填料函體及泵頭示意圖

1.2.2 措施

建議適當增加曲軸箱體的結構尺寸。對比3ZS和3S兩類注水泵，建議將泵的寬度尺寸由原來的475mm增加到565mm，這樣既可以減輕維修工作量又有利于泵的安全運行。

1.3 動力端密封盒密封方式的改進

1.3.1 問題

3DW系列注水泵普遍泵速較快（286～315次／min），其柱塞平均運行速度可以按照下式計算。

式1中：V－柱塞平均速度，m／s；

S－行程長度，m；

n－泵速，次／min。

現場使用證明，合理匹配泵速與行程、控制柱塞的平均速度是保證注水泵盡可能處于合理的工作狀態及可靠運行的基本保證。由于3DW系列注水泵泵速較快，密封盒的設計不合理（由兩只油封并排安裝在密封盒中，無壓緊螺母），中間桿損傷后極易導致油封的內圈膠皮翻轉或拉傷。

1.3.2 措施

改進注水泵密封盒的密封方式，采用帶油封壓緊螺母的密封方式代替原來無壓緊螺母的密封方式（圖3），取得了良好的效果。目前，該技術已經廣泛地應用于新一站、新二站、東1－2、老21及周26等井區。

圖3 注水泵密封盒的密封方式改進前后的對比

1.4 動力端機油潤滑方式的改進

1.4.1 問題

3DW系列注水泵機油潤滑方式：由曲軸直接帶動機油泵運轉，進行強制潤滑（圖4a）。在現場使用中存在4個方面的缺陷。

1）由于潤滑油從曲軸箱底部吸入，如果吸力小將會造成潤滑油流量小，從而不能完全滿足注水泵潤滑點的潤滑需要。

2）無機油過濾裝置，機油乳化或者變質后不能夠保證機油的理化特性和指標。

3）注水泵的曲軸轉速高會對機油泵形成沖擊而損壞機油泵的密封，進而損壞機油泵。

4）曲軸直接帶動齒輪油泵高速旋轉，如果齒輪油泵損壞則不易被發現。

1.4.2 措施

改注水泵曲軸自帶齒輪油泵為外部安裝的機油泵（外置式）。外置式（圖4b）有如下優點。

1）有壓力表顯示（油壓始終保持在0.2～0.4MPa），容易發現問題，方便對機油泵進行檢修和保養。

2）能夠方便地將曲軸箱內的變質機油清理干凈（取下進入泵滑道的出口接頭，放入機油桶中，啟動齒輪油泵，只要3～5min即可將曲軸箱內的機油清理干凈）。

3）能有效地保護齒輪油泵。外置式潤滑與壓力控制儀聯合使用，當機油壓力低于0.2MPa時，電動機會自動停止，齒輪油泵將無法運行，從而得到有效保護。

圖4 3DW注水泵曲軸自帶齒輪油泵與3S注水泵外部安裝的機油泵對比圖

1.5 動力端安全護罩的改進

以前的3DW系列注水泵皮帶輪安全護罩的設計（圖5a）過于簡陋，不但笨重，而且安全防護性不強，容易對職工造成傷害，存在安全隱患。改進后的帶輪安全護罩，采用鋼板網加角鋼的外開啟封閉式結構（圖5b），既輕便實用又保障了職工巡回檢查的安全，滿足了盤泵的要求。

圖5 注水泵安全護罩改進前和改進后的對比圖

2 3DW系列注水泵液力端存在的問題及改進措施

2.1 液力端函體調節螺母設計的改進

2.1.1 問題

3DW系列注水泵的調節螺母是公扣，因此，裝填在函體內的填料數量較少，注水泵容易發生泄漏；另外，調節螺母松緊的孔有時鉆得太深，再加上油田污水的腐蝕性較強，污水容易在腐蝕調節螺母本體后從調節孔處刺出。

2.1.2 措施

在調節螺母側面銑槽，將公扣改為母扣，從外部對函體進行壓緊和調節（圖6）?，F場使用情況表明，密封效果極佳。

圖6 3DW系列注水泵函體調節螺母改進前和改進后的示意圖

2.2 液力端柱塞結構及尺寸設計的改進

2.2.1 問題

以3DW100柱塞為例，其直徑有20mm和24mm兩種規格，直徑較小，柱塞銑方（圖7）由于回注污水的腐蝕極易斷裂；柱塞銑方距離太短，不利于扳手的使用（如3DW100注水泵的柱塞六方長度為20mm，而28″活動扳手的寬度是20mm，且在柱塞和中間桿之間有一個厚10mm的擋水膠皮）。

圖7 柱塞加工工藝

依據理論公式可以確定3DW100柱塞的尺寸選擇存在問題。計算及校核公式為：

式2中：Q－理論流量，m3／h；D－柱塞直徑，m；S－行程長度，m；Z－缸數；n－泵速，次／min。

現以3DW100－2.1／50的注水泵參數為例，利用式2計算出注水泵的柱塞直徑。注水泵的相關參數為：理論排量，2.1m3／h；行程長度，100mm ；泵速，190次／min。

3DW100－2.1／50注水泵的柱塞直徑是20mm和24 mm兩種規格，小于理論上的28mm，在柱塞銑方和應力比較集中的部位（圖7）會因為污水的腐蝕而發生斷裂。

2.2.2 措施

現場使用情況表明，將DW100柱塞的直徑改為28～30mm是比較理想的。

式4中：Pmax－最大柱塞力，MPa；F－最小截面積，m2；［σy］－許用應力，MPa；［σs］－柱塞材料的屈服強度，MPa；n－安全系數，一般取3－4。

根據現場實際工況，最大柱塞力為50MPa、柱塞直徑為28mm，可以確定σy＝50 MPa。另外，柱塞的材料為45／Ni60，其中45號鋼的最大屈服強度，σy＝355 MPa。

89MPa＞50MPa，所以使用28mm的柱塞是安全的。

2.3 液力端柱塞和中間桿熱處理工藝的改進

2.3.1 問題

3DW系列以前的柱塞和中間桿是采用外表面鍍鉻處理（圖8）。由于鉻層不耐腐蝕（易溶于稀鹽酸和稀硫酸）和沖擊，一旦有一個地方發生腐蝕，整個鉻層就會逐漸地全部脫落，導致柱塞報廢。據統計，柱塞和中間桿最短的運轉時間只有218h。

圖8 中間桿和柱塞熱處理工藝

2.3.2 措施

改進柱塞和中間桿的熱處理工藝，由表面鍍鉻改為表面噴焊Ni60。改進工藝后，柱塞的平均使用壽命變為2 000h，遠超技術標準1 000h的要求（注水壓力≤20 MPa），極大地延長了泵的使用壽命，降低了維修成本，減輕了工人的勞動強度。

2.4 液力端排液閥組和填料函體熱處理工藝的改進

2.4.1 問題

現以3DW125的排液閥組為例來說明其熱處理工藝存在的問題。3DW125的排液閥組采用的是整體淬火處理工藝，但是在使用的過程中卻出現排液閥組斷裂的現象。2015年1月以來，曾連續斷裂了6套閥組和3套填料函體（圖9）。

圖9 排液閥組和填料函體的損壞情況

2.4.2 措施

分析發現，造成閥組和函體斷裂的原因是熱處理方法不對。原來采用的是整體淬火，這種淬火方式降低了零件的韌性，致使零件變脆。改整體淬火為表面淬火后，既保證了零件表面的硬度又滿足了零件工作的韌性要求，現場使用效果良好。

2.5 液力端排液閥組結構的改進

2.5.1 問題

3DW100系列注水泵目前還使用的是腰輪排液閥組（圖10），這種組合閥現場使用效果較差。其原因為：閥芯和閥座的材料均為2Cr13，當排液閥芯在閥座內做往復運動時兩者會發生摩擦磨損，致使排液閥組關閉不嚴而影響排量；當污水中雜質較多時閥芯容易被卡在閥座內而失效。

圖10 腰輪排液閥組

2.5.2 措施

目前，新周采油管理區使用較廣的臥式泵頭，采用的是組合閥組（圖11）。組合閥組的進液閥片和排液閥片均為聚甲醛材料，在與閥座碰撞時對閥座的沖擊磨損較小，這樣既保證了排量的要求，又減少了對閥座的磨損，延長了閥組的使用壽命。

建議廠家使用組合閥而放棄腰輪閥。截至2015年10月，新周采油管理區已經更換了9臺注水泵的腰輪閥。

圖11 組合排液閥組

3 結論及建議

注水設備安全、高效的運行是原油生產的重要保證，但設備的制造缺陷在實際應用中是難以避免的，只有通過技術的不斷改進，逐步消除缺陷，才能充分發揮設備的潛能。通過對3DW系列注水泵動力端和液力端的不斷改進，改善了設備的技術性能、工作性能和安全性能，極大地提高了注水泵連續運轉的可靠性，滿足了生產的要求。

設計者在設計高壓注水泵及增壓泵時要緊緊圍繞其工況、現場操作及維護保養的客觀情況來進行設計，只有這樣，設計出的產品才能更好地滿足現場使用要求，用戶也才能真正實現增產、增效。

［1］張望良.三缸泵介桿密封裝置的設計［J］.石油礦場檢修，1992（03）：16.

［2］許煡.新編石油機械設計師手冊［M］.北京：機械工業出版社，1995.

［3］《往復泵設計》編寫組.往復泵設計［M］.北京：機械工業出版社，1987.