關于試壓泵故障的分析

　　隨著勘探開發領域的不斷延伸和擴大，井控技術和井控設備越來越受到人們的重視。根據《鉆井井控實施細則》中要求，設備在出廠前和現場安裝后都要進行試壓。目前，井控設備在車間試壓和現場試壓時均采用試壓泵進行試壓，所以試壓泵的性能就顯得額外的重要。但是試壓泵在使用過程中，經常會出現性能不穩定的情況，針對這些情況，我們做了深入的研究。
　　1　試壓泵工作原理
　　當柱塞向上運動時(吸程)，泵腔內由于體積變大形成真空，其壓力將小于泵入口處壓力，在壓力差的作用下，進口閥打開，液體進入泵腔；當吸程終了時，柱塞開始向下運動(沖程)，泵腔內壓力將逐漸加大，同樣在壓力差的作用下進口閥關閉，出口閥打開，泵腔內的液體被排出至泵外容器。當沖程結束后，完成一次增壓過程。如此反復進行上述過程，就能使泵外容器內的壓力不斷升高，直至達到所需壓力。
　　當泵腔內混有空氣時，泵腔內的液體及氣體的流動要比純液體復雜得多。由于氣體是可壓縮流體(相對液體而言)，當作用在其上的壓力有變化時，氣體的體積就會發生變化，且壓力越大，體積的變化就會越大。根據實際氣體的狀態方程有下列兩式。
　　pV=ZRT　(1)
　　pV=ZRT　(2)
　　式中V為常壓下氣體的體積為1；
　　P為壓力，單位為Pa；
　　V為開始排氣時的體積1(假設能排出氣體，不能排氣時按桂塞沖程結束時計算)；
　　P為開始排氣時的壓力(假設能排出氣體，不能排氣時按柱塞沖程結束時計算)，單位為Pa；
　　Z為壓縮性系數；
　　R為氣體常數；
　　T為絕對溫度，單位為K。
　　由于氣體為同一種，同時可假設狀態變化過程為等溫過程，故有：
　　V=pV／P　(3)
　　顯然V1，由于氣體的壓縮而使泵腔內實際有用體積減小為：
　　V=V－V=V(P－P)／P　(4)
　　因而就會出現柱塞有效行程減小，壓力增加變緩等現象。同時影響泵腔的有效體積的因素與混入的空氣的量的多少和排出壓力有著很大的關系。V越大，泵腔的有效容積就減小越多，同理，P越大，泵腔的有效容積就減小越多。所以在現場使用中，注入容器內壓力越高時，混入的空氣越多，這也同時驗證了當容器內的壓力越大，柱塞的有效行程越小的現象。
　　2　試壓泵故障分析
　　試壓泵在現場工作時，有時會出現性能不穩定現象。主要表現有以下幾點。
　　(1)有時在出口壓力達到一定值后，泵的出口壓力不再升高，無法達到預定值。
　　(2)柱塞的有效工作行程，有時會隨壓力的升高越來越小。
　　(3)當壓力上升到一定程度后，每次一個動作完成后，柱塞就會自動返回吸程終了狀態，而無須經過動力吸入過程。
　　針對上述產生的現象，將泵放在試驗臺上重新作了試驗，此時無論流量、壓力還是操作過程中感到的柱塞力都完全正常。此時分析可能是泵的安裝使用過程中的使用環境和使用條件可能有誤。在現場發現由于安裝位置的限制，泵的入口處的進水是間斷、不連續的。當試壓泵的進水不連續時，空氣就會隨水一起混入試壓泵的泵腔中，特別是當進口敞開對大氣，就會有大量的空氣進入泵腔。由于氣體和液體壓縮性的極大差異有可能對該泵的使用造成不利影響。這就是該泵在使用過程中出現“故障”的根本原因。泵腔內進人空氣的極限容積為泵腔的體積，要想保證柱塞每次運行都能使出口閥開啟，至少應滿足：柱塞行程容積大干泵腔內實際有用體積，當泵腔內的最高壓力遠大于注入容器內的壓力時，泵腔內實際有用體積等于泵腔體積。
　　由于泵每次不可避免地排不凈泵腔內的空氣。每次沖程結束后，泵腔內都會留有很大一部分相對高壓氣體。此時出口閥剛關閉，泵腔內的氣體的瞬時壓力為P，由于P>P，進口閥仍然處于關閉狀態。由于氣體的本身的特性，其要沿壓力降處膨脹。因而在柱塞的截面積上有力：
　　F=3.14D²(P－P)／4
　　式中F為作用在柱塞截面積上的力，單位為N；
　　D為柱塞直徑，單位為m。
　　此力作用在柱塞的吸程方向上，且逐漸減少。當外加在柱塞(手柄)上的力解除后，此時柱塞力就會將柱塞推向吸程方向，直至F=0結束，這就是形成柱塞有效行程容積減少，自然回程的根本原因。同時在此過程中，泵的進口閥始終處于關閉狀態，造成進口閥的開啟延遲，減少泵的流量，影響試壓泵的增壓效果。也是造成泵壓力增加緩慢的原因之一。
　　通過上述分析，初步認為，該泵在使用過程中所出現的“故障”，并非是泵本身的問題，很大程度上是使用過程中由于使用環境的限制混入空氣而引起的。為了驗證分析和推論，在試驗室和使用工位上進行了試驗。在試驗室中，對試驗管路進行稍加改動，使其進口能通人空氣。由于試驗條件的限制，只對其做了定性試驗。在注入容器壓力為零時，對泵進口放人少量空氣，泵在使用過程中變化不大，能順利地將容器壓力增加到40MPa。將容器內的壓力釋放。重新對其加壓。在注入容器壓力為10MPa時對泵進口放人少量空氣。此時，可以感覺到柱塞的有效行程容積減少，且柱塞有緩慢自動回程的現象，在注入容器壓力為20MPa時又對泵進口放人少量空氣，此時感到柱塞有效行程容積明顯減少，且柱塞明顯自動回程，壓力上升已不太明顯，反復上述過程幾次后，又對進口通人稍大量空氣后，柱塞有效行程容積幾乎為零，而且出口壓力再也無法增加。試驗結果與在現場出現的情況及分析推論完全吻合，從而證明了分析判斷的正確性。
　　3　結語
　　氣體對泵的影響是比較大的，尤其對流量較小的試壓泵影響更大，應盡可能地避免空氣進人泵腔，因為泵本身流量就小，其向外排氣能力就更小。為了適應進口進水不連續的工況，進而避免在使用中不慎混進空氣，而需釋放壓力，重新加壓的麻煩，建議在低壓部位，加一排氣閥。排氣閥的功能是，當泵腔內有空氣混入時，無須打開釋壓閥釋壓，只需打開排氣閥將泵腔內空氣排出，關閉排氣閥即可繼續對容器加