油田柱塞泵盤根刺漏的安全監控措施

彭棟棟 唱 靜 陳平君 張春娜 劉海龍

（1.中國石油冀東油田公司 陸上作業區，河北 唐山 063200；2. 中石油煤層氣有限責任公司，北京 102200）

0 引言

柱塞泵是各油田進行注水開發時廣泛使用的一種高壓設備，其壓力往往可以達到30MPa，屬于高危設備。柱塞泵常見的故障是：在運轉過程中依靠盤根對運動的柱塞進行密封。由于柱塞泵承受著極高的壓力，因此盤根容易損壞。當盤根被磨損造成密封失效后，就會出現高壓水從盤根處滲漏，并隨著時間的延續變成大面積刺漏。盤根大面積刺漏的后果是：一方面會造成減速箱機油的乳化，另一方面會對附近的電器設備設施造成破壞，同時盤根刺漏的緊急處置中還可能對操作員工產生人身安全風險，因此提前判斷和監控盤根漏水，防范盤根出現大面積刺漏是管理柱塞泵的重要安全目標之一。

1 柱塞泵盤根刺漏現狀

柱塞泵在運行過程中，其主要運動部件為柱塞，柱塞在往復運動過程中，以目前冀東油田普遍使用的5ZB-48/28型柱塞泵為例，其速度達到200次/min，工作行程為230mm，為了防止高壓水泄漏，在柱塞總成內部填加有盤根，以實現密封作用。

但是由于柱塞的高速往復運動以及高溫高壓環境，導致盤根隨時有失效的可能。盤根一旦失效，高壓水就會滲漏出盤根總成，并在10～20min后形成長達1～2m長的大面積刺漏，進而轉化為損壞設備的因素，給生產和安全帶來不可控的風險。

為了防止這種危害因素的產生，現場員工必須每隔2h進行現場巡檢。由于柱塞泵房溫度高（夏季可達55℃），噪音大（泵附近1m處可達120dB），因此每次的巡檢工作對員工來說也是一種傷害，這也導致了員工巡檢不及時，進而增加了柱塞泵高壓水刺漏事故的發生率。

2 降低盤根刺漏的方案對比

要想降低或防止柱塞泵高壓水刺漏可能產生的危害，可以從以下幾個方面進行探討：

（1）延長柱塞泵盤根的壽命。通過延長盤根的壽命可以降低單位時間內盤根刺水可能產生的危害。

（2）安裝防護罩。將盤根總成與減速箱、電路進行隔離。

（3）利用監控探頭[1]對盤根進行實時監控。

分析以上幾種方案：

（1）延長柱塞泵盤根的壽命并不能從根本上杜絕盤根發生大面積刺漏的現象，只是減少了刺漏的頻次。

（2）安裝防護罩的方案一次性投入較大，且安裝困難，對于減速箱機油進水乳化問題無法克服，而且防護罩的存在對后期員工進行檢查與維修也會帶來很多不便。

（3）利用監控探頭對盤根進行實時監控也存在著一次性投入大，且增加了值班人員的監控工作量。

根據現場情況與方案對比，提出新的安全監控設計思路，其工作原理是：利用水能導電的特性，將水的刺漏轉化為電信號，使其具備可監測的特性，再利用自動化[2]原理，使信號被捕捉并觸動相關設備，實現對盤根漏水的實時、遠程、全自動化監測。由于目前自動化技術的相對成熟，因此我們認為采用這個方法能夠實現安全[3-4]監控的目的。

3 安全監控的設計思路

自動化設計的基本思路是通過安裝一個設備監測盤根刺漏采集信號，再通過一定的方式將采集的信號傳輸出去，最后將傳輸出來的信號轉換成報警和停泵操作信號，因此所設計的自動化設備包含3個子系統：信號采集、信號傳輸和信號反應。

3.1 信號采集

信號采集利用了水能導電的物理特性，柱塞泵[5]的工作介質為污水，從盤根刺漏的水就具有導電性能，設計在一個斷開的電路中，當有水滴落在斷點時，電路就會被接通形成回路。信號采集正是利用這一原理特性，設計了專門的水滴感應電路板，該電路板的結構為2條相互獨立的線路，其中每2條相鄰的線路均為正負對應，線路的間距僅為1mm。

信號采集的第二步：將形成的回路與一個無線信號發射器相連，當盤根刺漏時，刺漏的水滴就會落在電路板上，使相鄰的2條線路接通，其接通的同時，也觸動了無線信號發射器連通，從而實現盤根刺漏信號的采集。

3.2 信號傳輸

信號傳輸設計首先考慮選擇無線信號傳輸。其主要考量是：由于柱塞泵房與值班室一般距離較遠，如果采用有線傳輸，就需要對注水站進行過多的改造建設，工作量較大，施工成本也高，更會破壞現有的標準化建設，因此信號傳輸與接收均考慮采用無線傳輸。但是由于柱塞泵房內有較強的電磁干擾，必須要選用能夠超距離發送無線信號的發射器，經過調研市場上可以選用的無線傳輸設備較豐富，選擇傳輸距離為1km的無線信號發送器，在柱塞泵房具有強電磁干擾的環境中，其傳輸距離也能夠達到100m，能夠滿足現場無線信號的傳輸要求。

無線信號傳輸設計包含2條路徑，一是將信號傳輸到值班室的報警器，報警器實時發出蜂鳴報警，使值班人員感知到柱塞泵盤根已經發生刺漏；同時無線信號也能夠傳輸到配電柜，用于控制柱塞泵的停泵操作。

之所以采用雙信號傳輸與接收，其設計思路是：當值班室內有人時，可以及時趕赴現場進行處理，防止盤根刺漏事態擴大。但由于目前生產單位人手緊張，有時值班室內無人值守，因此需要設備能夠自動停止運行。將無線信號傳輸到配電柜，能夠實現無線信號轉化為停泵信號，實現自動停泵，防止盤根刺漏事態擴大。

3.3 信號反應

通過在注水站值班室安裝一個無線報警器，報警器自帶無線信號接收裝置，當無線信號接收器接收到信號時報警器就報警，及時提醒值班人員趕赴現場處理盤根刺漏。

在對應柱塞泵的配電柜內安裝一個控制回路，控制回路上同樣連接一個無線信號接收器，一旦這個控制回路接收到信號后，就可以實現信號處理，對柱塞泵進行自動停泵操作，防止盤根刺漏事態繼續擴大。

具體設計方案，如下圖。

圖 柱塞泵盤根安全監控設計圖Fig. Design diagram for safety monitoring of piston pump disk root

4 現場安裝與實驗

4.1 安裝感應電路板和發射器

在生產實際中通過觀察發現，在柱塞泵的盤根刺漏的初中期，刺漏的水會與柱塞呈一定的夾角噴出，盤根刺漏量越大，夾角越大、刺出的距離越遠。這就需要在泵體上選擇一個最佳的位置安裝感應電路板，以便能夠及時準確的監測到盤根的刺漏。經選擇感應電路板安裝在柱塞連桿上端的油封上端最合適，這里也是盤根刺漏后容易引發減速箱進水造成機油乳化的路徑。通過設計一個專用插槽，將感應電路板裝入卡槽內，在插槽的背面粘有磁鐵，通過磁鐵將卡槽和柱塞泵吸附在一起，便于安裝與拆卸。感應電路板的接線柱與無線信號發射器進行線路連接，信號發射器則安放于減速箱表面上。考慮到油田柱塞泵多為五柱塞，因此設計了2種不同感應板，一種規格為50cm長，一種規格為30cm長，可分別放置于2個水槽內，其中任何一個感應電路板被盤根刺漏的水導通電路后都能激發無線信號發射器發出信號。

4.2 安裝接收終端

將值班室的報警器與一個無線信號接收器相連，信號接收器取代報警器的開關，一旦信號接收器接收到特定的信號，報警器就發出聲音報警。同時在柱塞泵的控制電路中加裝一個控制開關，控制開關與另外一個無線信號接收器相連，一旦接收到信號即對柱塞泵進行停泵操作。

4.3 方案優化改進

通過實驗以及與現場員工的調查，我們發現這一套自動化設備存在2個問題。一是監控設備在監測到盤根刺漏后就立即停泵并報警，也就是說報警和停泵操作是同時的，當值班人員在值班室接收到報警信號時柱塞泵已經自動停了，于是值班人員無法知道是哪一個盤根刺漏了、盤根刺漏的程度怎么樣、當前的盤根刺漏程度是否需要立即停泵維修等。二是按照柱塞泵的操作規程，正常情況下停泵，應先對管線進行泄壓操作，然后再停泵，以防高壓水在泵內突然停止流動，會對泵內零部件造成損傷。目前的監控設備在未泄壓狀態下進行停泵，長時間會對泵造成損傷，因此需要改進。

為解決以上問題，我們將報警和停泵分成2個操作，先報警后停泵，中間有個時間差供值班人員前去落實情況。改進措施為：在停泵控制回路前加裝一個時間繼電器，通過設置繼電器時間，一般為3～5min，即可實現停泵回路接收到信號后3～5min再停泵。同時對停泵回路中的無線信號接收器進行改進，在上面加裝一個復位按鈕。當值班人員趕赴現場后，可以先按下復位按鈕，使泵的停泵回路工作中斷，不再發生自動停泵，將停泵操作完全由人工實現。如果因值班室無人趕赴現場處理，則時間繼電器會接通停泵回路，使泵自停，防止盤根刺漏事態擴大。

改進后的安全監控設備使用流程如下；當盤根刺漏報警后，員工應到達現場，按下復位按鈕，防止停泵回路自行停泵；員工按正常操作規程進行流程泄壓操作，然后手動停泵。如果3～5min內無人前去柱塞泵房，則時間繼電器持續工作，觸發停泵回路，使泵自停。通過上述改進減少了自動停泵概率，即減少了因自動停泵造成的管線未泄壓可能帶來的流程設施損壞。同時也使員工有足夠時間對現場進行觀察和判斷，選擇采取正確的處理方案。

5 效果評估

該套柱塞泵安全監控裝置于2017年在冀東油田L36注水站的4個五柱塞柱塞泵上實驗近1年來，實驗效果良好，平均每個月發生報警停泵12次，1年多來，柱塞泵未出現減速箱機油乳化和其他電器故障，同時也降低了員工的巡檢勞動強度，目前已經從原先的2小時1次巡檢制度改為4小時1次。

該套安全監控裝置成本低，全套設備僅需要150元，由于采用了磁性安裝架和無線發送與接收裝置，安裝與拆卸方便，由于注水站內各臺柱塞泵需要定期更換使用，因此該裝置可隨時根據需要拆裝，減少了全站采購成本。

6 結論

柱塞泵盤根刺漏安全監控裝置的研發成功，實現了對運行設備的動態安全監控；提高了設備的安全性；大大降低了員工的勞動強度。

當前在各生產部門仍然有大量運行的設備需要人工巡查，面對勞動力成本不斷上升和安全管理要求不斷提高的難題，通過本文實例的推廣，建議其他部門崗位員工，結合實際自行組織研究兼具經濟、實用、創新的自動化監控技術。