如何提高往復式高壓注水泵泵頭壽命

閻 磊，蔣 偉，劉 超，生文博，宋 健

（渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司工業(yè)泵制造廠，天津 300280）

0 引言

往復式高壓注水泵在油田深層開發(fā)中具有重要作用，可應用于40 MPa 的工作環(huán)境中，彌補離心式注水泵運行中難以達到壓力要求的不足，具有較強的穩(wěn)定性。該泵屬于洗井與水力活塞泵中重要的地面設備之一，具有較廣的使用范圍，可滿足不同井深的注水要求。當前設計中要求有效提升泵頭工作可靠性與穩(wěn)定性，提升泵頭使用壽命，這是當前重要的研究課題之一。

1 往復式高壓注水泵泵頭

往復式高壓注水泵泵頭具有多種各異的結構形式，品種類型較為繁多，使用中泵頭具有較大的排出壓力數(shù)值，使得泵頭體內(nèi)腔交變壓數(shù)值較大，影響了泵頭的使用壽命。通過對大量油田運行情況的檢查研究可見，往復式高壓注水泵排出壓力數(shù)值≥30 MPa 時，注水泵的工作時間不足3000 h，其中有一部分泵頭體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。早期運營失效，影響了油田的正常運行，給產(chǎn)品用戶增加了經(jīng)濟負擔，由此在油田運行過程中，要求提升往復式高壓注水泵泵頭的使用壽命[1]。

2 往復式高壓注水泵泵頭結構

2.1 分體式泵頭結構

往復式高壓注水泵泵頭多采用分體式泵頭結構，在每柱塞中均設置1 個分體泵頭，若運行中某塊分體泵頭開裂失效，造成的影響主要為該塊分體泵頭失效，不會影響整體泵體的正常運行，只需要維修這一部分泵頭即可，可降低故障的維修費用，降低損失。但是這種設計方式在泵頭上具有較多的密封面，容易由于密封不嚴等導致泄漏，且在運行過程中，吸排液歧管設置方式較為復雜，增加了維修與裝配的難度，因此在實際運用中往往沒有大量推廣分體式泵頭結構形式的泵頭[2]。

2.2 水平直通式組合閥整體泵頭結構

為了提升泵頭的使用壽命，運用中應當有效改進泵頭結構，減少應力集中。當前油田設計與運行中大量運用了水平直通式組合閥整體泵頭（圖1）。分析泵頭運行失效的實際情況，主要原因在于泵頭壓力交變腔內(nèi)交叉相貫孔現(xiàn)象，由此在泵頭優(yōu)化設計中取消相貫孔，減少泵頭體應力集中現(xiàn)象。

圖1 水平直通式組合閥整體泵頭結構

該閥主要構成包括排液閥片、吸液閥片、閥體。優(yōu)化設計的新型泵頭中，在泵頭體上垂直設置2 個吸入孔，并在直通式缸體內(nèi)部設置組合閥。此種設計方式簡化了往復泵液力端結構，免去了泵頭體分體設置的吸入歧管，大大改進了原有的設計性能。在泵頭體吸入孔中沿泵頭體軸線方向進行布置，與實際運行情況相契合，滿足了泵頭設計中對稱吸入的要求，結合充滿系數(shù)進行設計。增加了吸入過程的平穩(wěn)性，運行中降低了泵頭運行中的噪音與振動。

結合水平直通式組合閥的運行水平設置柱塞。在組合閥中設置吸入斜孔，要求其一側(cè)位置和泵頭體吸入孔相通。在組合閥中設置多個排出直孔，使其一端位置和交變腔連接，在另外一側(cè)位置設置閥片，設置排出孔[3]。

2.3 泵頭優(yōu)化設計原理

優(yōu)化設計之后，通過大氣壓作用，液體可從吸入斜孔頂，在吸入閥片之后進入交變腔中。隨著阻塞向前運動的進行，在交變腔中的液體可通過閥體中的排出直孔排出。在水平直通式組合閥設計過程中，隔絕了吸入孔、排出孔與壓力交變腔，同時在壓力交變腔內(nèi)部不存在應力集中的相貫線，此種設計方式顯著改善了泵頭的受力情況，延長其使用壽命。

設計過程中，在交變腔中設置了吸入彈簧座，以此隔絕了泵頭體與壓力交變流，由此高壓液流可直接作用于吸入彈簧座中，使其承受泵體運行中的大部分力，只有一小部分力傳遞作用在泵頭體上，顯著改善了原有泵頭體的運行狀態(tài)。泵頭孔圓周方向受力均勻，產(chǎn)生的壓強較小，由于改善了受力狀態(tài)，顯著提升了泵頭體的使用壽命。

運行中吸入彈簧座由于液體壓力數(shù)值變化，且受到外部泵頭向內(nèi)壓力，會出現(xiàn)壓應力。利用圓套筒界面應力計算公式分析，在隔套內(nèi)液體壓強達到44 MPa 時，在隔套中的應力數(shù)值為24.80 MPa。此時可見隔套和泵頭之間的壓力數(shù)值比隔套中的液體壓強數(shù)值要小。運行中，隔套受到兩個層面的作用力，高壓液流向外壓力數(shù)值與向內(nèi)壓力數(shù)值相反，可抵消一部分壓力數(shù)值。此時在44 MPa 隔套內(nèi)液體壓強下，隔套中的實際受力數(shù)值19.25 MPa。結合設計中的規(guī)定，隔套允許壁厚數(shù)值5.66 mm，設計中的實際隔套壁厚度12.50 mm。按照壁厚筒公式計算，泵頭允許的最小壁厚23.40 mm，實際設計中的泵頭壁厚80.00 mm，得出泵頭應力數(shù)值61.50 MPa，允許的應力數(shù)值150 MPa。

通過數(shù)值計算，可見此種泵頭具有較高的安全運行系數(shù)，此種設計方式有效解決了泵頭早期開裂失效問題。此種泵頭設計較為簡單，降低了生產(chǎn)制造成本，運行中便于拆卸與安裝。優(yōu)化了原有的檢修過程，拆下排出端壓緊法蘭之后，可有效取出泵頭中的組合閥，以此優(yōu)化組合閥維修與更換，以此促進維修工作[4]。

3 提高泵頭壽命的策略

3.1 優(yōu)化泵頭冶金鍛造質(zhì)量

泵頭生產(chǎn)制造過程中，容易受到冶金生產(chǎn)制造的影響。生產(chǎn)時的非金屬夾雜物會提升裂紋擴張率，若夾雜物不容易出現(xiàn)塑形變形，會損害材料的疲勞性能，如鋼的純度在低應力疲勞中具有比高應力疲勞中更高的壽命。因此在生產(chǎn)制造中，若具有夾雜形式的白點等局部缺陷，運行中可促進應力集中，在基體與質(zhì)點間界面會出現(xiàn)剝離，或者運行中第二相質(zhì)點出現(xiàn)自身劈裂，由此在使用中容易出現(xiàn)局部應變，主要是由于鋼的純度對疲勞剛度具有一定影響（圖2）。

從圖2 可見，在夾雜含量增加時，疲勞壽命隨之降低。泵頭使用壽命受到晶粒度的影響，在應力水平保持一致時，較細的晶粒產(chǎn)生的疲勞條紋較密，較粗的晶粒產(chǎn)生的疲勞條紋較梳，運行中晶界可在一定程度上阻止疲勞裂紋擴張，因此為了對抗疲勞抗力可以細化晶粒。

圖2 疲勞壽命和夾雜含量

在臨近晶粒的屈服強度逐漸被超過時，相鄰晶粒相互的范性約束數(shù)量也受到較細晶粒的影響，若晶粒滑移面上出現(xiàn)微觀裂紋，晶界在其中也發(fā)揮著一定作用。可在單個晶粒內(nèi)較為容易成長，主要是由于范性流變是沿著單組滑移進行的。晶粒間界是阻止裂紋擴展的重要力量之一，若存在較多細小晶粒，則具有更短裂紋長度及更多的裂紋阻止者。

油田運行中，提升泵頭使用壽命的重要基礎為改善泵頭體鋼材的冶金質(zhì)量，結合泵頭實際所處的運行環(huán)境進行優(yōu)化設計。設計中要求磷、硫含量低于0.01%，達到30～60 kPa 真空度時通氬氣，運用VHD（鋼液真空加熱脫氣）進行精煉，解除真空前加鋁粒，進行鍛造，要求塔形實驗下不出現(xiàn)發(fā)紋現(xiàn)象。

在選擇泵頭體的材料時，可采用具有優(yōu)良抗疲勞性能的鋼材，材料強度不用太高，主要是由于材料強度提升時，雖然可以提升其安全系數(shù)、提升零件材料的強度儲備，但同時也降低了其斷裂韌性，增加了脆斷的可能性，降低了其安全性。

3.2 采用泵頭復合強化工藝

泵頭復合強化工藝的設計是對原有分體式泵頭結構形式的重要改進，對原有的薄殼進行硬化增強處理，最終使泵頭內(nèi)腔表面具有壓應力場。進行強力噴丸，即復合強化的過程，屬于一種應力噴丸，可達到超越普通噴丸更強的應力強丸。在對其復合強化之后，可顯著增強泵頭的腐蝕疲勞性能，獲得更高的疲勞強度。在泵頭內(nèi)腔表面位置具有殘余壓應力，原有的最高殘余壓力為-250 MPa，硬化處理之后可達到-1230 MPa，將泵頭復合強化工藝運用于泵頭改進過程中，延長了泵頭的使用壽命，提升了泵頭內(nèi)孔表面應壓力，理論上具有較強的使用優(yōu)勢，但是該工藝實際運用較為復雜，對泵頭材料的選擇與使用要求較為嚴格，在冶煉與熱處理方面難度較高，增加了使用成本。此種工藝能夠提升泵頭材料抗疲勞強度，但是也具有一定的局限性，如在相貫孔處產(chǎn)生了較大的應力值，依然存在著裂紋現(xiàn)象，影響了泵頭的正常使用。

在泵頭生產(chǎn)制造過程中，可以進行薄殼硬化處理，以此使得泵頭體表面位置在運行中具有較高的壓應力，甚至可以超過泵頭體屈服極限。此種工藝運用中，要求嚴格按照相關要求設計奧氏體轉(zhuǎn)變時的析出碳化鐵級別。

3.3 優(yōu)化泵頭機加工工藝

優(yōu)化泵頭生產(chǎn)過程。在粗加工方式下，在泵頭表面位置容易出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，導致出現(xiàn)應力峰值，加工過程也會對表層造成一定損害，損害了表層之下一定深度的金屬。為了延長使用壽命，可以改進生產(chǎn)工藝，運用疲勞條件下的泵頭體，由此進行精加工或者磨加工，鉆孔工序在孔底切削面可能出現(xiàn)大面積撕裂現(xiàn)象，容易出現(xiàn)疲勞斷裂[5]。

設計中采用合適的磨加工方式，增加表面光滑度，在未誘生殘余應力或者疲勞裂紋萌生位置，若出現(xiàn)泵頭局部燒傷、局部過熱現(xiàn)象，會出現(xiàn)局部回火，容易在局部出現(xiàn)未回火馬氏體，構成磨削裂紋，不利于泵頭體疲勞強度。在薄殼硬化時，隨著奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，體積會逐漸膨脹，出現(xiàn)拉應力。若這一數(shù)值高于鋼材抗拉強度，可能出現(xiàn)淬火裂紋，甚至在放置一段時間后出現(xiàn)置裂，需要選用先進的儀器檢測淬火裂紋[6]。

4 結語

當前油田運行中，往復式高壓注水泵泵頭被大量使用，具有多種各異的結構形式，品種類型繁多。往復式高壓注水泵泵頭結構以及分體式泵頭結構，由于多種因素的存在，可能降低往復式高壓注水泵泵頭使用壽命。為此應當加強對泵頭使用情況的研究，可采用水平直通式組合閥整體泵頭，改善泵頭體鋼材冶金質(zhì)量，結合泵頭實際所處的運行環(huán)境進行優(yōu)化設計，采用泵頭復合強化工藝，進行薄殼硬化處理，優(yōu)化往復式高壓注水泵泵頭機加工，選用先進的儀器檢測淬火裂紋。與往復式高壓注水泵泵頭的實際運行環(huán)境相結合進行相應設計，通過多種方式的綜合運用提升往復式高壓注水泵泵頭的使用壽命。