海上平臺臥式柱塞泵降低故障率的改造與應用

張澤京

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450）

0 引言

海上采油平臺注水工作對穩定產量有著十分重要的意義，注足水、注好水尤為重要。某海上平臺為提升注水質量，設計時增加了精細注水系統，精細注水系統采用臥式五柱塞泵進行精細注水工作。由于海上平臺的特殊環境、輸送介質、原始設計等諸多因素，該柱塞泵投用后故障率較高。鑒于該情況，平臺人員展開了對故障的分類統計、分析研究，從介質溫度、密封件材質、備件結構等多方面進行多次升級改進，目前該設備運行情況較為穩定，故障率大幅降低，為平臺穩定注水提供了有力保證。

1 改造前設備的運行情況

該海上采油平臺共有3 臺臥式多級柱塞泵，泵設計排出壓力：17.2 MPa、流量：47.5 m3/h、往復次數：260 次/min、柱塞行程：180 mm。臥式柱塞泵結構如圖1 所示。

圖1 臥式柱塞泵結構

正常情況下，精細水源通過該泵壓入地層。自該泵投入使用后，由于各方面的原因，該泵故障率一直處于較高水平，備件更換頻繁，檢修耗時耗力，增大檢修人員工作負擔。泵在運行過程中主要高發故障大部分為液力端故障以及油封問題，常見故障具體現象如下：

（1）柱塞填料密封不嚴導致漏液問題。泵在使用過程中存在填料密封失效問題。更換新備件后，初期運行過程中輕微滴漏或者滲漏，后期泄漏增大甚至噴發。通常初期采用壓緊盤根壓帽的方式進行處理，后期只能進行更換，更換頻率約5～15 d。

（2）柱塞磨損、涂層脫落問題。泵在使用過程中，填料泄漏檢修時通常會發現柱塞本體上也存在涂層磨損甚至脫落的問題，輕微磨損的尚可繼續使用，嚴重磨損甚至涂層脫落的則需對其進行更換，柱塞更換頻率約15～60 d。

（3）接桿、柱塞接頭斷裂及卡箍脫扣問題。泵體動力端的接桿與液力端的柱塞是由卡箍連接的，卡箍分為上下兩部分，使用兩個螺栓進行緊固。泵在運行過程中經常會出現卡箍松動脫落的問題，有時還會存在接桿頭以及柱塞頭斷裂的問題。

（4）動力端連桿密封漏油、曲軸箱油品乳化問題。柱塞泵曲軸箱接桿做往復運動，其油封設計為油封盒內置兩道骨架油封進行滑油的密封，在泵體運行過程中，存在滑油從油封處滲漏的情況，滑油日消耗量約為10～30 L，同時液力端漏液時竄至曲軸箱導致曲軸箱內滑油乳化。

2 柱塞泵故障分析

通過對該泵運行期間的故障進行統計梳理，對現場設備運行情況進行排查、故障備件破損情況分析，對不同故障原因分析如下：

（1）關于填料失效及柱塞磨損問題：對泵體進行填料更換作業時，拆檢過程中發現相接零件損壞、腐蝕情況比較嚴重。主要原因除填料材質耐磨性較差外，滲漏介質結鹽也對柱塞和填料造成磨損。現場拆檢中發現原設計盤根成分為石棉、石墨內加金屬絲，檢查中發現，填料以破損形式從柱塞與盤根函縫隙中擠壓出來，這種情況導致密封失效，同時對柱塞表面進一步磨損。同時輸送介質溫度約為90 ℃，高溫會加速泄漏介質的結鹽以及備件腐蝕程度。

（2）關于接桿、柱塞接頭斷裂及卡箍脫扣問題。根據現場所拆卸的卡箍發現卡箍連接螺栓有松動現象，這使其與柱塞、接桿固定處產生相對運動，造成撞擊、磨損、變形等問題。在運行過程中卡箍緊固螺栓松動，往復運動的接桿及柱塞在撞擊的過程中，導致螺栓進一步松動，有時候會導致螺栓直接脫開，嚴重的時候會導致螺栓拉斷。同時接桿以及柱塞頭部連續撞擊受力導致斷裂。根本原因在于卡箍螺栓連接不夠緊固，同時接桿柱塞頭部、頸部較細，強度不足。

（3）動力端接桿密封漏油、曲軸箱油品乳化問題。油封漏油主要是油封密封不嚴問題導致的，同時由于后端液力端的故障也對其有一定影響，水汽泄漏過大加之油封密封失效導致滑油乳化。但主要原因在于油封，原設計油封盒端面與曲軸箱之間采用密封條密封，油封盒內置兩道骨架油封，兩道骨架油封很容易失效，失效后會導致滑油泄漏，同時水汽過多時水汽從端面處以及骨架油封處進入曲軸箱，導致滑油乳化。

3 改造方案

根據現場各類故障問題分析，首先從設備運行環境入手解決介質溫度偏高的問題，隨后根據漏油、漏水的密封失效情況從材質、密封形式上進行改進升級。最后根據現場設備備件損壞的情況總結后對高發故障的連接件進行改進升級。

（1）首先輸送介質溫度過高，導致磨損加速同時結鹽較快，經過研究對介質采取降溫措施，對其前端流程進行改造，將介質同海水進行換熱降溫。降溫后介質溫度保持在50～60 ℃。

（2）填料密封失效問題。需要選擇合適材質的填料，要求具有一定耐磨性、耐腐蝕性、以及一定的彈性及自潤滑性能。同時要求其一旦失效不能夠對柱塞造成較大的磨損。通過對幾種常見填料進行現場實驗后，決定使用成型芳綸碳纖維角的成型盤根填料。

（3）曲軸箱的油封漏油問題。其原始設計為兩道骨架油封的密封盒，兩道油封既要密封住內部滑油的滲漏，還要防止外部水汽竄入，這樣一旦一道骨架油封失效，就會造成滲漏及水汽進入的風險。密封盒徑向無密封裝置，軸向使用耐油橡膠進行簡單的密封，這樣一旦液力端液體泄漏，介質及水汽很容易進入曲軸箱內部造成滑油乳化。為解決該問題，檢修人員通過現場實際測量進行升級改進：首先將油封盒徑向增設一道密封O 形圈，保證介質泄漏噴出后不會通過油封盒徑向進入曲軸箱體。同時進過現場實際測量，將原油封盒進行加長，將原來的2 道油封增設為4 道，加設2 道回油及回水環。

（4）連接部件破損改進，接桿以及柱塞，依據現場檢修過程中發現的問題，判斷其接頭處強度需要提升，同時現場測繪以及模擬計算后對接桿及柱塞頭部頸部兩個部位進行改進。

卡箍：通過焊接等方式將卡箍進行改進，使用更粗的螺栓。后續對其進行繪圖設計重新制作，將卡箍進行加強、加厚設計，同時將原來M8 的螺栓及螺母改進為M12 的螺栓及螺母，并增加一組鎖緊螺母。

原設計中的接桿、卡箍、柱塞實物如圖2 所示。

圖2 原設計中的接桿、卡箍、柱塞實物

改進后的接桿、卡箍、柱塞實物如圖3 所示。

圖3 改進后的接桿、卡箍、柱塞實物

檢修過程中，檢修人員總結一套填料更換的方法：由于接桿以及柱塞的同心度對填料及柱塞接桿本體的使用壽命影響較大，因此安裝的順序過程中需要保證其同心度。更換密封填料順序如下：柱塞放入填料函內后→裝填導向套→裝填隔環、填料（各7 道為最佳）→填料壓套（不壓緊）→帶孔圓螺母→安裝卡箍使得接桿及柱塞固定，對填料進行預緊。這樣安裝后減少由于填料的預緊力等造成的柱塞及接桿不同心問題。

4 結束語

通過對輸送介質進行降溫處理、對填料材質進行優化設計更新、以及對部分零部件的升級改進。目前該泵運行較為穩定，故障率穩步下降，維修周期大幅延長，總體情況改善明顯。