注水泵潤(rùn)滑油應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

周世德，姚文釗

1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠 （陜西 延安 716000）

2.西安石油大佳潤(rùn)實(shí)業(yè)有限公司 （陜西 西安 710065）

0 引言

油田注水是保持油層壓力、降低原油遞減率的主要措施，注水泵機(jī)組是油田注水的關(guān)鍵設(shè)備。我國(guó)油田油藏類型多樣，配套的注水系統(tǒng)也各不相同，按注水能力分為：大站系統(tǒng)以大排量的離心泵為主；小站系統(tǒng)，以柱塞泵為主。柱塞泵具有揚(yáng)程高、排量小、效率高、電力配套設(shè)施簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適用于注水量低、注水壓力高的中低滲透油田或斷塊油田[1]。國(guó)內(nèi)原油產(chǎn)量最大的中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，在用注水泵約1 900臺(tái)，全部采用往復(fù)式柱塞泵，它的運(yùn)行是否可靠，直接關(guān)系著石油生產(chǎn)的安全和效益。

長(zhǎng)期以來注水泵進(jìn)水后導(dǎo)致潤(rùn)滑油乳化，是困擾各油田公司的一大難題。因?yàn)樽⑺脗鬏數(shù)慕橘|(zhì)主要是清水和含油污水，工作壓力較高，在12～25 MPa，平均工作壓力在17 MPa左右。柱塞系統(tǒng)密封不良或者由于呼吸作用，極易造成潤(rùn)滑油中混入水分，導(dǎo)致柱塞泵潤(rùn)滑油乳化變質(zhì)。油品乳化后不及時(shí)更換，注水泵長(zhǎng)時(shí)間得不到良好的潤(rùn)滑，會(huì)造成軸承損壞、軸瓦腐蝕等現(xiàn)象，給油田造成很大損失；油品乳化后若更換，則造成極大浪費(fèi)；因此，抗乳化性能是注水泵油質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)油田注水泵曲軸箱在用潤(rùn)滑油品種較雜，用油選擇具有一定的隨意性，潤(rùn)滑管理較為混亂。多數(shù)油田選用柴油機(jī)油，也有部分油田使用齒輪油等工業(yè)用油，均不能有效解決注水泵油的乳化問題，不利于設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

潤(rùn)滑是保障柱塞泵曲軸箱運(yùn)行的關(guān)鍵要素，隨著變頻、帶壓?jiǎn)?dòng)等技術(shù)應(yīng)用，以及曲柄摩擦副壓力和轉(zhuǎn)速的變化，潤(rùn)滑管理面臨新的技術(shù)需求。通過對(duì)注水泵的結(jié)構(gòu)及工作原理、油田注水系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和梳理，對(duì)油田柱塞式注水泵工況及潤(rùn)滑要求、油田注水泵用油現(xiàn)狀及發(fā)展等進(jìn)行分析論述，旨在為油田柱塞式注水泵推薦一款更為合適的潤(rùn)滑油品，即油田注水泵潤(rùn)滑系統(tǒng)需要專用的注水泵潤(rùn)滑油。

1 注水泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 注水泵的結(jié)構(gòu)

柱塞式注水泵主要由動(dòng)力端、液力端、傳動(dòng)部分及電動(dòng)機(jī)組成，如圖1所示。動(dòng)力端在柱塞泵中起到傳送動(dòng)力的作用，是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部件，主要由曲軸、軸承、連桿、連桿軸瓦、十字頭、十字頭銷、彈簧擋圈、曲軸箱、基座等部件組成，如圖2(a)所示。液力端包括泵頭、組合閥、閥板、彈簧、柱塞和缸套及其密封（填料箱）、吸入閥和排出閥組件、缸蓋和閥箱、吸入和排出集合管等，如圖2(b)所示。該部分直接輸送液體，將機(jī)械能傳遞給液體，轉(zhuǎn)換成液體的壓力能[3]。

圖1 柱塞泵結(jié)構(gòu)圖

圖2 柱塞泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 注水泵的工作原理

柱塞泵主要是通過電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，聯(lián)軸器帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)曲柄以角速度ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞向右移動(dòng)，液缸內(nèi)容積增大，壓力降低，液體在壓力作用下進(jìn)入液缸中。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)過180°角以后柱塞向左移動(dòng)，液體被擠壓，液缸內(nèi)液體壓力急劇增加，吸入閥關(guān)閉而排出閥打開，液體被排出。當(dāng)曲柄不停旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞泵就不斷地吸入和排出液體[4]。

1.3 注水泵的工作特性

柱塞泵的主要作用是提升或輸送液體，其設(shè)計(jì)、制造、選型、安裝、運(yùn)行、維護(hù)管理的好壞不僅對(duì)工程投資的影響很大，而且與節(jié)約能源、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益也密切相關(guān)[5]。

國(guó)內(nèi)油田排量較小的注水泵，多選用往復(fù)式柱塞泵，其運(yùn)行特性曲線如圖3所示。由于柱塞泵為容積泵，依靠工作室容積的變化來吸入和排出液體，所以揚(yáng)程與流量無關(guān)，適合在輸送流量不大而壓力很高的地方運(yùn)行[6]。

圖3 柱塞泵特性曲線

2 油田注水系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著油田開發(fā)的深入，注水系統(tǒng)向多功能方向發(fā)展，特別是在原油含水量越來越高的情況下，為防止外排對(duì)環(huán)境造成污染，迫切需求將污水回注。因此柱塞泵的流量、壓力、功率不斷增加，由原來的三柱塞、四柱塞發(fā)展到目前的五柱塞。新型五柱塞泵壓力排量調(diào)節(jié)范圍廣，泵流量達(dá)到12～180 m3/h，泵的吸入壓力0.03～1.5 MPa，泵的排出壓力10～48 MPa，泵的輸入功率132～630 kW，可完全滿足油田各種工況下的使用需要[7]。

目前，隨著長(zhǎng)慶油田二次開發(fā)注水壓力的升高，配置注水泵的工作壓力也逐漸升高，已達(dá)20 MPa左右，但其額定壓力均在25 MPa以下；注水泵排出口蓄能器工作壓力也相應(yīng)提高，已達(dá)20～25 MPa[8]。注水泵的介質(zhì)主要有清水、油田采出水，水質(zhì)成分復(fù)雜，混入潤(rùn)滑系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致油品變質(zhì)，設(shè)備部件被腐蝕，因而對(duì)潤(rùn)滑油有較高的要求。

另外，注水系統(tǒng)由電力驅(qū)動(dòng)，耗電量極大，約占油田生產(chǎn)用電的33%～56%，隨著油田含水率的上升，注水能耗還將急劇上升。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國(guó)注水泵運(yùn)行效率平均為75.2%，國(guó)內(nèi)先進(jìn)值為79.9%，國(guó)外為80%～85%。國(guó)內(nèi)注水用電單耗平均為6.94 kW·h/t，先進(jìn)值為6.15 kW·h/t，國(guó)外為5.6～6.0 kW·h/t。由此可見，提高注水系統(tǒng)效率，節(jié)能降耗，有著重大意義[9]。

3 柱塞式注水泵工況分析及潤(rùn)滑要求

在油田開發(fā)階段，隨著開發(fā)難度的增加，需要的注水強(qiáng)度不斷提高，泵壓也不能上升，柱塞泵一般長(zhǎng)期在25～50 MPa運(yùn)行。這就造成了柱塞泵的運(yùn)行始終處于高負(fù)荷狀態(tài)，內(nèi)部強(qiáng)摩擦力、高剪切力作用明顯。而作為對(duì)曲軸連桿及曲軸進(jìn)行潤(rùn)滑的潤(rùn)滑油，主要起到潤(rùn)滑、冷卻、防銹、清潔、緩沖等作用，可以防止曲軸及軸瓦磨損，對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期有效正常運(yùn)行起到重要的作用[10]。同時(shí)注水泵曲軸箱的主要摩擦副是滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，處理的工作介質(zhì)是水。在注水泵的運(yùn)行中，水進(jìn)入曲軸箱是不可避免的，因此注水泵曲軸箱潤(rùn)滑油應(yīng)滿足以下要求[11]。

l）適宜的黏度。潤(rùn)滑油黏度偏大，摩擦阻力增加，黏度過大則在低溫下難啟動(dòng)困難；黏度過小，密封效果差，油膜厚度不夠，磨損增加。因此柱塞泵要求潤(rùn)滑油必須具有適宜的黏度。按照GB/T 3141—1994《工業(yè)液體潤(rùn)滑劑1S0黏度分類》及柱塞泵的運(yùn)行工況，經(jīng)過分析可選則的潤(rùn)滑油黏度等級(jí)為100號(hào)，40℃運(yùn)動(dòng)黏度也用為90～110 mm2/s。

2）一定的黏溫性能。潤(rùn)滑油的黏度會(huì)隨溫度的升高而減小，隨著溫度的下降而增加。柱塞泵工作溫度變化幅度在30～70℃，且一般均安裝在室內(nèi)，對(duì)黏溫性能要求并不高。

3）優(yōu)良的抗乳化性。潤(rùn)滑油的抗乳化性是防止油品乳化，或油品乳化后經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間靜置，油水能迅速分離的性質(zhì)。柱塞泵在使用中難免會(huì)混入傳輸介質(zhì)水，如果油品抗乳化性差，油品極易與混入的水形成乳化液，從而造成潤(rùn)滑不良。

4）優(yōu)良的潤(rùn)滑性。柱塞泵啟動(dòng)和停車時(shí)處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，此時(shí)若潤(rùn)滑不良，則會(huì)發(fā)生黏著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損，導(dǎo)致設(shè)備故障，使用壽命縮短。因此柱塞泵潤(rùn)滑油需要一定的抗磨和抗極壓性能，滿足潤(rùn)滑要求。

5）良好的穩(wěn)定性。潤(rùn)滑油的穩(wěn)定性是保證柱塞泵長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)極為重要的因素。穩(wěn)定性應(yīng)包括:氧化安定性、抗腐蝕性、防銹性、剪切穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。在潤(rùn)滑油穩(wěn)定性中，任何一項(xiàng)不能滿足要求，油品在使用中都會(huì)發(fā)生問題。

6）良好的抗泡沫性。油品中混入氣泡，會(huì)導(dǎo)致輸油管路堵塞、系統(tǒng)效率降低、不能形成穩(wěn)定的油膜，甚至產(chǎn)生氣穴腐蝕，加劇設(shè)備磨損，對(duì)設(shè)備破壞性極大。

4 油田注水泵用油現(xiàn)狀及發(fā)展

目前油田注水泵曲軸箱在用潤(rùn)滑油品種包括CD 15W-40柴油機(jī)油、注水泵專用油、HM 46或68號(hào)抗磨液壓油、AN 46全耗損油（機(jī)械油）等，品種較雜，而且油品選擇具有一定的隨意性，李開連[2]等通過長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注水泵曲軸箱潤(rùn)滑油與潤(rùn)滑要求的預(yù)期匹配性見表1。

表1 注水泵曲軸箱潤(rùn)滑油與潤(rùn)滑要求的預(yù)期匹配性

4.1 雙曲線齒輪油的使用

勝利油田結(jié)合多年使用經(jīng)驗(yàn)，制定了2 000柱塞泵使用和維護(hù)要求。使用時(shí)按現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，向油箱加注極壓齒輪油，加注時(shí)油箱不得過滿，應(yīng)在液面上留出約10%的空間。在正常工作條件下，潤(rùn)滑油在每使用1 000 h或4個(gè)月?lián)Q一次。如果發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油變臟或被污染，就要立即清除污垢并換油。

以前我國(guó)車輛齒輪油按照100℃運(yùn)動(dòng)黏度劃分牌號(hào)，后橋齒輪一般選用雙曲線齒輪油，牌號(hào)為18、20、26號(hào)。按照SAE J306黏度分類，車輛齒輪及變速箱油按照100℃運(yùn)動(dòng)黏度可分為80、85、90變速箱油及90、140后橋齒輪油。按照新舊牌號(hào)對(duì)照關(guān)系，18號(hào)雙曲線齒輪油100℃運(yùn)動(dòng)黏度13.5～24 mm2/s，對(duì)應(yīng)新牌號(hào)90號(hào)后橋齒輪油。

雙曲線齒輪在嚙合過程中壓力高、相對(duì)滑移速度大，可產(chǎn)生600～800℃的瞬時(shí)溫度。一般情況下油性添加劑在l00℃左右就會(huì)從摩擦表面脫落，油膜被破壞。為防止磨損、擦傷和膠合的發(fā)生，雙曲線齒輪油中加入了含氯、硫、磷等元素的有機(jī)化合物作為極壓添加劑[12]。注水泵系統(tǒng)沒有齒輪部件，而軸承軸瓦部位多為含銅材質(zhì)，極易受含硫磷添加劑腐蝕，造成設(shè)備故障或損壞。同時(shí)18號(hào)雙曲線齒輪油黏度偏大，也不利于節(jié)能降耗，因此該油品不適合用作注水泵系統(tǒng)潤(rùn)滑。

4.2 柴油機(jī)油的使用

中國(guó)石油渤海裝備公司的油田注水泵用油及維護(hù)保養(yǎng)手冊(cè)中指出；泵組中曲軸、軸承、連桿、十字頭等部件是依靠曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑油飛濺進(jìn)行潤(rùn)滑的，選用CD 15W-40柴油機(jī)油、新泵或大修泵，首次運(yùn)轉(zhuǎn)300 h后更換一次潤(rùn)滑油；以后每運(yùn)轉(zhuǎn)4 500 h更換潤(rùn)換油，同時(shí)如發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油變臟或變質(zhì)應(yīng)及時(shí)更換。據(jù)調(diào)查，柴油機(jī)油目前在長(zhǎng)慶等油田采油區(qū)的注水泵系統(tǒng)廣泛使用。

眾所周知，柴機(jī)油主要是根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓的工況研制而成，不能滿足注水場(chǎng)合往復(fù)式柱塞泵的潤(rùn)滑需求,體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。①柴機(jī)油抗乳化性能差。CD 15W-40屬低端柴油機(jī)油，產(chǎn)品配方體系主要是針對(duì)車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況研制，主要用于普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑，抗乳化性能極差，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11122—2006《柴油機(jī)油》中對(duì)柴油機(jī)油的抗乳化性能也未作要求。在使用過程中新油品中混入少量水分即可出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，油品乳化后不易在摩擦表面形成保護(hù)膜，潤(rùn)滑作用受到極大破壞，如果不及時(shí)更換，可導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重磨損。因此，不適合注水泵等易于接觸到水分的設(shè)備等使用。②柴油機(jī)油剪切性能不能滿足長(zhǎng)期重載荷條件下使用。CD 15W-40柴機(jī)油適用于普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑（發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力2～14MPa，且只在如爬坡等重負(fù)荷時(shí)短時(shí)間運(yùn)行）；而柱塞泵工作壓力長(zhǎng)時(shí)間在12～20 MPa之間運(yùn)行，常見的工作壓力在15 MPa左右，并且隨著油田開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)注水泵的工作壓力逐漸升高。在使用過程中，CD 15W-40柴機(jī)油在高壓高剪切下黏度保持性差。

2016年長(zhǎng)慶油田第一采油廠對(duì)2臺(tái)注水泵潤(rùn)滑油進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行2 000h后，CD 15W-40柴機(jī)油黏度變化率均超過國(guó)標(biāo)GB/T7607—2010柴油機(jī)油換油指標(biāo)的要求，結(jié)果見表2。

4.3 HM液壓油的使用

普通液壓油適用于對(duì)潤(rùn)滑油無特殊要求的一般循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)等，也可對(duì)軸承等潤(rùn)滑?？鼓ヒ簤河鸵云淞己玫臐?rùn)滑性、優(yōu)異的防銹防腐蝕性、良好的抗乳化抗泡沫性等性能得到了廣泛應(yīng)用。但摩擦副材質(zhì)為青銅-鋼或鍍銀鋼-鋼的柱塞泵則不適用。長(zhǎng)慶油田等采油廠曾大量使用HM46、HM68液壓油作為注水泵油，在解決油品抗乳化方面有較好的效果，但是液壓油通常黏度偏低、揮發(fā)性較大。較低的黏度不利于形成足夠厚度的油膜，易導(dǎo)致設(shè)備部件因潤(rùn)滑不良而嚴(yán)重磨損。揮發(fā)性太大，導(dǎo)致生產(chǎn)車間油蒸汽濃度太高、氣味大，損害操作人員的身心健康，加之對(duì)銅材的腐蝕，因而其推廣使用受到較大限制。

表2 CD 15W-40柴機(jī)油黏度變化結(jié)果

4.4 其他工業(yè)油品的使用

石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程——通用設(shè)備中，建議石油化工用高壓柱塞泵潤(rùn)滑系統(tǒng)可選用30號(hào)汽油機(jī)油或40號(hào)全系統(tǒng)損耗油，但該柱塞泵用途、傳輸介質(zhì)與油田注水泵不同，沒有考慮到油田注水系統(tǒng)水質(zhì)的復(fù)雜性。眾所周知，全損耗系統(tǒng)用油是一次性用油，其抗磨損抗乳化等性能均不足以維持注水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是不適合循環(huán)系統(tǒng)使用的；渦輪機(jī)油雖然在抗乳化、抗泡沫等方面表現(xiàn)良好，但其使用工況完全不同于往復(fù)式柱塞泵，潤(rùn)滑部位的材質(zhì)也有較大差異；往復(fù)式氣體壓縮機(jī)的潤(rùn)滑部位主要是氣缸、活塞環(huán)、曲軸箱等，與柱塞泵接近，但其壓縮介質(zhì)為氣體，而注水泵傳輸?shù)氖且后w，尤其污水泵的水質(zhì)非常復(fù)雜，含硫量較高，因此對(duì)潤(rùn)滑油有更高的要求。

4.5 注水泵專用油產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

中國(guó)石化勝利石油管理局勝大油品廠開發(fā)的一款注水泵專用油產(chǎn)品[10]，油品在經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)3 000～4 000 h運(yùn)行后，仍具有較好的抗剪切和抗磨損性能，黏度變化??；作為注水泵油最為關(guān)注的抗乳化性能方面，與參比油相比，專用油品具有更好的抗乳化性能，油品使用1 500 h后仍能較好的分出油層和乳化層，但沒有明顯的水層。具體理化性能指標(biāo)及抗乳化性能評(píng)價(jià)結(jié)果見表3、表4。

西安某公司開發(fā)研制的兩款注水泵專用油產(chǎn)品，具有優(yōu)異的抗氧化、抗磨損性能，現(xiàn)場(chǎng)使用3 000h后黏度變化小。主要理化性能指標(biāo)見表5，抗乳化性能評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

該油品在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間注水運(yùn)行后，仍具有優(yōu)異的抗剪切和抗磨損性能，黏度變化小，2 000 h后油水仍能較好分離，油品使用壽命長(zhǎng)，具有更加長(zhǎng)效的潤(rùn)滑性能。

針對(duì)油田注水系統(tǒng)的實(shí)際工況，充分考慮到注水系統(tǒng)及水質(zhì)的復(fù)雜性，開發(fā)研制的油田注水泵專用油，以其良好的抗乳化性能，必將逐步取代其他工業(yè)用油，在油田注水泵上得到廣泛的使用。

表3 勝大注水泵專用油理化指標(biāo)

表4 勝大專用油抗乳化性能評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 佳潤(rùn)注水泵專用油理化指標(biāo)

表6 佳潤(rùn)注水泵專用油抗乳化性能評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié)論

油田柱塞式注水泵以其特殊的使用工況，復(fù)雜的傳輸介質(zhì)，對(duì)潤(rùn)滑油有較高的要求。傳統(tǒng)的雙曲線齒輪油、CD 15W-40柴油機(jī)油、液壓油、工業(yè)齒輪油等，均不適合油田注水泵等工況要求。而注水泵專用油產(chǎn)品，以其良好的抗乳化、抗氧化、抗磨損性能，能夠滿足油田注水泵潤(rùn)滑系統(tǒng)的特殊使用工況要求，必將得到長(zhǎng)足的發(fā)展。