海洋平臺高壓柱塞泵維修案列分析

胡衛(wèi)勇

中海石油（中國）有限公司湛江分公司，中國·廣東 湛江 524057

海洋平臺高壓注水泵多次出現(xiàn)故障，導致平臺注水量不足，論文對柱塞泵進行失效原因分析，并提出解決方案及措施，以期能幫助海洋平臺恢復平臺注水。

海洋平臺；柱塞泵；高壓；注水；故障分析

1 概述

某海洋平臺注水設備為五柱塞往復式注水泵，自2018年5月調(diào)試階段開始，陸續(xù)出現(xiàn)振動高、柱塞填料泄露、潤滑油過濾器壓癟及儲能器氣囊損壞等問題，導致注水泵無法運行。2018年5～12月期間，注水泵共計啟泵16 次，累計運行308h，注水時率嚴重不足，導致該平臺地層能量得不到有效補充，地層能量下降較快，從而引起平臺產(chǎn)量一直處于衰減狀態(tài)。為徹底解決注水泵問題，補充地層能量，對該泵故障原因進行充分分析，并提出解決方案。

柱塞泵主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)：最大流量是60 方/h；柱塞直徑是75mm；操作壓力是219bar；往復次數(shù)是121～405 次；電機功率是500KW。

2 主要故障現(xiàn)象及原因分析

故障一：十字頭連接螺栓斷裂，2019年7月6日柱塞泵在運行過程中1#柱塞兩次出現(xiàn)螺紋斷裂在十字頭軸內(nèi)問題，并存在1#柱塞十字頭軸拉傷、所有十字頭軸有不同程度腐蝕、軸瓦磨損嚴重、軸承滾珠表面有點蝕等問題（如圖1所示）。

分析故障原因：①多次拆裝造成柱塞或十字頭螺紋處有疲勞損傷，長時間高頻運動和震動帶動下連接松動掰斷連接螺桿。②安裝柱塞六角頭扭力過大（完工文件扭力值50N.m），導致十字頭連接處存在應力，長時間反復運轉(zhuǎn)造成螺紋斷裂。③同心度差：十字頭軸內(nèi)牙螺紋孔不在十字頭中心（同軸度偏差大），當柱塞桿與十字頭軸連接后，柱塞與十字頭存在一個徑向應力。④貼合面不光滑：十字頭軸接觸面位置或柱塞接觸端面平面不夠光滑，導致十字頭和柱塞沒有完全貼合。⑤支撐環(huán)問題：兩次柱塞斷裂均采用了銅合金支撐環(huán)，可能由于銅合金在生產(chǎn)水和摩擦升溫后后膨脹不均勻，將柱塞帶離原預定的中心軌道，導致柱塞和十字頭不同心造成柱塞螺桿斷裂。⑥軸瓦連桿原因：軸瓦由于長時間運行和曲軸結(jié)合處磨損，間隙增大，導致連桿不能在原定水平位置往復運動，使十字頭和柱塞產(chǎn)生一個徑向的力，掰斷柱塞螺桿。

圖1 柱塞泵故障現(xiàn)象

故障二：柱塞泵出口5 個單向閥彈簧全部斷裂，且1#和3# 出口單向閥壓蓋導向套損壞，分析原因可能為1#柱塞斷裂后導致所有出口閥不能正常關(guān)閉所致；柱塞端壓力不均衡，導致柱塞運動不均勻，更換所有的彈簧及出口單向閥（如圖2所示）。

圖2 柱塞泵故障現(xiàn)象

故障三：1#十字頭軸上部有明顯拉傷，且1#缸曲軸箱滑油密封殼體上部也出現(xiàn)嚴重劃痕。對1-5#缸的十字頭表面檢查發(fā)現(xiàn)，2-5#缸十字頭上表面均存在與十字頭滑道接觸的痕跡，但下表面則相對光滑（由于柱塞的重力作用，十字頭會略微翹起來與滑道上表面接觸），檢查1#十字頭上下表面均非常光滑，對比十字頭外徑數(shù)據(jù)和滑道內(nèi)徑數(shù)據(jù)，說明1號十字頭可能處于上揚且懸空狀態(tài)。導致十字頭軸與滑油密封殼體接觸（殼體與軸的間隙為0.40mm）。而這也應該是該缸柱塞連續(xù)兩次斷裂的重要原因（如圖3所示）。

圖3 柱塞泵故障現(xiàn)象

故障四：五根十字頭軸均出現(xiàn)不同程度的麻點腐蝕，柱塞填料泄漏后，生產(chǎn)水介質(zhì)會隨著柱塞往復運行甩在十字頭軸表面，將軸表面逐漸腐蝕形成麻點，造成軸表面光潔度不夠，最后將曲軸箱油封劃傷（如圖4所示）。

圖4 柱塞泵不同程度的麻點腐蝕

故障五：軸瓦等磨損嚴重，五根連桿的連桿瓦均磨損嚴重，巴氏合金已磨沒漏出本體，連桿瓦面接口發(fā)黑，曲軸曲柄銷外徑已磨損0.02～0.03mm；通過曲軸軸徑表面痕跡可以看出，泵組運行時連桿在曲軸上位置不正，有歪斜現(xiàn)象，已經(jīng)磨到曲軸軸徑根部；連桿小頭也發(fā)生偏斜現(xiàn)象，小頭端面也與十字頭銷孔內(nèi)側(cè)面接觸磨損（如圖5所示）。

分析原因可能是柱塞填料泄露后，柱塞與十字頭不同軸，造成連桿不在曲軸軸徑中心運行，加劇了曲軸箱內(nèi)部各零部件的磨損[1]。

圖5 柱塞泵故障現(xiàn)象

故障六：軸承滾珠表面有輕微點蝕，柱塞填料泄露后，隨著柱塞的往復運動，少量生產(chǎn)水進入到曲軸箱，雖然平臺定期對潤滑油進行取樣檢查，且注水泵潤滑油達到20 天左右就進行更換，但生產(chǎn)水腐蝕性極強，仍造成軸承滾柱表面有輕微點蝕。

故障七：柱塞使用壽命過短，只有400h 左右。柱塞填料設計為死密封，沒有任何調(diào)節(jié)余量；而支撐環(huán)是和柱塞直接接觸的，運轉(zhuǎn)一段時間必然會出現(xiàn)磨損，起不到扶正柱塞的作用，加快了二級密封等的磨損，這也是更換柱塞填料后，運轉(zhuǎn)幾天就出現(xiàn)輕微泄露，運轉(zhuǎn)20 天左右后就會出現(xiàn)大量泄露的原因。同時支撐環(huán)磨損后，柱塞與十字頭軸不同軸，也會造成機組運行振動偏高，加快動力端軸瓦等磨損。

3 柱塞泵設計參數(shù)對比

因該柱塞泵使用效果不佳，為了有效分析該泵的失效原因，通過對照API674 及設計文件，該泵行程長度為 120mm，經(jīng)換算該泵最大允許往復次數(shù)不能超過323 次/分鐘，而實際該泵在額定流量下的往復次數(shù)達到405 次/min，因此該泵額定轉(zhuǎn)速超過API 674 規(guī)范要求最大運行轉(zhuǎn)速的25%。

按照規(guī)范允許的最大每分鐘323 次，該泵最大流量為47方/h，而設計額定最大排量60 方/小時，超規(guī)范28%。

4 整改措施

第一，降低該泵出口壓力，將出口壓力由219bar 降低為100bar 左右，提高設備運行穩(wěn)定性。

第二，改善柱塞和十字頭軸的連接方式，對其進行優(yōu)化：在柱塞和十字頭軸接觸面之間分別增加加工精度較高的定位凸臺和溝槽，這樣既可保證了柱塞安裝后與十字頭的同軸度的精度，又能保護柱塞螺紋在安裝時不被損壞，且減輕了柱塞在往復運行螺紋所承受的力。

第三，改造工藝流程，將高低壓注水流程分開，滿足平臺注水需求。

5 結(jié)語

海洋平臺注水泵作為關(guān)鍵重要設備，設備運行穩(wěn)定可靠性影響著平臺油氣開采量，如何保證注水泵平穩(wěn)運行至關(guān)重要，論文從故障發(fā)生及原因、設計及標準方面逐一分析，為高壓柱塞泵的管理提供了良好的借鑒模式。