如何提高往復(fù)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(fù)式高壓注水泵在油田深層開發(fā)中具有重要作用，可應(yīng)用于40 MPa 的工作環(huán)境中，彌補(bǔ)離心式注水泵運(yùn)行中難以達(dá)到壓力要求的不足，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。該泵屬于洗井與水力活塞泵中重要的地面設(shè)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(dāng)前設(shè)計(jì)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(dāng)前重要的研究課題之一。

1 往復(fù)式高壓注水泵泵頭

往復(fù)式高壓注水泵泵頭具有多種各異的結(jié)構(gòu)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(duì)大量油田運(yùn)行情況的檢查研究可見，往復(fù)式高壓注水泵排出壓力數(shù)值≥30 MPa 時(shí)，注水泵的工作時(shí)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(yùn)營(yíng)失效，影響了油田的正常運(yùn)行，給產(chǎn)品用戶增加了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，由此在油田運(yùn)行過程中，要求提升往復(fù)式高壓注水泵泵頭的使用壽命[1]。

2 往復(fù)式高壓注水泵泵頭結(jié)構(gòu)

2.1 分體式泵頭結(jié)構(gòu)

往復(fù)式高壓注水泵泵頭多采用分體式泵頭結(jié)構(gòu)，在每柱塞中均設(shè)置1 個(gè)分體泵頭，若運(yùn)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(huì)影響整體泵體的正常運(yùn)行，只需要維修這一部分泵頭即可，可降低故障的維修費(fèi)用，降低損失。但是這種設(shè)計(jì)方式在泵頭上具有較多的密封面，容易由于密封不嚴(yán)等導(dǎo)致泄漏，且在運(yùn)行過程中，吸排液歧管設(shè)置方式較為復(fù)雜，增加了維修與裝配的難度，因此在實(shí)際運(yùn)用中往往沒有大量推廣分體式泵頭結(jié)構(gòu)形式的泵頭[2]。

2.2 水平直通式組合閥整體泵頭結(jié)構(gòu)

為了提升泵頭的使用壽命，運(yùn)用中應(yīng)當(dāng)有效改進(jìn)泵頭結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中。當(dāng)前油田設(shè)計(jì)與運(yùn)行中大量運(yùn)用了水平直通式組合閥整體泵頭（圖1）。分析泵頭運(yùn)行失效的實(shí)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(shè)計(jì)中取消相貫孔，減少泵頭體應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖1 水平直通式組合閥整體泵頭結(jié)構(gòu)

該閥主要構(gòu)成包括排液閥片、吸液閥片、閥體。優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型泵頭中，在泵頭體上垂直設(shè)置2 個(gè)吸入孔，并在直通式缸體內(nèi)部設(shè)置組合閥。此種設(shè)計(jì)方式簡(jiǎn)化了往復(fù)泵液力端結(jié)構(gòu)，免去了泵頭體分體設(shè)置的吸入歧管，大大改進(jìn)了原有的設(shè)計(jì)性能。在泵頭體吸入孔中沿泵頭體軸線方向進(jìn)行布置，與實(shí)際運(yùn)行情況相契合，滿足了泵頭設(shè)計(jì)中對(duì)稱吸入的要求，結(jié)合充滿系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。增加了吸入過程的平穩(wěn)性，運(yùn)行中降低了泵頭運(yùn)行中的噪音與振動(dòng)。

結(jié)合水平直通式組合閥的運(yùn)行水平設(shè)置柱塞。在組合閥中設(shè)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(shè)置多個(gè)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(shè)置閥片，設(shè)置排出孔[3]。

2.3 泵頭優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)入交變腔中。隨著阻塞向前運(yùn)動(dòng)的進(jìn)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(shè)計(jì)過程中，隔絕了吸入孔、排出孔與壓力交變腔，同時(shí)在壓力交變腔內(nèi)部不存在應(yīng)力集中的相貫線，此種設(shè)計(jì)方式顯著改善了泵頭的受力情況，延長(zhǎng)其使用壽命。

設(shè)計(jì)過程中，在交變腔中設(shè)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(yùn)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(yùn)行狀態(tài)。泵頭孔圓周方向受力均勻，產(chǎn)生的壓強(qiáng)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(yùn)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(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力。利用圓套筒界面應(yīng)力計(jì)算公式分析，在隔套內(nèi)液體壓強(qiáng)達(dá)到44 MPa 時(shí)，在隔套中的應(yīng)力數(shù)值為24.80 MPa。此時(shí)可見隔套和泵頭之間的壓力數(shù)值比隔套中的液體壓強(qiáng)數(shù)值要小。運(yùn)行中，隔套受到兩個(gè)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(shí)在44 MPa 隔套內(nèi)液體壓強(qiáng)下，隔套中的實(shí)際受力數(shù)值19.25 MPa。結(jié)合設(shè)計(jì)中的規(guī)定，隔套允許壁厚數(shù)值5.66 mm，設(shè)計(jì)中的實(shí)際隔套壁厚度12.50 mm。按照壁厚筒公式計(jì)算，泵頭允許的最小壁厚23.40 mm，實(shí)際設(shè)計(jì)中的泵頭壁厚80.00 mm，得出泵頭應(yīng)力數(shù)值61.50 MPa，允許的應(yīng)力數(shù)值150 MPa。

通過數(shù)值計(jì)算，可見此種泵頭具有較高的安全運(yùn)行系數(shù)，此種設(shè)計(jì)方式有效解決了泵頭早期開裂失效問題。此種泵頭設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，降低了生產(chǎn)制造成本，運(yùn)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(jìn)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(shí)的非金屬夾雜物會(huì)提升裂紋擴(kuò)張率，若夾雜物不容易出現(xiàn)塑形變形，會(huì)損害材料的疲勞性能，如鋼的純度在低應(yīng)力疲勞中具有比高應(yīng)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(diǎn)等局部缺陷，運(yùn)行中可促進(jìn)應(yīng)力集中，在基體與質(zhì)點(diǎn)間界面會(huì)出現(xiàn)剝離，或者運(yùn)行中第二相質(zhì)點(diǎn)出現(xiàn)自身劈裂，由此在使用中容易出現(xiàn)局部應(yīng)變，主要是由于鋼的純度對(duì)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(shí)，疲勞壽命隨之降低。泵頭使用壽命受到晶粒度的影響，在應(yīng)力水平保持一致時(shí)，較細(xì)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(yùn)行中晶界可在一定程度上阻止疲勞裂紋擴(kuò)張，因此為了對(duì)抗疲勞抗力可以細(xì)化晶粒。

圖2 疲勞壽命和夾雜含量

在臨近晶粒的屈服強(qiáng)度逐漸被超過時(shí)，相鄰晶粒相互的范性約束數(shù)量也受到較細(xì)晶粒的影響，若晶?；泼嫔铣霈F(xiàn)微觀裂紋，晶界在其中也發(fā)揮著一定作用?？稍趩蝹€(gè)晶粒內(nèi)較為容易成長(zhǎng)，主要是由于范性流變是沿著單組滑移進(jìn)行的。晶粒間界是阻止裂紋擴(kuò)展的重要力量之一，若存在較多細(xì)小晶粒，則具有更短裂紋長(zhǎng)度及更多的裂紋阻止者。

油田運(yùn)行中，提升泵頭使用壽命的重要基礎(chǔ)為改善泵頭體鋼材的冶金質(zhì)量，結(jié)合泵頭實(shí)際所處的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中要求磷、硫含量低于0.01%，達(dá)到30～60 kPa 真空度時(shí)通氬氣，運(yùn)用VHD（鋼液真空加熱脫氣）進(jìn)行精煉，解除真空前加鋁粒，進(jìn)行鍛造，要求塔形實(shí)驗(yàn)下不出現(xiàn)發(fā)紋現(xiàn)象。

在選擇泵頭體的材料時(shí)，可采用具有優(yōu)良抗疲勞性能的鋼材，材料強(qiáng)度不用太高，主要是由于材料強(qiáng)度提升時(shí)，雖然可以提升其安全系數(shù)、提升零件材料的強(qiáng)度儲(chǔ)備，但同時(shí)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(fù)合強(qiáng)化工藝

泵頭復(fù)合強(qiáng)化工藝的設(shè)計(jì)是對(duì)原有分體式泵頭結(jié)構(gòu)形式的重要改進(jìn)，對(duì)原有的薄殼進(jìn)行硬化增強(qiáng)處理，最終使泵頭內(nèi)腔表面具有壓應(yīng)力場(chǎng)。進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，即復(fù)合強(qiáng)化的過程，屬于一種應(yīng)力噴丸，可達(dá)到超越普通噴丸更強(qiáng)的應(yīng)力強(qiáng)丸。在對(duì)其復(fù)合強(qiáng)化之后，可顯著增強(qiáng)泵頭的腐蝕疲勞性能，獲得更高的疲勞強(qiáng)度。在泵頭內(nèi)腔表面位置具有殘余壓應(yīng)力，原有的最高殘余壓力為-250 MPa，硬化處理之后可達(dá)到-1230 MPa，將泵頭復(fù)合強(qiáng)化工藝運(yùn)用于泵頭改進(jìn)過程中，延長(zhǎng)了泵頭的使用壽命，提升了泵頭內(nèi)孔表面應(yīng)壓力，理論上具有較強(qiáng)的使用優(yōu)勢(shì)，但是該工藝實(shí)際運(yùn)用較為復(fù)雜，對(duì)泵頭材料的選擇與使用要求較為嚴(yán)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(qiáng)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(yīng)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(jìn)行薄殼硬化處理，以此使得泵頭體表面位置在運(yùn)行中具有較高的壓應(yīng)力，甚至可以超過泵頭體屈服極限。此種工藝運(yùn)用中，要求嚴(yán)格按照相關(guān)要求設(shè)計(jì)奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的析出碳化鐵級(jí)別。

3.3 優(yōu)化泵頭機(jī)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(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力峰值，加工過程也會(huì)對(duì)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(zhǎng)使用壽命，可以改進(jìn)生產(chǎn)工藝，運(yùn)用疲勞條件下的泵頭體，由此進(jìn)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(shè)計(jì)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(yīng)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(huì)出現(xiàn)局部回火，容易在局部出現(xiàn)未回火馬氏體，構(gòu)成磨削裂紋，不利于泵頭體疲勞強(qiáng)度。在薄殼硬化時(shí)，隨著奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，體積會(huì)逐漸膨脹，出現(xiàn)拉應(yīng)力。若這一數(shù)值高于鋼材抗拉強(qiáng)度，可能出現(xiàn)淬火裂紋，甚至在放置一段時(shí)間后出現(xiàn)置裂，需要選用先進(jìn)的儀器檢測(cè)淬火裂紋[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前油田運(yùn)行中，往復(fù)式高壓注水泵泵頭被大量使用，具有多種各異的結(jié)構(gòu)形式，品種類型繁多。往復(fù)式高壓注水泵泵頭結(jié)構(gòu)以及分體式泵頭結(jié)構(gòu)，由于多種因素的存在，可能降低往復(fù)式高壓注水泵泵頭使用壽命。為此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)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(jié)合泵頭實(shí)際所處的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用泵頭復(fù)合強(qiáng)化工藝，進(jìn)行薄殼硬化處理，優(yōu)化往復(fù)式高壓注水泵泵頭機(jī)加工，選用先進(jìn)的儀器檢測(cè)淬火裂紋。與往復(fù)式高壓注水泵泵頭的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境相結(jié)合進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，通過多種方式的綜合運(yùn)用提升往復(fù)式高壓注水泵泵頭的使用壽命。