高压柱塞泵液力平衡端的改进

高压柱塞泵液力平衡端的改进

马亮

中原油田分公司文留采油厂

前言：

我们采油厂增压泵的结构为液力平衡，采用主副柱塞来达到平衡条件，大部分增压泵是高进高出系统（进口压力一般在10~18MPa，出口压力一般为28~35MPa），设置主副密封填料，两密封间为液力平衡源，由密封函和高压连通，即在密封函与泵出口端内部形成液力平衡，来平衡压差（附图1）。工作时，由于柱塞泵的出口和入口之间压差很大，这样就会产生一个由出口端（高压侧）沿轴向向入口端（低压侧）的轴向推力，在该轴向推力的作用下，使给泵的柱塞产生轴向位移，方向也是有出口侧向入口侧移动，在设计压差值下，柱塞轴向位移稳定，平衡状态好，泵效较为理想。但随着地层吸水能力的变化，泵出口压力也随之变化，已经超出原设计压差值，就造成柱塞产生轴向位移的同时，径向位移随之增加，平衡轴向推力变差，柱塞泵动静摩擦增加。

关键词：液力平衡 应力缓冲区 动、静间隙

1、液力不平衡引起的问题

柱塞的运动是曲柄连杆运动，这导致柱塞的加速度、液体流量都是瞬变的，在此前提下，排量的瞬变就造成成排出系统与吸入系统的压力瞬变，必然引起系统的压力波动也是瞬变的，也就是说泵内部、及进出口管线始终是受到瞬变的液体冲击和震荡的。

1.1设计的压差值与实际工况的压差值形成的差异

1. 由于目前的柱塞泵电动机的转速已接近上限，导致设计的压差值与实际工况的压差值形成较大差异，吸入压力、排出压力偏离设计值，出现液力不平衡，出口在轴向和径向产生周期性位移，造成泵的噪音变大，泵与进出口管线振动变强。柱塞泵出口管线振动，是影响平稳注水的一个因素，振动也是造成柱塞泵进出口管线、缓冲球频繁穿孔的内因之一。

1.2液体流量不均匀、内平衡（液力平衡）平衡管的内径较小

高进高出的柱塞泵，在目前地层吸水能力变差、压力升高，因生产需要，注水量不变时，柱塞泵的实际排量就会小于泵理论排量。加之柱塞泵的运动方式，注水泵在运行时管线内液体流量不均匀加剧，原内平衡（液力平衡）平衡管的内径较小，在液体由出口侧（高压侧）沿轴向向入口侧（低压侧）运动时，带入些许杂质，易堵塞平衡管，平衡管的回流不能起到很好的平衡作用。

1.3柱塞力很难达到完全平衡造成动力端振动

由于受到各种条件所限，柱塞力很难达到完全平衡，从而导致十字头销发热，降低了机械效率、易损件（填料、柱塞、阀组）寿命缩短，当液力不平衡时，平衡管内液体易气化引起平衡管发热，损失能量，使平衡状态下降，从而造成动力端振动诸多问题（分析这些是导致增压泵泵间隙性异常响、压力表摆动、动力端发热、噪音大、振动大等表象的内因）。

1.4副函体与阀组结合部位无蓄能区，即应力缓冲区是导致进液阀拆卸困难

副函体与与阀组结合部位，受交变应力的影响，拆卸困难（分析副函体与阀组结合部位无蓄能区，即应力缓冲区是导致进液阀拆卸困难的主要原因）。

原增压泵液力端结构图

1. 边法兰 2、阀压套 3、阀组 4、副函体 5、主密封 6、平衡管 7、主函体 8、机身 9、副密封 10、柱塞

针对以上问题具体思路及建议如下：

具体思路：

1、副函体与阀组结合部位增加一蓄能室（应力缓冲区），以保障检阀效率。

2、改进液力端液力平衡，降振减噪：保证柱塞泵供排平衡液充分。在满足生产需要的前提下，既对于来水的实际供水量超过柱塞泵理论排量的，采用改进回流的方式，从而降低瞬变频率，达到目的降振减噪、保障柱塞泵效率、延长易损件（填料、柱塞、阀组）寿命的目的：

2、就高压柱塞泵液力平衡端工作原理及改进的具体分析

工作原理：为平衡柱塞泵在工作时产生的轴向推力，控制轴向位移在柱塞泵的动、静间隙安全范围内。所以，1、在副函体与阀压套之间设计一蓄能室。引用高压侧水的压力来进入柱塞泵密封函，形成入口侧（低压侧）轴向向出口侧（高压侧）轴向的反轴向推力，进而平衡柱塞泵工作时产生的轴向推力，控制柱塞的径、轴向位移，降低交变应力。2、增大平衡管的内径通道，以保障实际供水量与柱塞泵排量的液力匹配。

其结构如下图：

现增压泵液力端结构图

2. 边法兰 2、阀压套 3、阀组 4、副函体 5、主密封 6、平衡管 7、主函体 8、机身 9、副密封 10、柱塞 11、蓄能区

该装置创新点：

1、消除了增压泵泵间隙性异常响、压力表摆动、动力端发热、振动、噪音大，造成的经济损失和环境污染问题。

2、提高了机械效率、延长了易损件寿命。

3、与现推广使用的高进高出增压泵有效结合，在不改变原柱塞泵本体结构强度、使用方法的基础上，提高了增压泵管理水平。

3、高压柱塞泵液力平衡端的改进后的实施

高压柱塞泵液力平衡端的改进研制成功，在文留采油厂文中采油管理二区209水站进行了试验及应用，共应用三台泵次。应用表明：该装置能达到高压柱塞泵液力平衡端的改进的目的；达到提高生产效率、防止环境污染目的。

高压柱塞泵液力平衡端的改进自2021年5月试验应用三台泵次后，有效降低了泵及管线的振动、控制了噪声污染，延长了易损件的使用寿命，达到了预期提高生产效率、防止环境污染的目的。

四、效益分析

高压柱塞泵液力平衡端的改进自应用后，效益测算如下：

1、原柱塞一个月更换一次，一次需5根，每根1500元，1500*5*12=9（万元）

2、阀组件一个月更换一次，一次需5套，每根400元，400*5*12=2.4（万元）

3、动力端原单向受力，轴瓦、铜套、销子磨损严重，每年需更换检修两次，每次1.3（万元），每年共计2*1.3=2.6（万元）

三相共计9+2.4+2.6=14（万元）。

共改造3台泵，12个月效益为12*14=168（万元）。

近1年来进行效益分析：

1、材料投入

高压柱塞泵液力平衡端的改进3套，每套8700元，合计8700*3=26100元

合计：8700*3=26100元=2.61（万元）。

2、项目产出价值

安装应用三台泵次，可直接节约大修费、易损件维护费等各项费用168（万元）。

3、投入产出比

项目投入：项目产出…1：438，高压柱塞泵液力平衡端的改进现在我厂应用三台泵次，1年来累计创效165（万元）。

4、结论

高压柱塞泵液力平衡端的改进安装简单，与普遍应用的三缸泵、五缸泵的结构相结合，在不破坏原高进高出柱塞泵的结构强度基础上，与生产情况相结合，提高了柱塞泵现场工艺水平。

消除了高进高出柱塞泵在生产过程中，实际工况使用的压差值与设计压差值较大差异，造成的出现吸入压力、排出压力偏离设计值，出现的液力不平衡现象。提高了柱塞泵现场工艺管理水平，其经济、社会效益显著。

5、参考文献

1、孙景荣等：《机械手册》，第3版，机械工业出版社，2004

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