吸入压力变化对液力平衡式增压注水泵的影响

王雨团，王别好，赵秦静

（宝鸡航天动力泵业有限公司，陕西宝鸡721001）①

吸入压力变化对液力平衡式增压注水泵的影响

王雨团，王别好，赵秦静

（宝鸡航天动力泵业有限公司，陕西宝鸡721001）①

针对液力平衡式增压注水泵实际吸入压力与设计吸入压力有差异这一实际问题，采集及分析了其多年在油田使用中出现的问题及处理办法。从设计上进行了分析，提出了液力平衡式增压注水泵设计和订货注意事项，供增压注水泵设计及采购人员参考。

增压注水泵；液力平衡；吸入压力

增压注水适用于系统管网压力无法满足注水要求的分散区块或系统管网末端压力损失较大无法正常注水的管网末端区块，在这些区块需要采用增压注水泵将系统管网压力增压到要求的注入压力后，才能将水注入到注水井。液力平衡式增压注水泵是专门针对油田增压注水工艺设计的，其特点是将柱塞设计成台阶式，将泵排出压力通过平衡管与平衡室联通，这样在平衡室柱塞大头与小头形成的台阶产生的力可以有效地平衡大部分作用在柱塞大头的力，使真正作用在动力端的柱塞力变小，可以实现用较小的泵增压注水，从而减少注水泵的采购成本。

1　液力平衡式增压注水泵

1.1 工作原理

液力平衡式增压注水泵（如图1）的工作原理是利用平衡管将泵排出工作腔与平衡室联通，泵在工作时平衡室和泵排出工作腔压力始终保持一致，并且使泵在吸入过程使作用在柱塞D1和D2形成的环形面上的力和吸入压力作用在柱塞大头D2端面的力相等。因此，在泵排出过程中，排出压力作用在柱塞环形面上的力会平衡掉一部分排出压力作用在柱塞大头D2的力，使泵在排出时作用在柱塞大头D2的力实际上等于作用在柱塞小头D1上的力，从而减小作用在动力端上的力，达到用较小的机型实现增压注水的目的。

1.2 满足平衡的条件

液力平衡式增压注水泵设计时必须满足：在吸入过程中吸入压力p1作用在柱塞大头D2端面的力F1必须被作用在柱塞D1和D2形成的环形面上的力F12全部平衡，其计算公式为

图1　液力平衡式增压注水泵液力端

由式（1）～（3）得出柱塞小头直径为

式中：F1为吸入压力作用在柱塞大头D2端面的力，N；F12为排出压力作用在D1和D2形成的环形面上的力，N；D1为柱塞小头直径，mm；D2为柱塞大头直径，mm；p1为吸入压力，MPa；p2为排出压力，MPa。

通过试验得出，在平衡管流速和排出管流速接近时其阻力损失非常小，可以忽略不计，因此计算时认为平衡室压力与排出压力相等。

2　吸入压力变化的影响分析

长庆油田使用的1台3ZYB-4.2/25型增压注水泵设计参数为：流量Q＝4.2 m3/h，排出压力p2＝25 MPa，吸入压力p1＝10～13MPa，泵速n＝270 min－1，柱塞直径D1＝28 mm、D2＝36 mm，电机功率22 k W。

该泵在现场开始使用不久就出现十字头和连接杆的连接螺栓断裂，更换新零件后不久又出现螺栓断裂。调查我公司的增压注水泵在长庆油田其他采油厂的使用情况，也有类似情况出现，为了找出问题根源并彻底解决，技术人员对泵设计和连接螺栓强度进行了认真复核，没有发现问题。又对现场实际使用工况和设计工况进行了认真对比，发现十字头和连接杆的螺栓断裂或柱塞小头断裂的增压注水泵实际使用工况和设计工况出入很大，设计最低吸入压力为（取用户提供的最低吸入压力）10 MPa，而现场实际吸入压力只有6 MPa。表1是根据设计吸入压力和现场实际吸入压力按式（1）～（2）分别计算的F1和F12。

表1　设计吸入压力和现场实际吸入压力的F1和　F12的计算值

由表1可以看出：当吸入压力变化时，F1跟着变化，但F12不随吸入压力变化。

从吸入过程柱塞受力分析（如图2）可以看出，力F1方向与力F12方向相反，因此：

1） 当F1＝F12时，连接杆及其螺栓只承受柱塞与填料的摩擦力和惯性力。

2） 当F1＞F12时，柱塞总受力方向是与柱塞运动方向一致，被吸入压力产生柱塞力推着走。

3） 当F1＜F12时，柱塞总受力方向是与柱塞运动方向相反，这时连接杆及其螺栓不但要承受柱塞与填料的摩擦力和惯性力，而且还要承受额外的力，这个力的大小等于F12－F1。由表1可以得出：当现场吸入压力6 MPa时，柱塞在吸入过程将额外多承受3 943.84 N力，这是造成连接杆螺栓被拉断的主要原因。

图2　吸入过程柱塞受力分析

找到问题后，根据用户现场实际吸入压力大小，重新设计生产了柱塞及其相关零件，安装后再没有出现连接杆螺栓被拉断的现象，泵组运行平稳。

通过以上分析得出：吸入压力变化对液力平衡式增压注水泵正常运行影响很大，因此在设计及订货时要做到如下4点。

1） 设计吸入压力一定要满足用户提供的最低吸入压力。

2） 计算柱塞小径D1时按F12＝（0.95～1.00）F1计算，使泵吸入过程中力F12略小于力F1，保证柱塞在实际吸入压力等于或略小于设计吸入压力时，柱塞不承受除柱塞与填料的摩擦力和惯性力以外的力。

3） 产品出厂前一定要完全按照用户现场使用条件进行试验。

4） 用户在订货时双方一定要签订技术协议，技术协议除通用条款外，必须准确提供现场实际能达到吸入压力范围。

3　结论

1） 液力平衡式增压注水泵十字头和连接杆的连接螺栓断裂是由于现场实际吸入压力远小于用户订货时提供的吸入压力而导致。

2） 液力平衡式增压注水泵在设计时一定要和油田用户确认现场能达到的吸入压力范围，并以用户现场能达到最小吸入压力做为设计吸入压力。

3） 当现场提供的吸入压力低于设计吸入压力时且经计算会对增压注水泵安全运行带来危险时，必须按照现场实际能达到的吸入压力重新进行设计计算，才能从根本上解决问题。

［1］ 往复泵设计编写组.往复泵设计［M］.北京：机械工业出版社，1987.

［2］ 张江林.液力平衡增压注水泵的使用及平衡改造［J］.江汉石油职工大学学报，2010（2）：80-81.

［3］ 刘岳龙，吕军强.32Y型增压注水泵柱塞结构的改进［J］.石油矿场机械，1996，25（4）：18-19.

［4］ 吉效科，平郁才，刘丰宁，等.5DS系列注水泵结构改进与应用［J］.石油矿场机械，2014，43（12）：67-70.

Influence of Changing Suction Pressure on Balanced Hydraulic Booster Injection Pump

WANG Yutuan，WANG Biehao，ZHAO Qinjing
（Baoji Aerospace Power Pump Co.，Ltd.，Baoji 721001，China）

Based on the difference of collected data between practical suction pressure and designed suction pressure of the balanced hydraulic booster injection pump，and the problems and its sol-ving methods in oil field，the design method and proposes a design and ordering note for the bal-anced hydraulic booster injection pump are analyzed，which provide reference for pump designers and buyers.

boosting injection pump；balanced hydraulic；suction pressure

TE934.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.023

1001-3482（2015）07-0092-03

①2015-01-25

王雨团（1965-），男，陕西临潼人，工程师，主要从事油田注水泵的设计工作。