注水泵润滑油应用现状及发展趋势

2019-05-30周世德姚文钊

石油工业技术监督 2019年4期

周世德，姚文钊

1.中国石油长庆油田分公司第一采油厂（陕西延安 716000）

2.西安石油大佳润实业有限公司（陕西西安 710065）

0 引言

油田注水是保持油层压力、降低原油递减率的主要措施，注水泵机组是油田注水的关键设备。我国油田油藏类型多样，配套的注水系统也各不相同，按注水能力分为：大站系统以大排量的离心泵为主；小站系统，以柱塞泵为主。柱塞泵具有扬程高、排量小、效率高、电力配套设施简单等特点，适用于注水量低、注水压力高的中低渗透油田或断块油田[1]。国内原油产量最大的中国石油长庆油田分公司，在用注水泵约1 900台，全部采用往复式柱塞泵，它的运行是否可靠，直接关系着石油生产的安全和效益。

长期以来注水泵进水后导致润滑油乳化，是困扰各油田公司的一大难题。因为注水泵传输的介质主要是清水和含油污水，工作压力较高，在12～25 MPa，平均工作压力在17 MPa左右。柱塞系统密封不良或者由于呼吸作用，极易造成润滑油中混入水分，导致柱塞泵润滑油乳化变质。油品乳化后不及时更换，注水泵长时间得不到良好的润滑，会造成轴承损坏、轴瓦腐蚀等现象，给油田造成很大损失；油品乳化后若更换，则造成极大浪费；因此，抗乳化性能是注水泵油质量控制的关键。

目前国内油田注水泵曲轴箱在用润滑油品种较杂，用油选择具有一定的随意性，润滑管理较为混乱。多数油田选用柴油机油，也有部分油田使用齿轮油等工业用油，均不能有效解决注水泵油的乳化问题，不利于设备的长期稳定运行[2]。

润滑是保障柱塞泵曲轴箱运行的关键要素，随着变频、带压启动等技术应用，以及曲柄摩擦副压力和转速的变化，润滑管理面临新的技术需求。通过对注水泵的结构及工作原理、油田注水系统现状进行归纳和梳理，对油田柱塞式注水泵工况及润滑要求、油田注水泵用油现状及发展等进行分析论述，旨在为油田柱塞式注水泵推荐一款更为合适的润滑油品，即油田注水泵润滑系统需要专用的注水泵润滑油。

1 注水泵的结构及工作原理

1.1 注水泵的结构

柱塞式注水泵主要由动力端、液力端、传动部分及电动机组成，如图1所示。动力端在柱塞泵中起到传送动力的作用，是将电动机的旋转运动转化为柱塞往复运动的部件，主要由曲轴、轴承、连杆、连杆轴瓦、十字头、十字头销、弹簧挡圈、曲轴箱、基座等部件组成，如图2(a)所示。液力端包括泵头、组合阀、阀板、弹簧、柱塞和缸套及其密封（填料箱）、吸入阀和排出阀组件、缸盖和阀箱、吸入和排出集合管等，如图2(b)所示。该部分直接输送液体，将机械能传递给液体，转换成液体的压力能[3]。

图1 柱塞泵结构图

图2 柱塞泵结构简图

1.2 注水泵的工作原理

柱塞泵主要是通过电动机提供动力，联轴器带动曲轴旋转。当曲柄以角速度ω逆时针旋转时，柱塞向右移动，液缸内容积增大，压力降低，液体在压力作用下进入液缸中。当曲柄转过180°角以后柱塞向左移动，液体被挤压，液缸内液体压力急剧增加，吸入阀关闭而排出阀打开，液体被排出。当曲柄不停旋转时，柱塞泵就不断地吸入和排出液体[4]。

1.3 注水泵的工作特性

柱塞泵的主要作用是提升或输送液体，其设计、制造、选型、安装、运行、维护管理的好坏不仅对工程投资的影响很大，而且与节约能源、降低成本、提高经济效益也密切相关[5]。

国内油田排量较小的注水泵，多选用往复式柱塞泵，其运行特性曲线如图3所示。由于柱塞泵为容积泵，依靠工作室容积的变化来吸入和排出液体，所以扬程与流量无关，适合在输送流量不大而压力很高的地方运行[6]。

图3 柱塞泵特性曲线

2 油田注水系统现状

随着油田开发的深入，注水系统向多功能方向发展，特别是在原油含水量越来越高的情况下，为防止外排对环境造成污染，迫切需求将污水回注。因此柱塞泵的流量、压力、功率不断增加，由原来的三柱塞、四柱塞发展到目前的五柱塞。新型五柱塞泵压力排量调节范围广，泵流量达到12～180 m3/h，泵的吸入压力0.03～1.5 MPa，泵的排出压力10～48 MPa，泵的输入功率132～630 kW，可完全满足油田各种工况下的使用需要[7]。

目前，随着长庆油田二次开发注水压力的升高，配置注水泵的工作压力也逐渐升高，已达20 MPa左右，但其额定压力均在25 MPa以下；注水泵排出口蓄能器工作压力也相应提高，已达20～25 MPa[8]。注水泵的介质主要有清水、油田采出水，水质成分复杂，混入润滑系统会导致油品变质，设备部件被腐蚀，因而对润滑油有较高的要求。

另外，注水系统由电力驱动，耗电量极大，约占油田生产用电的33%～56%，随着油田含水率的上升，注水能耗还将急剧上升。据调查统计，我国注水泵运行效率平均为75.2%，国内先进值为79.9%，国外为80%～85%。国内注水用电单耗平均为6.94 kW·h/t，先进值为6.15 kW·h/t，国外为5.6～6.0 kW·h/t。由此可见，提高注水系统效率，节能降耗，有着重大意义[9]。

3 柱塞式注水泵工况分析及润滑要求

在油田开发阶段，随着开发难度的增加，需要的注水强度不断提高，泵压也不能上升，柱塞泵一般长期在25～50 MPa运行。这就造成了柱塞泵的运行始终处于高负荷状态，内部强摩擦力、高剪切力作用明显。而作为对曲轴连杆及曲轴进行润滑的润滑油，主要起到润滑、冷却、防锈、清洁、缓冲等作用，可以防止曲轴及轴瓦磨损，对设备长期有效正常运行起到重要的作用[10]。同时注水泵曲轴箱的主要摩擦副是滑动轴承和滚动轴承，处理的工作介质是水。在注水泵的运行中，水进入曲轴箱是不可避免的，因此注水泵曲轴箱润滑油应满足以下要求[11]。

l）适宜的黏度。润滑油黏度偏大，摩擦阻力增加，黏度过大则在低温下难启动困难；黏度过小，密封效果差，油膜厚度不够，磨损增加。因此柱塞泵要求润滑油必须具有适宜的黏度。按照GB/T 3141—1994《工业液体润滑剂1S0黏度分类》及柱塞泵的运行工况，经过分析可选则的润滑油黏度等级为100号，40℃运动黏度也用为90～110 mm2/s。

2）一定的黏温性能。润滑油的黏度会随温度的升高而减小，随着温度的下降而增加。柱塞泵工作温度变化幅度在30～70℃，且一般均安装在室内，对黏温性能要求并不高。

3）优良的抗乳化性。润滑油的抗乳化性是防止油品乳化，或油品乳化后经过长时间静置，油水能迅速分离的性质。柱塞泵在使用中难免会混入传输介质水，如果油品抗乳化性差，油品极易与混入的水形成乳化液，从而造成润滑不良。

4）优良的润滑性。柱塞泵启动和停车时处于边界润滑状态，此时若润滑不良，则会发生黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损，导致设备故障，使用寿命缩短。因此柱塞泵润滑油需要一定的抗磨和抗极压性能，满足润滑要求。

5）良好的稳定性。润滑油的稳定性是保证柱塞泵长期、安全、稳定运行的一个极为重要的因素。稳定性应包括:氧化安定性、抗腐蚀性、防锈性、剪切稳定性、热稳定性和储存稳定性。在润滑油稳定性中，任何一项不能满足要求，油品在使用中都会发生问题。

6）良好的抗泡沫性。油品中混入气泡，会导致输油管路堵塞、系统效率降低、不能形成稳定的油膜，甚至产生气穴腐蚀，加剧设备磨损，对设备破坏性极大。

4 油田注水泵用油现状及发展

目前油田注水泵曲轴箱在用润滑油品种包括CD 15W-40柴油机油、注水泵专用油、HM 46或68号抗磨液压油、AN 46全耗损油（机械油）等，品种较杂，而且油品选择具有一定的随意性，李开连[2]等通过长时间现场试验发现，注水泵曲轴箱润滑油与润滑要求的预期匹配性见表1。

表1 注水泵曲轴箱润滑油与润滑要求的预期匹配性

4.1 双曲线齿轮油的使用

胜利油田结合多年使用经验，制定了2 000柱塞泵使用和维护要求。使用时按现场环境条件，向油箱加注极压齿轮油，加注时油箱不得过满，应在液面上留出约10%的空间。在正常工作条件下，润滑油在每使用1 000 h或4个月换一次。如果发现润滑油变脏或被污染，就要立即清除污垢并换油。

以前我国车辆齿轮油按照100℃运动黏度划分牌号，后桥齿轮一般选用双曲线齿轮油，牌号为18、20、26号。按照SAE J306黏度分类，车辆齿轮及变速箱油按照100℃运动黏度可分为80、85、90变速箱油及90、140后桥齿轮油。按照新旧牌号对照关系，18号双曲线齿轮油100℃运动黏度13.5～24 mm2/s，对应新牌号90号后桥齿轮油。

双曲线齿轮在啮合过程中压力高、相对滑移速度大，可产生600～800℃的瞬时温度。一般情况下油性添加剂在l00℃左右就会从摩擦表面脱落，油膜被破坏。为防止磨损、擦伤和胶合的发生，双曲线齿轮油中加入了含氯、硫、磷等元素的有机化合物作为极压添加剂[12]。注水泵系统没有齿轮部件，而轴承轴瓦部位多为含铜材质，极易受含硫磷添加剂腐蚀，造成设备故障或损坏。同时18号双曲线齿轮油黏度偏大，也不利于节能降耗，因此该油品不适合用作注水泵系统润滑。

4.2 柴油机油的使用

中国石油渤海装备公司的油田注水泵用油及维护保养手册中指出；泵组中曲轴、轴承、连杆、十字头等部件是依靠曲轴箱内润滑油飞溅进行润滑的，选用CD 15W-40柴油机油、新泵或大修泵，首次运转300 h后更换一次润滑油；以后每运转4 500 h更换润换油，同时如发现润滑油变脏或变质应及时更换。据调查，柴油机油目前在长庆等油田采油区的注水泵系统广泛使用。

众所周知，柴机油主要是根据柴油发动机高温高压的工况研制而成，不能满足注水场合往复式柱塞泵的润滑需求,体现在以下2个方面。①柴机油抗乳化性能差。CD 15W-40属低端柴油机油，产品配方体系主要是针对车用柴油发动机使用工况研制，主要用于普通柴油发动机的润滑，抗乳化性能极差，国家标准GB 11122—2006《柴油机油》中对柴油机油的抗乳化性能也未作要求。在使用过程中新油品中混入少量水分即可出现乳化现象，油品乳化后不易在摩擦表面形成保护膜，润滑作用受到极大破坏，如果不及时更换，可导致设备严重磨损。因此，不适合注水泵等易于接触到水分的设备等使用。②柴油机油剪切性能不能满足长期重载荷条件下使用。CD 15W-40柴机油适用于普通柴油发动机的润滑（发动机气缸压力2～14MPa，且只在如爬坡等重负荷时短时间运行）；而柱塞泵工作压力长时间在12～20 MPa之间运行，常见的工作压力在15 MPa左右，并且随着油田开发时间的延长注水泵的工作压力逐渐升高。在使用过程中，CD 15W-40柴机油在高压高剪切下黏度保持性差。

2016年长庆油田第一采油厂对2台注水泵润滑油进行跟踪检测，发现设备运行2 000h后，CD 15W-40柴机油黏度变化率均超过国标GB/T7607—2010柴油机油换油指标的要求，结果见表2。

4.3 HM液压油的使用

普通液压油适用于对润滑油无特殊要求的一般循环润滑系统等，也可对轴承等润滑。抗磨液压油以其良好的润滑性、优异的防锈防腐蚀性、良好的抗乳化抗泡沫性等性能得到了广泛应用。但摩擦副材质为青铜-钢或镀银钢-钢的柱塞泵则不适用。长庆油田等采油厂曾大量使用HM46、HM68液压油作为注水泵油，在解决油品抗乳化方面有较好的效果，但是液压油通常黏度偏低、挥发性较大。较低的黏度不利于形成足够厚度的油膜，易导致设备部件因润滑不良而严重磨损。挥发性太大，导致生产车间油蒸汽浓度太高、气味大，损害操作人员的身心健康，加之对铜材的腐蚀，因而其推广使用受到较大限制。

表2 CD 15W-40柴机油黏度变化结果

4.4 其他工业油品的使用

石油化工设备维护检修规程——通用设备中，建议石油化工用高压柱塞泵润滑系统可选用30号汽油机油或40号全系统损耗油，但该柱塞泵用途、传输介质与油田注水泵不同，没有考虑到油田注水系统水质的复杂性。众所周知，全损耗系统用油是一次性用油，其抗磨损抗乳化等性能均不足以维持注水泵的正常运转，是不适合循环系统使用的；涡轮机油虽然在抗乳化、抗泡沫等方面表现良好，但其使用工况完全不同于往复式柱塞泵，润滑部位的材质也有较大差异；往复式气体压缩机的润滑部位主要是气缸、活塞环、曲轴箱等，与柱塞泵接近，但其压缩介质为气体，而注水泵传输的是液体，尤其污水泵的水质非常复杂，含硫量较高，因此对润滑油有更高的要求。

4.5 注水泵专用油产品的发展现状及趋势

中国石化胜利石油管理局胜大油品厂开发的一款注水泵专用油产品[10]，油品在经过长达3 000～4 000 h运行后，仍具有较好的抗剪切和抗磨损性能，黏度变化小；作为注水泵油最为关注的抗乳化性能方面，与参比油相比，专用油品具有更好的抗乳化性能，油品使用1 500 h后仍能较好的分出油层和乳化层，但没有明显的水层。具体理化性能指标及抗乳化性能评价结果见表3、表4。

西安某公司开发研制的两款注水泵专用油产品，具有优异的抗氧化、抗磨损性能，现场使用3 000h后黏度变化小。主要理化性能指标见表5，抗乳化性能评价结果见表6。

该油品在经过长时间注水运行后，仍具有优异的抗剪切和抗磨损性能，黏度变化小，2 000 h后油水仍能较好分离，油品使用寿命长，具有更加长效的润滑性能。

针对油田注水系统的实际工况，充分考虑到注水系统及水质的复杂性，开发研制的油田注水泵专用油，以其良好的抗乳化性能，必将逐步取代其他工业用油，在油田注水泵上得到广泛的使用。