注水系统故障分析与解决方案

孙善智

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

某油田共设置有3台柱塞式注水泵，生产厂家均为某水泵业有限公司。其中注水泵P-4001A/B排量为32 m3/h，额定排出操作压力为10 MPa，吸入口要求压力为300 kPag，压裂泵P-4002排量为20 m3/h，额定排出操作压力为14 MPa，吸入口要求压力为300 kPag。油田按照当前配注量运行1台压裂泵，另外2台注水泵处于备用状态。

1 现有问题

某油田自2017年10月3日投产之日起即启动注水泵注水。随着油井开启数量的增加和产液量的增加，油田生产工艺处理系统处理分离出来的的水量也逐渐增加。注水泵运转过程中逐渐出现了一系列故障现象，对油田的持续稳定注水造成了很大影响。其主要故障现象如下：运转时噪音增大、振动加剧；造成泵出口管线及管线上的仪表设备异常振动、2台注水泵储能器气囊需要经常充氮气；且均出现了气囊破裂现象；2台注水泵本体柱塞受损；2台注水泵泵阀弹簧都出现了断裂现象。

1.1 注水泵装置的主要工作原理简述

注水泵的主要工作原理：在泵体的内部注满适当的液体之后，内部的叶轮部件在电动机的驱动之下进行高速的旋转，叶片间的液体处在离心运动的状态之下，并且会在具有较高的速度及压力的条件下从叶轮部件的进口处向出口处甩出，最后液体汇集到泵体之内，生成了具备特定压力及速度的液体物质，由泵体的出口向外排出。与此同时，因为叶轮中的液体在离心力的作用下被甩了出去，此时在叶轮部件的中心区域吸入口位置将会形成一个具有负压的空间，这样就可以让水池或者水罐中的液体在大气压强的作用之下，顺着进口的管路被吸进叶轮内部。叶轮部件在高速旋转的时候，一方面持续吸进液体，另一方面持续地为吸入的液体赋予一定程度的能量（主要包含动能及压能），之后相关的液体会排出到泵体之外[1]。注水泵装置如图1所示。

图1 注水泵

1.2 注水泵装置的工作情况分析

自从注水泵装置投入生产运行后，伴随着工作时间的累积，相关零部件出现了一定程度的老化现象，初始的工况也出现了显著的变化。

第一，因为油田系统开发工程过程中要求的注水井注入压力的持续提升，注水泵的压力也在持续增大，某些注水泵装置的工作压力已经达到了16.6 MPa左右，显著大于注水泵装置的许用压力数值（注水泵的额定压力为15.5 MPa）。此类在超压情况下工作的注水泵装置非常容易出现安全生产相关的事故。

第二，注水泵装置内部的运动相关的零部件都有可能出现疲劳类型的损耗，5副曲轴的连接瓦部件及曲轴部件在工作过程中始终受到了周期性的力的载荷，伴随着工作时间的累积，可能发生连接杆的瓦面出现破损、曲轴部件的轴颈发生显著的磨损等等问题和故障。

第三，注水泵装置的所有的运动副之间的间隙可能随着工作时间的累积而加大，因为长期的工作，十字头部件及十字头部件的铜套部分、连杆部件的大头瓦部分及小头瓦部件有可能出现非常显著的磨损情况，各个运动副之间的间隙如果发生加大将会造成注水泵的泵体出现比较剧烈幅度的振动问题，注水泵在工作的过程中发出的噪音也将会明显增加，泵体中的机油物质的温度将会出现大幅度的升高，曲轴箱部位的润滑油位置的温度数值将会达到55℃上下的范围，不利于注水泵装置的正常稳定工作。

2 工作环境中的污水水质对于注水泵装置的不利影响

2.1 工作环境中污水的主要危害

在油田系统的实际生产过程之中，为实现用水节约化并且实现生产污水零排放的目的。通常情况下现场生产人员是把原油生产处理系统中产生的生产污水通过油水分离操作、脱氧操作及杀菌操作等方式进行污水处理之后再注回到油层之中。在这个过程中，尽管相关的污水已经进行了一定程度的净化操作，不过注回去的水资源依旧是一种含有油（及其聚合物成分）的污水，通常情况下属于是偏碱性的水质，其硬度数值偏低，铁元素的含量非常少，水质实现达标的概率比较低；并且另一方面，因为污水在油田的生产过程中是处于反复循环应用的情况，所以其中的悬浮物、人造的添加物质等有害物质的含量相对来说较高，这样的污水在长期使用的过程中将会导致注水泵的各个部件出现腐蚀、堵塞或者结垢等情况。这些问题中，以腐蚀问题的危害程度最为严重[2]。

综合油田系统生产过程中油藏的主要特征（可能属于低孔、低渗凝析类型的油藏）及产出液体的主要特性（比较高矿化程度的情况），油田系统的各类金属材质的管道设施和装置受到腐蚀的程度相对来讲比较严重，尤其是对于含油污水进行净化处理的相关系统中，各类金属材质的管道设施和装置受到腐蚀的程度更为严重，某些金属材质的管道设施和装置刚刚投产不到3个月的时间就有腐蚀甚至穿孔的情况发生，对油田系统正常的生产活动秩序带来了非常严重的不利影响。

2.2 工作环境中的污水对于注水泵装置相关零件的腐蚀情况简述

在生产的过程中，使用注水泵装置来运送相关污水物质的过程中，污水物质之中的各种有害的矿物质和净化的过程中人为加入的各类添加剂物质通常会从注水泵的密封部位渗漏出来，这就会使得注水泵装置的密封效果出现显著的下降。当中的固体类型的颗粒也可能造成注水泵装置的密封部位发生磨损的情况，造成其发生泄漏事故的几率大幅度增大，严重影响了注水泵装置的有效寿命，生产环境中的污水水质比较差是注水泵的密封部位出现失效问题的重要成因。污水的水质不但对注水泵装置，还有可能会对其他的注水工作相关的装置带来严重的腐蚀，例如可能会让各类管道部件发生腐蚀穿孔的现象。

2.3 工作环境中污水造成设备腐蚀的主要原因简述

工作环境中污水造成设备腐蚀的主要原因能够归纳为如下种类：第一类，在较高矿化程度的污水之中，溶解在其中的氧元素可能造成阴极去极化的结构，极化后的污水物质会对钢铁材质造成明显的腐蚀效果。第二类，污水物质中可能含有较多的硫酸盐类型的还原菌种（英文简称为SRB）及硫化氢类化合物，这些物质会对钢铁材质的装置局部的腐蚀情况带来比较显著的影响。第三类，如果污水物质中的悬浮物质及油污物质的含量相对比较大的情况下，这些有害物质很可能出现相互黏结在一起的情况，这些增大了体积的黏结物质将会吸附和沉积在各类管道系统的内壁上，这个时候，系统中就产生了非常有利于硫酸盐类型还原菌种生长和繁殖的环境。并且这些污垢物质将会增强对于杀菌剂物质的吸附效应，造成杀菌净化的效果明显下降，此时细菌将会加速繁殖，大幅度增加对于整个系统的腐蚀程度。钢铁材质的表面出现污垢的位置，通常情况下的电位数值比较低，属于是阳极的状态，此时铁材质的表面没有污垢的位置是阴极，这时就能导致垢下出现腐蚀的情况[3]。

2.4 注水泵的缸体部件温度测量简述

石油系统的生产现场时常会应用红外线温度探测装置对于注水泵的液力一侧的缸体部件的温度实施测量，由于污水物质自身的温度相对比较高，热量比较大，假如散热工作执行不到位，容易导致注水泵的密封处内部的填料及柱塞间区域出现不应该出现的额外磨损现象，此时不仅仅增加了不必要的密封区域填料替换的频次，还将使生产油田系统的注水压力数值发生缓慢上升的问题，使得注水操作过程的能源消耗明显增大。

3 原因分析及试验

针对以上现象，现场开展了如下分析及检修过程。

3.1 根据振动进行判断

振动加剧、噪音增大，判断可能是柱塞泵泵腔有气所致。现场在注水泵出口放气管线上分多次排气试验，未发现大量气体排出，且多次长时间排放后，重新启动运转发现状态并无好转。

3.2 检查泵体的问题

泵体对中是否有问题：考虑到某油田在某船厂码头各进行了1次为期约2年的维修改造工作，可能是泵撬或者注水泵舱甲板结构发生了变形导致泵对中有问题。现场对3台注水泵和压裂泵进行了逐一对中检测，发现各项数据均满足安装要求。

3.3 启动增压水泵

是否是注水增压泵排量不足。现场第三步怀疑是不是注水泵上游的注水增压泵排量不足，导致注水泵高振动，不见损坏。现场为了提高注水泵入口流量，启动了2台注水增压泵（均为离心泵）做试验。某油田单台注水增压泵的排量为64m3/h，而注水泵排量为32 m3/h。启动2台注水增压泵后发现注水泵运行时状态仍旧无好转。说明注水泵入口流量单台就已经满足其供液要求。

3.4 检查储能器气囊压力数值是否达标

是否是储能器气囊压力设定不合适。现场运行观察发现，每次振动高或者噪音大时拆卸储能器气囊检测均发现其气囊要么压力降低要么出现破裂。油田现场按照厂家技术规格书要求先后进行了多次压力重装试验，但是仍旧未根本解决高振动高噪音问题，反而出现气囊多次破损现象。因此分析气囊不是导致前述故障现象发生的根本原因，而是有其他因素导致储能器气囊损坏和高振的产生。

3.5 检查新采购的备件质量

新采购的相关备件质量不佳。油田近期对2台注水泵均更换了从某水厂家新采办的弹簧，弹簧材质为1Cr18Ni9Ti，经过试验发现2台注水泵均是运转2周后运转声音就加剧，出口管线振动也加剧。对泵体解体后发现弹簧均出现不同数量的断裂和损坏。由此判断厂家新提供的弹簧可能存在一定的质量问题。

4 注水泵装置的多发故障类型及解决方案简述

4.1 注水泵轴瓦部位温度过高的原因及解决方案

当系统的轴瓦部位的温度超过65℃的情况下，非常容易造成注水泵装置轴瓦中润滑油物质的润滑功能出现显著的降低，严重的可能出现烧毁轴瓦的情况，使得注水泵发生停机的事故。

如果是缺油，需要对润滑油进行补充；如果润滑油不洁，使用滤油机过滤或者更换润滑油；如果冷却水温度高，则需要更换冷却水；如果轴瓦内混入杂质，需要泵修队的人员进行修理。

4.2 注水泵装置的密封部位填料出现泄漏的主要原因和解决方案

注水泵装置的密封部位应用软质石棉类填料。此种材料非常容易出现损坏的情况，填料一旦出现问题需要及时进行更换；如果压力发生问题可能造成填料受力不均匀，密封压盖因为工作时间过长而发生松动，导致泄漏的情况发生。

解决方案：对于密封填料需要及时进行检查和更换，防止密封压盖受力不平衡，做到压紧和压好；平时维护的过程中，对于压盖的松紧程度进行适当调节。

4.3 问题小结

注水泵装置在其工作进程中，除去易损件的磨损后必须进行维修和更换之外，最关键的是怎样处理曲轴箱部件的内部问题，此类问题可能导致烧瓦及拉缸事故，导致设备出现生产安全事故，设置会造成注水泵彻底报废。烧瓦主要原因有：润滑油物质的黏度指标不达标、润滑油中混入了有害的杂质等。

4.4 故障问题分析工作的实际意义

假如注水泵装置出现故障，可以依据电动机及泵体的异常变化来判断，不过这个时候可能已经产生了比较严重的损失。比如注水泵的维修费用、配件费用等，经济损失比较巨大。

注水泵装置的问题诊断和分析具有重大现实意义，为了确保设备可以平稳运行，规避生产安全事故的发生，保证现场工作人员的安全，并且最大限度地节约各类日常维护保养方面的费用。

5 解决措施

咨询某水泵厂家与外配套弹簧厂家，选取合适的阀弹簧材质，以避免阀弹簧过快的损坏。

设备正常运行时，注水增压泵出口旁通阀门保持全关，以保证注水泵的入口供水量。如因注水泵排量较配注量大则采用注水泵回流方式控制。

定期倒泵清洗注水增压泵滤器，以免造成注水增压泵的供液不足，从而导致注水泵的入口供水量不足。

为了保障注水时率，保证油田稳产高产，需要对平台注水压裂泵进行换型改造。更换后的压裂泵排量为70 m3/h。

6 结束语

自2020年1月以来，2台注水泵彻底检修后，压裂泵更换后，按照解决措施执行到现在，新增压裂泵运行稳定，2台注水泵作为备用泵临时运转一直也非常稳定。注水泵出口管线未出现振动现象，注水泵各辅件未再出现损坏事件，储能器气囊也未进行频繁氮气补充。不仅充分保障了油田注水持续稳定，还大大减小了设备检修工作量和设备更换成本。