王雨團(tuán)，王別好，趙秦靜

（寶雞航天動(dòng)力泵業(yè)有限公司，陜西寶雞721001）①

吸入壓力變化對(duì)液力平衡式增壓注水泵的影響

王雨團(tuán)，王別好，趙秦靜

（寶雞航天動(dòng)力泵業(yè)有限公司，陜西寶雞721001）①

針對(duì)液力平衡式增壓注水泵實(shí)際吸入壓力與設(shè)計(jì)吸入壓力有差異這一實(shí)際問(wèn)題，采集及分析了其多年在油田使用中出現(xiàn)的問(wèn)題及處理辦法。從設(shè)計(jì)上進(jìn)行了分析，提出了液力平衡式增壓注水泵設(shè)計(jì)和訂貨注意事項(xiàng)，供增壓注水泵設(shè)計(jì)及采購(gòu)人員參考。

增壓注水泵；液力平衡；吸入壓力

增壓注水適用于系統(tǒng)管網(wǎng)壓力無(wú)法滿(mǎn)足注水要求的分散區(qū)塊或系統(tǒng)管網(wǎng)末端壓力損失較大無(wú)法正常注水的管網(wǎng)末端區(qū)塊，在這些區(qū)塊需要采用增壓注水泵將系統(tǒng)管網(wǎng)壓力增壓到要求的注入壓力后，才能將水注入到注水井。液力平衡式增壓注水泵是專(zhuān)門(mén)針對(duì)油田增壓注水工藝設(shè)計(jì)的，其特點(diǎn)是將柱塞設(shè)計(jì)成臺(tái)階式，將泵排出壓力通過(guò)平衡管與平衡室聯(lián)通，這樣在平衡室柱塞大頭與小頭形成的臺(tái)階產(chǎn)生的力可以有效地平衡大部分作用在柱塞大頭的力，使真正作用在動(dòng)力端的柱塞力變小，可以實(shí)現(xiàn)用較小的泵增壓注水，從而減少注水泵的采購(gòu)成本。

1　液力平衡式增壓注水泵

1.1 工作原理

液力平衡式增壓注水泵（如圖1）的工作原理是利用平衡管將泵排出工作腔與平衡室聯(lián)通，泵在工作時(shí)平衡室和泵排出工作腔壓力始終保持一致，并且使泵在吸入過(guò)程使作用在柱塞D1和D2形成的環(huán)形面上的力和吸入壓力作用在柱塞大頭D2端面的力相等。因此，在泵排出過(guò)程中，排出壓力作用在柱塞環(huán)形面上的力會(huì)平衡掉一部分排出壓力作用在柱塞大頭D2的力，使泵在排出時(shí)作用在柱塞大頭D2的力實(shí)際上等于作用在柱塞小頭D1上的力，從而減小作用在動(dòng)力端上的力，達(dá)到用較小的機(jī)型實(shí)現(xiàn)增壓注水的目的。

1.2 滿(mǎn)足平衡的條件

液力平衡式增壓注水泵設(shè)計(jì)時(shí)必須滿(mǎn)足：在吸入過(guò)程中吸入壓力p1作用在柱塞大頭D2端面的力F1必須被作用在柱塞D1和D2形成的環(huán)形面上的力F12全部平衡，其計(jì)算公式為

圖1　液力平衡式增壓注水泵液力端

由式（1）～（3）得出柱塞小頭直徑為

式中：F1為吸入壓力作用在柱塞大頭D2端面的力，N；F12為排出壓力作用在D1和D2形成的環(huán)形面上的力，N；D1為柱塞小頭直徑，mm；D2為柱塞大頭直徑，mm；p1為吸入壓力，MPa；p2為排出壓力，MPa。

通過(guò)試驗(yàn)得出，在平衡管流速和排出管流速接近時(shí)其阻力損失非常小，可以忽略不計(jì)，因此計(jì)算時(shí)認(rèn)為平衡室壓力與排出壓力相等。

2　吸入壓力變化的影響分析

長(zhǎng)慶油田使用的1臺(tái)3ZYB-4.2/25型增壓注水泵設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量Q＝4.2 m3/h，排出壓力p2＝25 MPa，吸入壓力p1＝10～13MPa，泵速n＝270 min－1，柱塞直徑D1＝28 mm、D2＝36 mm，電機(jī)功率22 k W。

該泵在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始使用不久就出現(xiàn)十字頭和連接桿的連接螺栓斷裂，更換新零件后不久又出現(xiàn)螺栓斷裂。調(diào)查我公司的增壓注水泵在長(zhǎng)慶油田其他采油廠(chǎng)的使用情況，也有類(lèi)似情況出現(xiàn)，為了找出問(wèn)題根源并徹底解決，技術(shù)人員對(duì)泵設(shè)計(jì)和連接螺栓強(qiáng)度進(jìn)行了認(rèn)真復(fù)核，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。又對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用工況和設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了認(rèn)真對(duì)比，發(fā)現(xiàn)十字頭和連接桿的螺栓斷裂或柱塞小頭斷裂的增壓注水泵實(shí)際使用工況和設(shè)計(jì)工況出入很大，設(shè)計(jì)最低吸入壓力為（取用戶(hù)提供的最低吸入壓力）10 MPa，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吸入壓力只有6 MPa。表1是根據(jù)設(shè)計(jì)吸入壓力和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吸入壓力按式（1）～（2）分別計(jì)算的F1和F12。

表1　設(shè)計(jì)吸入壓力和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吸入壓力的F1和　F12的計(jì)算值

由表1可以看出：當(dāng)吸入壓力變化時(shí)，F(xiàn)1跟著變化，但F12不隨吸入壓力變化。

從吸入過(guò)程柱塞受力分析（如圖2）可以看出，力F1方向與力F12方向相反，因此：

1） 當(dāng)F1＝F12時(shí)，連接桿及其螺栓只承受柱塞與填料的摩擦力和慣性力。

2） 當(dāng)F1＞F12時(shí)，柱塞總受力方向是與柱塞運(yùn)動(dòng)方向一致，被吸入壓力產(chǎn)生柱塞力推著走。

3） 當(dāng)F1＜F12時(shí)，柱塞總受力方向是與柱塞運(yùn)動(dòng)方向相反，這時(shí)連接桿及其螺栓不但要承受柱塞與填料的摩擦力和慣性力，而且還要承受額外的力，這個(gè)力的大小等于F12－F1。由表1可以得出：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)吸入壓力6 MPa時(shí)，柱塞在吸入過(guò)程將額外多承受3 943.84 N力，這是造成連接桿螺栓被拉斷的主要原因。

圖2　吸入過(guò)程柱塞受力分析

找到問(wèn)題后，根據(jù)用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吸入壓力大小，重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)了柱塞及其相關(guān)零件，安裝后再?zèng)]有出現(xiàn)連接桿螺栓被拉斷的現(xiàn)象，泵組運(yùn)行平穩(wěn)。

通過(guò)以上分析得出：吸入壓力變化對(duì)液力平衡式增壓注水泵正常運(yùn)行影響很大，因此在設(shè)計(jì)及訂貨時(shí)要做到如下4點(diǎn)。

1） 設(shè)計(jì)吸入壓力一定要滿(mǎn)足用戶(hù)提供的最低吸入壓力。

2） 計(jì)算柱塞小徑D1時(shí)按F12＝（0.95～1.00）F1計(jì)算，使泵吸入過(guò)程中力F12略小于力F1，保證柱塞在實(shí)際吸入壓力等于或略小于設(shè)計(jì)吸入壓力時(shí)，柱塞不承受除柱塞與填料的摩擦力和慣性力以外的力。

3） 產(chǎn)品出廠(chǎng)前一定要完全按照用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)使用條件進(jìn)行試驗(yàn)。

4） 用戶(hù)在訂貨時(shí)雙方一定要簽訂技術(shù)協(xié)議，技術(shù)協(xié)議除通用條款外，必須準(zhǔn)確提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際能達(dá)到吸入壓力范圍。

3　結(jié)論

1） 液力平衡式增壓注水泵十字頭和連接桿的連接螺栓斷裂是由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吸入壓力遠(yuǎn)小于用戶(hù)訂貨時(shí)提供的吸入壓力而導(dǎo)致。

2） 液力平衡式增壓注水泵在設(shè)計(jì)時(shí)一定要和油田用戶(hù)確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)能達(dá)到的吸入壓力范圍，并以用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)能達(dá)到最小吸入壓力做為設(shè)計(jì)吸入壓力。

3） 當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)提供的吸入壓力低于設(shè)計(jì)吸入壓力時(shí)且經(jīng)計(jì)算會(huì)對(duì)增壓注水泵安全運(yùn)行帶來(lái)危險(xiǎn)時(shí)，必須按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際能達(dá)到的吸入壓力重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，才能從根本上解決問(wèn)題。

［1］ 往復(fù)泵設(shè)計(jì)編寫(xiě)組.往復(fù)泵設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［2］ 張江林.液力平衡增壓注水泵的使用及平衡改造［J］.江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）：80-81.

［3］ 劉岳龍，呂軍強(qiáng).32Y型增壓注水泵柱塞結(jié)構(gòu)的改進(jìn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1996，25（4）：18-19.

［4］ 吉效科，平郁才，劉豐寧，等.5DS系列注水泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)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

王雨團(tuán)（1965-），男，陜西臨潼人，工程師，主要從事油田注水泵的設(shè)計(jì)工作。