油田柱塞泵盤根刺漏的安全監(jiān)控措施

彭?xiàng)潡?唱 靜 陳平君 張春娜 劉海龍

（1.中國石油冀東油田公司 陸上作業(yè)區(qū)，河北 唐山 063200；2. 中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 102200）

0 引言

柱塞泵是各油田進(jìn)行注水開發(fā)時(shí)廣泛使用的一種高壓設(shè)備，其壓力往往可以達(dá)到30MPa，屬于高危設(shè)備。柱塞泵常見的故障是：在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中依靠盤根對運(yùn)動的柱塞進(jìn)行密封。由于柱塞泵承受著極高的壓力，因此盤根容易損壞。當(dāng)盤根被磨損造成密封失效后，就會出現(xiàn)高壓水從盤根處滲漏，并隨著時(shí)間的延續(xù)變成大面積刺漏。盤根大面積刺漏的后果是：一方面會造成減速箱機(jī)油的乳化，另一方面會對附近的電器設(shè)備設(shè)施造成破壞，同時(shí)盤根刺漏的緊急處置中還可能對操作員工產(chǎn)生人身安全風(fēng)險(xiǎn)，因此提前判斷和監(jiān)控盤根漏水，防范盤根出現(xiàn)大面積刺漏是管理柱塞泵的重要安全目標(biāo)之一。

1 柱塞泵盤根刺漏現(xiàn)狀

柱塞泵在運(yùn)行過程中，其主要運(yùn)動部件為柱塞，柱塞在往復(fù)運(yùn)動過程中，以目前冀東油田普遍使用的5ZB-48/28型柱塞泵為例，其速度達(dá)到200次/min，工作行程為230mm，為了防止高壓水泄漏，在柱塞總成內(nèi)部填加有盤根，以實(shí)現(xiàn)密封作用。

但是由于柱塞的高速往復(fù)運(yùn)動以及高溫高壓環(huán)境，導(dǎo)致盤根隨時(shí)有失效的可能。盤根一旦失效，高壓水就會滲漏出盤根總成，并在10～20min后形成長達(dá)1～2m長的大面積刺漏，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為損壞設(shè)備的因素，給生產(chǎn)和安全帶來不可控的風(fēng)險(xiǎn)。

為了防止這種危害因素的產(chǎn)生，現(xiàn)場員工必須每隔2h進(jìn)行現(xiàn)場巡檢。由于柱塞泵房溫度高（夏季可達(dá)55℃），噪音大（泵附近1m處可達(dá)120dB），因此每次的巡檢工作對員工來說也是一種傷害，這也導(dǎo)致了員工巡檢不及時(shí)，進(jìn)而增加了柱塞泵高壓水刺漏事故的發(fā)生率。

2 降低盤根刺漏的方案對比

要想降低或防止柱塞泵高壓水刺漏可能產(chǎn)生的危害，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探討：

（1）延長柱塞泵盤根的壽命。通過延長盤根的壽命可以降低單位時(shí)間內(nèi)盤根刺水可能產(chǎn)生的危害。

（2）安裝防護(hù)罩。將盤根總成與減速箱、電路進(jìn)行隔離。

（3）利用監(jiān)控探頭[1]對盤根進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

分析以上幾種方案：

（1）延長柱塞泵盤根的壽命并不能從根本上杜絕盤根發(fā)生大面積刺漏的現(xiàn)象，只是減少了刺漏的頻次。

（2）安裝防護(hù)罩的方案一次性投入較大，且安裝困難，對于減速箱機(jī)油進(jìn)水乳化問題無法克服，而且防護(hù)罩的存在對后期員工進(jìn)行檢查與維修也會帶來很多不便。

（3）利用監(jiān)控探頭對盤根進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控也存在著一次性投入大，且增加了值班人員的監(jiān)控工作量。

根據(jù)現(xiàn)場情況與方案對比，提出新的安全監(jiān)控設(shè)計(jì)思路，其工作原理是：利用水能導(dǎo)電的特性，將水的刺漏轉(zhuǎn)化為電信號，使其具備可監(jiān)測的特性，再利用自動化[2]原理，使信號被捕捉并觸動相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對盤根漏水的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、全自動化監(jiān)測。由于目前自動化技術(shù)的相對成熟，因此我們認(rèn)為采用這個(gè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)安全[3-4]監(jiān)控的目的。

3 安全監(jiān)控的設(shè)計(jì)思路

自動化設(shè)計(jì)的基本思路是通過安裝一個(gè)設(shè)備監(jiān)測盤根刺漏采集信號，再通過一定的方式將采集的信號傳輸出去，最后將傳輸出來的信號轉(zhuǎn)換成報(bào)警和停泵操作信號，因此所設(shè)計(jì)的自動化設(shè)備包含3個(gè)子系統(tǒng)：信號采集、信號傳輸和信號反應(yīng)。

3.1 信號采集

信號采集利用了水能導(dǎo)電的物理特性，柱塞泵[5]的工作介質(zhì)為污水，從盤根刺漏的水就具有導(dǎo)電性能，設(shè)計(jì)在一個(gè)斷開的電路中，當(dāng)有水滴落在斷點(diǎn)時(shí)，電路就會被接通形成回路。信號采集正是利用這一原理特性，設(shè)計(jì)了專門的水滴感應(yīng)電路板，該電路板的結(jié)構(gòu)為2條相互獨(dú)立的線路，其中每2條相鄰的線路均為正負(fù)對應(yīng)，線路的間距僅為1mm。

信號采集的第二步：將形成的回路與一個(gè)無線信號發(fā)射器相連，當(dāng)盤根刺漏時(shí)，刺漏的水滴就會落在電路板上，使相鄰的2條線路接通，其接通的同時(shí)，也觸動了無線信號發(fā)射器連通，從而實(shí)現(xiàn)盤根刺漏信號的采集。

3.2 信號傳輸

信號傳輸設(shè)計(jì)首先考慮選擇無線信號傳輸。其主要考量是：由于柱塞泵房與值班室一般距離較遠(yuǎn)，如果采用有線傳輸，就需要對注水站進(jìn)行過多的改造建設(shè)，工作量較大，施工成本也高，更會破壞現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，因此信號傳輸與接收均考慮采用無線傳輸。但是由于柱塞泵房內(nèi)有較強(qiáng)的電磁干擾，必須要選用能夠超距離發(fā)送無線信號的發(fā)射器，經(jīng)過調(diào)研市場上可以選用的無線傳輸設(shè)備較豐富，選擇傳輸距離為1km的無線信號發(fā)送器，在柱塞泵房具有強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，其傳輸距離也能夠達(dá)到100m，能夠滿足現(xiàn)場無線信號的傳輸要求。

無線信號傳輸設(shè)計(jì)包含2條路徑，一是將信號傳輸?shù)街蛋嗍业膱?bào)警器，報(bào)警器實(shí)時(shí)發(fā)出蜂鳴報(bào)警，使值班人員感知到柱塞泵盤根已經(jīng)發(fā)生刺漏；同時(shí)無線信號也能夠傳輸?shù)脚潆姽?，用于控制柱塞泵的停泵操作?/p>

之所以采用雙信號傳輸與接收，其設(shè)計(jì)思路是：當(dāng)值班室內(nèi)有人時(shí)，可以及時(shí)趕赴現(xiàn)場進(jìn)行處理，防止盤根刺漏事態(tài)擴(kuò)大。但由于目前生產(chǎn)單位人手緊張，有時(shí)值班室內(nèi)無人值守，因此需要設(shè)備能夠自動停止運(yùn)行。將無線信號傳輸?shù)脚潆姽?，能夠?qū)崿F(xiàn)無線信號轉(zhuǎn)化為停泵信號，實(shí)現(xiàn)自動停泵，防止盤根刺漏事態(tài)擴(kuò)大。

3.3 信號反應(yīng)

通過在注水站值班室安裝一個(gè)無線報(bào)警器，報(bào)警器自帶無線信號接收裝置，當(dāng)無線信號接收器接收到信號時(shí)報(bào)警器就報(bào)警，及時(shí)提醒值班人員趕赴現(xiàn)場處理盤根刺漏。

在對應(yīng)柱塞泵的配電柜內(nèi)安裝一個(gè)控制回路，控制回路上同樣連接一個(gè)無線信號接收器，一旦這個(gè)控制回路接收到信號后，就可以實(shí)現(xiàn)信號處理，對柱塞泵進(jìn)行自動停泵操作，防止盤根刺漏事態(tài)繼續(xù)擴(kuò)大。

具體設(shè)計(jì)方案，如下圖。

圖 柱塞泵盤根安全監(jiān)控設(shè)計(jì)圖Fig. Design diagram for safety monitoring of piston pump disk root

4 現(xiàn)場安裝與實(shí)驗(yàn)

4.1 安裝感應(yīng)電路板和發(fā)射器

在生產(chǎn)實(shí)際中通過觀察發(fā)現(xiàn)，在柱塞泵的盤根刺漏的初中期，刺漏的水會與柱塞呈一定的夾角噴出，盤根刺漏量越大，夾角越大、刺出的距離越遠(yuǎn)。這就需要在泵體上選擇一個(gè)最佳的位置安裝感應(yīng)電路板，以便能夠及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測到盤根的刺漏。經(jīng)選擇感應(yīng)電路板安裝在柱塞連桿上端的油封上端最合適，這里也是盤根刺漏后容易引發(fā)減速箱進(jìn)水造成機(jī)油乳化的路徑。通過設(shè)計(jì)一個(gè)專用插槽，將感應(yīng)電路板裝入卡槽內(nèi)，在插槽的背面粘有磁鐵，通過磁鐵將卡槽和柱塞泵吸附在一起，便于安裝與拆卸。感應(yīng)電路板的接線柱與無線信號發(fā)射器進(jìn)行線路連接，信號發(fā)射器則安放于減速箱表面上。考慮到油田柱塞泵多為五柱塞，因此設(shè)計(jì)了2種不同感應(yīng)板，一種規(guī)格為50cm長，一種規(guī)格為30cm長，可分別放置于2個(gè)水槽內(nèi)，其中任何一個(gè)感應(yīng)電路板被盤根刺漏的水導(dǎo)通電路后都能激發(fā)無線信號發(fā)射器發(fā)出信號。

4.2 安裝接收終端

將值班室的報(bào)警器與一個(gè)無線信號接收器相連，信號接收器取代報(bào)警器的開關(guān)，一旦信號接收器接收到特定的信號，報(bào)警器就發(fā)出聲音報(bào)警。同時(shí)在柱塞泵的控制電路中加裝一個(gè)控制開關(guān)，控制開關(guān)與另外一個(gè)無線信號接收器相連，一旦接收到信號即對柱塞泵進(jìn)行停泵操作。

4.3 方案優(yōu)化改進(jìn)

通過實(shí)驗(yàn)以及與現(xiàn)場員工的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)這一套自動化設(shè)備存在2個(gè)問題。一是監(jiān)控設(shè)備在監(jiān)測到盤根刺漏后就立即停泵并報(bào)警，也就是說報(bào)警和停泵操作是同時(shí)的，當(dāng)值班人員在值班室接收到報(bào)警信號時(shí)柱塞泵已經(jīng)自動停了，于是值班人員無法知道是哪一個(gè)盤根刺漏了、盤根刺漏的程度怎么樣、當(dāng)前的盤根刺漏程度是否需要立即停泵維修等。二是按照柱塞泵的操作規(guī)程，正常情況下停泵，應(yīng)先對管線進(jìn)行泄壓操作，然后再停泵，以防高壓水在泵內(nèi)突然停止流動，會對泵內(nèi)零部件造成損傷。目前的監(jiān)控設(shè)備在未泄壓狀態(tài)下進(jìn)行停泵，長時(shí)間會對泵造成損傷，因此需要改進(jìn)。

為解決以上問題，我們將報(bào)警和停泵分成2個(gè)操作，先報(bào)警后停泵，中間有個(gè)時(shí)間差供值班人員前去落實(shí)情況。改進(jìn)措施為：在停泵控制回路前加裝一個(gè)時(shí)間繼電器，通過設(shè)置繼電器時(shí)間，一般為3～5min，即可實(shí)現(xiàn)停泵回路接收到信號后3～5min再停泵。同時(shí)對停泵回路中的無線信號接收器進(jìn)行改進(jìn)，在上面加裝一個(gè)復(fù)位按鈕。當(dāng)值班人員趕赴現(xiàn)場后，可以先按下復(fù)位按鈕，使泵的停泵回路工作中斷，不再發(fā)生自動停泵，將停泵操作完全由人工實(shí)現(xiàn)。如果因值班室無人趕赴現(xiàn)場處理，則時(shí)間繼電器會接通停泵回路，使泵自停，防止盤根刺漏事態(tài)擴(kuò)大。

改進(jìn)后的安全監(jiān)控設(shè)備使用流程如下；當(dāng)盤根刺漏報(bào)警后，員工應(yīng)到達(dá)現(xiàn)場，按下復(fù)位按鈕，防止停泵回路自行停泵；員工按正常操作規(guī)程進(jìn)行流程泄壓操作，然后手動停泵。如果3～5min內(nèi)無人前去柱塞泵房，則時(shí)間繼電器持續(xù)工作，觸發(fā)停泵回路，使泵自停。通過上述改進(jìn)減少了自動停泵概率，即減少了因自動停泵造成的管線未泄壓可能帶來的流程設(shè)施損壞。同時(shí)也使員工有足夠時(shí)間對現(xiàn)場進(jìn)行觀察和判斷，選擇采取正確的處理方案。

5 效果評估

該套柱塞泵安全監(jiān)控裝置于2017年在冀東油田L(fēng)36注水站的4個(gè)五柱塞柱塞泵上實(shí)驗(yàn)近1年來，實(shí)驗(yàn)效果良好，平均每個(gè)月發(fā)生報(bào)警停泵12次，1年多來，柱塞泵未出現(xiàn)減速箱機(jī)油乳化和其他電器故障，同時(shí)也降低了員工的巡檢勞動強(qiáng)度，目前已經(jīng)從原先的2小時(shí)1次巡檢制度改為4小時(shí)1次。

該套安全監(jiān)控裝置成本低，全套設(shè)備僅需要150元，由于采用了磁性安裝架和無線發(fā)送與接收裝置，安裝與拆卸方便，由于注水站內(nèi)各臺柱塞泵需要定期更換使用，因此該裝置可隨時(shí)根據(jù)需要拆裝，減少了全站采購成本。

6 結(jié)論

柱塞泵盤根刺漏安全監(jiān)控裝置的研發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)行設(shè)備的動態(tài)安全監(jiān)控；提高了設(shè)備的安全性；大大降低了員工的勞動強(qiáng)度。

當(dāng)前在各生產(chǎn)部門仍然有大量運(yùn)行的設(shè)備需要人工巡查，面對勞動力成本不斷上升和安全管理要求不斷提高的難題，通過本文實(shí)例的推廣，建議其他部門崗位員工，結(jié)合實(shí)際自行組織研究兼具經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、創(chuàng)新的自動化監(jiān)控技術(shù)。