五柱塞泵柱塞涂層失效分析及改進方法

榮延成　馬軍　張德軍

摘 要：五柱塞泵是應用繁多的采油設(shè)備其中重要的一個裝置，尤其在油氣進入中后期開采，出水量增大的情況下，五柱塞泵更加起到舉足輕重的作用。但是，五柱塞泵受到使用環(huán)境的影響較大，地下工業(yè)廢水長時間的腐蝕，長期機械性磨損等原因，柱塞的涂層會發(fā)生脫皮現(xiàn)象，沒有涂層保護的五柱塞泵，故障頻發(fā)，使用壽命明顯降低，給企業(yè)造成不小的經(jīng)濟損失，為此，本文針對這一現(xiàn)象，詳細的分析柱塞涂層在使用中失效的原因，并就這些原因?qū)Ρ玫闹繉佑枰詢?yōu)化改進，延長其使用期限，達到設(shè)備一直能穩(wěn)定良好運行的目的。

關(guān)鍵詞：五柱塞泵;柱塞涂層;失效分析;注水;優(yōu)化

0 前言

國內(nèi)油氣田開發(fā)進入中后期，聯(lián)合站及各類計量站生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，工業(yè)廢水環(huán)境危害大，生產(chǎn)單位環(huán)保壓力高，地層水回注是目前采用較為廣泛的做法，由于工業(yè)廢水腐蝕性強，需要通過高壓注水設(shè)備增壓后注入地下，注水增壓設(shè)備根據(jù)地區(qū)不同，采用柱塞式注水泵和高壓離心泵進行增壓，本文就柱塞式注水泵使用過程中，核心部件由于柱塞涂層脫皮，導致注水泵曲軸箱潤滑油污染導致設(shè)備停運進行分析。

1 五柱塞泵工作原理

五柱塞泵屬于注水液壓系統(tǒng)的一個重要裝置（圖1），它依靠柱塞在缸體內(nèi)反復運動，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來實現(xiàn)吸液和注液，軸向柱塞泵一般都由缸體、配流盤、柱塞和斜盤等主要部件組成，缸體內(nèi)有五個柱塞，各柱塞是軸向排列的，即柱塞的中心線平行于轉(zhuǎn)動軸的軸線，當電動機帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)時，泵缸與柱塞一同旋轉(zhuǎn)，柱塞頭永遠保持與斜盤接觸，因斜盤與缸體成一角度，因此缸體旋轉(zhuǎn)時，柱塞就在泵缸中做往復運動，以一柱塞為例，它從0°轉(zhuǎn)到180°，即轉(zhuǎn)到上面柱塞的位置時，柱塞缸容積逐漸增大，因此液體經(jīng)配流盤的吸液口吸入液缸，而該柱塞由180°轉(zhuǎn)到360°時，柱塞缸容積逐漸減小，因此液缸內(nèi)液體經(jīng)配流盤的出口排出來，只要轉(zhuǎn)動軸不斷旋轉(zhuǎn)，泵就不停的工作，改變傾斜元件的角度，就可以改變柱塞在泵缸內(nèi)行程的長度。

2 五柱塞泵柱塞運行的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)

油氣田基層站隊注水單元核心設(shè)備注水泵通過設(shè)備更新改造，更換為5柱塞式注水泵，注水泵設(shè)計壓力為28MPa，注水流量65m3/h，柱塞直徑為80mm，按照一般柱塞分類標準，該注水泵使用的柱塞柱塞分類（L>3×D），此柱塞體為細長柱塞。

該柱塞泵設(shè)計采用變頻啟動和流量調(diào)節(jié)，注水量在29～59m3/h之間波動，出口壓力維持在10～11MPa之間，累計運行達1700h，運行至984h，編號為1#的柱塞涂層破損脫皮，根據(jù)涂層的磨損情況，該涂層磨損后的厚度為0.65mm，破損面積為150*60mm，根據(jù)更換的新柱塞涂層進行換算，該電涂層為0.70mm，由于涂層結(jié)合面粘接強度低，涂層表層剛度低，具體表象為涂層軟更換的柱塞涂層損傷較為嚴重，

3 柱塞涂層使用失效原因分析

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，綜合分析有以下幾個方面原因：柱塞表面涂層磨損后間隙超差的原因之一，是注入的液壓油的清潔度不符合標準，導致早期磨損。原因之二，柱塞表層涂層硬度未達到。原因之三，柱塞體圓柱表面粗糙度不夠。原因之四柱塞填料硬度大于柱塞表面涂層。原因之五就是涂層工藝參數(shù)不符合設(shè)計要求，導致涂層粘接強度不足，同時涂層硬度下降。

①該注水泵柱塞表面潤滑油采用高差注入到柱塞表面，確保密封填料和柱塞之間的潤滑達到清潔柱塞表面和降低填料磨損速率潤滑油采取三級過濾注入，排除注入過程的二次污染;

②潤滑油吸入水份或混入空氣，致使?jié)櫥统赡つ芰Υ蟠鬁p低，柱塞在缸體里高速往復運動時，油膜附著力差，導致磨損或柱塞變色，根據(jù)已拆除的柱塞看柱塞表層未變色，運行時間在984h以上更換柱塞，排除柱塞注入過程的空氣和水分造成的影響;

③目前柱塞采取的涂硬鉻是一種傳統(tǒng)的表面電涂技術(shù)，已經(jīng)應用長達70多年。具有涂鉻層硬度高、耐磨、耐蝕;

④由于傳統(tǒng)熱噴涂焊硬鉻，涂層表面制造過程存在微裂紋，甚至不可避免產(chǎn)生穿透性裂紋，導致腐蝕介質(zhì)從表面滲透至界面而腐蝕柱塞體，造成涂層表面出現(xiàn)銹斑甚至剝落，在已拆除的柱塞看完全吻合;

⑤傳統(tǒng)的熱噴焊工藝，涂層沉積速度慢，綜合考慮柱塞的經(jīng)濟性，涂層一般會采取涂20～30絲厚的涂層。

綜合以上情況，柱塞使用失效原因分析：原因之一看存在噴涂工藝參數(shù)選擇不合理，導致涂層粘接強度不足，出現(xiàn)銹蝕和剝離;原因之二是柱塞涂層厚度過大，表面強度較低;原因之三柱塞體材質(zhì)選擇不當涂鉻層附著力差;原因之四水質(zhì)硬度大;由于該區(qū)塊的水質(zhì)礦化度為2.259×105，且鈣離子9.536×103mg/L，鎂離子含量8.358×103mg/L，水質(zhì)出現(xiàn)結(jié)晶體導致柱塞表面磨損加快。

4 五柱塞泵柱塞涂層的優(yōu)化

因此與制造單位結(jié)合后，對五柱塞泵采取了以下幾項優(yōu)化措施：①優(yōu)化柱塞體表面涂層噴涂工藝，采用熱噴焊接工藝提高涂層強度;②采取40#鋼加表面30～40絲涂鉻層，經(jīng)過磨削加工后，涂層厚度20～30絲，涂層與柱塞結(jié)合度良好;③由于涂層只有原設(shè)計的40%，柱塞加工成本只有原設(shè)計的70%，表面結(jié)合較好;④解決基材與涂層之間膨脹系數(shù)差導致的脫層;⑤提供注水泵運行中的維護質(zhì)量，做好柱塞與連桿之間防松工作。

5 日常使用與維護保養(yǎng)

機器的日常維護和保養(yǎng)也是非常重要的，這其中有三點需要特別注意一下：第一，當行程較大時，流體進入放電室內(nèi)部會產(chǎn)生回流和渦流，會引起泵頭本體振動，長時間作用會損壞放電室內(nèi)壁。第二，閥門和閥座的間隙近似為微孔，閥門底角處的最大速度非常大，密封圈易撕裂，導致泄漏，特別是當行程為299轉(zhuǎn)/分時，液壓油平均速度過大，這會導致腔體被侵蝕。第三，在維修需要更換零件時，應盡量使用原廠生產(chǎn)的零件，雖然這些零件可能比其他仿造零件價格貴，但是質(zhì)量和穩(wěn)定性好，便宜的仿造零件短期內(nèi)節(jié)省了費用，但存在一定的風險隱患，將來可能對柱塞泵的使用造成更大的危害。

6 結(jié)語

根據(jù)以上情況分析和優(yōu)化，目前試制5根柱塞已投入運行，效果良好。柱塞泵使用壽命的長短，與平時的維護保養(yǎng)有很大的關(guān)系，泵體涂層的有效保護，也是延長柱塞泵使用壽命的有效途徑之一。隨著柱塞泵的發(fā)展，逐步實現(xiàn)自動化控制，自動識別運行狀態(tài)，這種調(diào)節(jié)方式最大優(yōu)點就是能降低柱塞泵的運行能耗，節(jié)電效果可達30%以上，節(jié)省能耗，節(jié)約成本，無疑是對企業(yè)的發(fā)展最大的裨益。

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