海上油氣田大功率注水泵設計及示范應用策略

李經緯，史云龍，許光偉

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津300450)

0 引言

注水泵是幫助實現海上油田注水、采油的關鍵性設備。海上油氣田與現有油田開發(fā)方式在不斷的調整，中心平臺注水量的增加使大功率注水泵便成為其中的關鍵設備，需求量在極速增加。目前海上油田開發(fā)項目的油氣產量有91%為注水開發(fā)，該種開發(fā)形式讓石油開采量穩(wěn)定且持續(xù)。大功率注水泵制造工藝較為細致、技術含量極高、制造難度較大，所以長期被外國廠商壟斷式生產，進口價高達千萬元。本文通過對國內某海上油田項目對國產化大功率注水泵的水力模型、性能、使用風險及應對措施等進行詳細的可行性分析，并對國產化大功率注水泵的示范應用策略進行相應的探討[1]。

1 注水泵總體方案

1.1 泵型和結構的確定

文章所講述的注水泵結構形式以BB3型為主。該種泵型主要運用在石油化工和天然氣工業(yè)領域，泵殼體采用了水平中開軸向剖分的設計形式，泵體下方為水管道。該種設計方式能夠在維修更換部件過程中不對管線和驅動機進行拆卸便可完成，在海上平臺應用極為便捷，其結構優(yōu)勢有：(1)注水泵整體結構所采用的是6級轉子，首級葉輪為雙吸葉輪，該種設計可以降低泵體汽蝕的余量，讓整體結構的汽蝕性能得到有效的提升；(2)雙渦殼流道能夠讓徑向力通過雙吐出流道實現平衡狀態(tài)，葉輪使用背靠背的布置形式可以讓其實現自平衡；(3)葉輪與軸的配合可以對卡環(huán)進行單獨的定位處理，殼體級間使用螺旋短流道完成過渡，可減小泵體軸向的整體尺寸，讓整體結構更加的緊湊，從而讓泵軸承的跨距能夠有效減小，提升泵運行穩(wěn)定性；(4)徑向使用滑動軸承，并以平面止推力軸承對軸向進行有效控制，再使用強制潤滑來提升軸承的使用年限；(5)高壓端通過設置平衡室與低壓端用平衡管進行有效連接，可以使高壓端密封腔壓力實現有效的降低；(6)機械密封所使用的管式為用集裝波紋，通過選擇PLAN 11自沖洗的潤滑冷卻方案來實現首級葉輪渦室取水[2]。

1.2 計算流體動力學流場分析

結合雙精度計算方法及有限體積法離散控制方程，并選擇使用分離式的求解器對流動定常進行假定處理，然后選擇PNGK-ε的湍流模型。同時，需要分析彎曲壁面對流動所產生的具體影響，然后通過選擇標準壁面函數對近壁區(qū)域發(fā)展非充分的湍流流動情況進行有效處理，使用SIMPLEC算法對壓力和速度的耦合進行相應的計算。二階中心差分格式可以對擴散項離散進行計算。二階迎風格式可用于流頂、湍動能、耗散率運輸方程的計算?？刂品匠掏ㄟ^使用二階離散格式能夠有效地降低數值計算截斷誤差對實際數額所產生的影響，讓計算流體動力學的結果更加精確。

1.3 有限元強度分析

為了加強注水泵應變分析的有效性，可以通過使用靜態(tài)有限元分析方式進行強度分析，并以此為基礎對泵體和泵蓋進行建模處理。通過使用ANSYS軟件對模型網格進行自動劃分，并對泵體螺栓孔等部分進行有效的簡化處理，但前提是不能對計算結果產生影響。在進行網格劃分過程中，單元類型作屬于中節(jié)點的四面體，其中整個模型中所包含的單元四面體有50.5萬個，節(jié)點有78.6萬個。通過使用ANSYS軟件對注水泵的泵體應力形變情況進行具體的校核分析，然后通過對工況加載壓力載荷和管口載荷進行計算，對三種工況進行了考慮：正常工作時，泵體最大應力應當處于134.2 MPa，泵體最大總變形應當保持在0.114 mm，法蘭最大軸向變形需要保持在0.024 mm；若是疊加三倍標準管口荷載之后的泵體最大應力需要保持在不變的狀態(tài)，其最大形變保持在0.2 mm，法蘭最大軸向變形需要保持在0.11 mm以內；根據最大允許工作壓力校核泵體強度是需要保持在12.5 MPa，此時泵體的總形變最大需要保持在0.4 mm，各級口環(huán)徑的變形程度為0.008～0.065 mm，此時泵體最大應力可以保持在276.7 MPa，此時泵體強度為材料屈服強度的23倍之內。本文所介紹的大功率注水泵在工作過程中可以達到的最大工作壓力為12.5 MPa，在該壓力下其運行能夠保持安全穩(wěn)定[3]。

1.4 水力性能分析及驗證

文章所研究的注水泵定型參數經過出廠集成測試，并對水力性能的達標程度進行了相應的驗證，能夠滿足大功率注水泵的使用要求。其中，額定工況點泵效保持在80%以內，其中震動、噪音、軸承溫度等經過檢測之后都能夠完全滿足具體使用要求。對關鍵性能參數進行對比之后證明，國產化大功率注水泵的運行水平已經可以完全和進口品牌大功率注水泵的運行效率相比擬[4]。

2 注水泵設計關鍵技術

2.1 注水泵材質優(yōu)選

該項目中所選用的注水介質為生產水。生產水是通過生產分離器所產生的，然后根據比例進行海水的添加。對該水質進行分析之后，水質中的Cl-含量達到了12935.11 mg/L。以往周邊平臺所使用的都是C-6材質的進口注水泵，為確保國產注水泵在使用過程中材質達到規(guī)定要求，A海上平臺項目所使用的是具有更高性能的D-1防腐等級材質。文章所提出的大功率注水泵需要配置相應的故障檢測系統(tǒng)，能夠在注水泵運行過程中對相關運行參數進行有效采集，并進行故障分析，讓國產注水泵能夠在項目運行過程中更好的發(fā)揮其實際功能。本文提出的大功率注水泵監(jiān)測點冗余設計比之前的注水泵項目增加30%以上，對箱體震動及油箱滑油液位、軸承溫度等都設置了相應的檢測點，能夠對整個泵體以圖形方式統(tǒng)計運行數據。信號界面可以通過LCP控制盤直接顯示，然后結合DCS系統(tǒng)通訊對注水泵的實際工作過程進行實時監(jiān)控，并通過對遠程數據傳送接口的有效預留來實現提升注水泵的工作能力。

2.2 液力耦合器調速

為了讓大功率注水泵能夠在海上平臺實現穩(wěn)定的運行，需要通過對液力耦合器進行調速，然后讓泵和電機在運行過程中共用滑油和滑油冷卻器，有效地節(jié)約泵體占據的空間。注水泵則需要選擇使用強制潤滑的形式，并將液力耦合器底殼直接當做油箱來為注水泵進行加油工作[5]。

3 大功率注水泵的示范應用策略探討

3.1 推進路線需要循序漸進

在使用國產化大功率注水泵的過程中需要合理控制風險。在運行過程中通過逐步推進的形式來實現完全替換進口大功率注水泵，讓國產注水泵能夠有足夠的時間在實際工作中完全勝任自身工作，并通過對其使用過程中存在的風險進行分析，比如對輸送介質、泄漏、震動、腐蝕、布置區(qū)域等存在的風險進行逐步分析。本文所舉例的項目主要的輸送介質為海水、生產水，危險性較小，所以能夠保持一定的安全性。安全防護也準備的較為充分，左側設置了防火墻，右側設置了電氣間，不需要設置相應的防爆電機，所以存在的風險也相對較低。輸送介質泄漏風險需主要對中分面刺漏的風險進行控制，但該風險不存在爆裂現象。通過在設計階段對泵殼流體和基座結構的設計能夠減少振動風險。

3.2 核心部件使用國產制造

在注水泵設計中使用國產核心部件能夠降低產品研制風險。本文所提出的注水泵設計要求必須要以API610最新版作為參照，嚴格根據該要求進行設計，所研制的產品在投入使用之前必須要通過第三方對其進行驗證，確保其在實際使用過程中的不會出現質量問題。通過對國外以及國內所生產的陸上BB3型離心泵進行對比分析，可經看到國內在大功率注水泵的研制上已經基本成熟，且能夠完全適應海上環(huán)境需要，在海上油氣田開采中完全可以達到相應的要求和標準。為了讓注水泵系統(tǒng)能夠在運用過程中更加可靠，需要將泵體的核心部分逐漸實現國產化，對于部分較為精細的零配件可以使用進口品牌，提升注水泵在實際工作中的有效性。液力耦合器、探測元器件等關鍵零部件需要實現國產化，以逐步擺脫核心部件對進口產品的依賴[6]。

3.3 重視集成測試方案，對售后維護策略進行明確

本文所提出的大功率注水泵所采取的技術為新技術，即力耦合調速。該技術比成橇注水泵集成測試能力的要求更高，不僅需要對其全速性能進行相應的測試，還需要對液力耦合器調速聯調，進行相應的試驗工作。在售后保修方面需要與廠家進行協(xié)商，取得最低三年的保修服務。且需要在投入使用前對注水泵的具體能力進行相應的試驗，確保注水泵在使用過程中能夠充分發(fā)揮自身的能力。

4 結語

國產化大功率注水泵已逐漸應用于海上工程項目中，且已經取得了較為優(yōu)異的成績。國產化大功率注水泵的使用有效地降低了注水泵設備購買的成本，打破了外國長期的壟斷式銷售，隨著維護后期本土化的跟進，未來國產化大功率注水泵有極大的發(fā)展空間，且能夠在我國今后的海上油田開采過程中持續(xù)地發(fā)揮其降本增效的能力。