1失效形式分析

1.1使用情况

柱塞、盘根、阀组等是柱塞式注水泵中的主要易损件，它们直接影响着注水泵的性能。通常情况下，易损件本身制造成本较低，但其失效后对整个注水泵组的正常运行所带来的影响非常大。通过现场调研和数据监测，对柱塞泵易损件的使用情况进行跟踪统计，如表1所示。

表1 柱塞式注水泵易损件使用情况

1.2失效形式

1.2.1柱塞

柱塞断裂（如图1ａ）；柱塞表面拉伤（如图1ｂ）；柱塞表面镀层（喷焊层）脱落、脱皮（如图1C）；柱塞表面腐蚀（如图1ｄ）。

图1　柱塞失效形式

1.2.2　盘根

盘根磨损（如图2ａ）；盘根塑性变形（如图2ｂ）；盘根烧结、碳化（如图2C）。

图2　盘根失效形式

1.2.3　阀组件

阀芯、阀板及阀座（表面）磨损、刺槽。

2　失效原因分析

2.1　介质对易损件使用寿命的影响

为了合理利用资源，减少污水对环境的污染，将采出水直接回注。但由于水中含有大量氧、硫、磷、硫化氢、氯离子等强腐蚀物质，柱塞长期工作在这种环境下，逐渐形成许多肉眼无法看到的沟槽和蚀点，形成了许多微小水道，同时对盘根、阀体增加了腐蚀和磨损。此外，注入介质采出水中含有砂粒，颗粒磨损现象的出现，导致盘根、柱塞拉伤；阀组件的早期磨损，导致密封失效，产生泄漏。一些微小砂粒容易进入盘根与柱塞缝隙，或镶嵌在盘根中，会造成柱塞磨损加剧，反过来，柱塞的不正常拉毛，又会造成盘根的磨损，导致早期磨损密封失效，产生漏水；阀板、阀座在关闭的时候，磕碰砂粒（因为砂粒的硬度基本上在70ＨＲC以上），会造成点坑，引起刺漏，阀板、阀座密封失效，寿命大幅度降低。以往复泵冲次250Mｉｎ^－1为例，1ｄ阀启闭达到36万次，所以如果介质含砂粒等硬颗粒，对阀组的损害非常大。

2.2　零部件制造质量对易损件质量的影响

2.2.1　柱塞制造质量的影响

（1）柱塞表面的硬质合金层的硬度及喷焊层厚度不够，表面硬度低于55ＨＲC的柱塞约占50％，喷焊硬质合金层厚度在0.20MM以下的柱塞约占60％。（2）柱塞的金相显微组织疏松，有针孔，不能形成奥氏体基体上分布碳化物和硼化物硬质相的组织结构。柱塞表面硬度及喷焊层厚度不够是柱塞耐磨性、耐蚀性差的重要原因。（3）柱塞表面硬质合金层结合强度不够，在柱塞的工作过程中，容易造成柱塞表面脱皮，合金层脱落，影响柱塞的使用寿命。

（4）部分厂家提供的柱塞未对柱塞端面进行防腐处理，造成柱塞的耐腐蚀性差。

2.2.2盘根制造质量的影响

（1）盘根制造材料成分不符合要求，未按照注入介质的腐蚀性来确定盘根的成分，造成盘根的耐腐蚀性差。（2）盘根内部疏松、编织不紧密是造成盘根不耐用的原因之一。（3）选用盘根型号不对，未根据压力等级正确选用，导致盘根使用寿命缩短。

2.2.3阀组制造质量的影响

（1）选用材料不当，阀组件的材质耐腐蚀性能差，因腐蚀造成密封失效。油田采油厂各站点的采出水的腐蚀性较强，腐蚀性离子的种类又存在着差异，部分阀组件供应厂家未对现场工况的腐蚀性能进行分析，对形成阀组件的腐蚀机理不清楚，造成选材不当。（2）阀芯、阀座、阀板的表面粗糙度不合格，密封不严，造成阀组件的破坏。（3）阀弹簧的加工及热处理不规范，造成阀弹簧断裂等。（4）阀密封面硬度不够，造成阀组件寿命降低。

2.3加工、装配对易损件寿命的影响

加工要保证配合圆柱体间的同轴度（如中间杆和柱塞、十字头与中间杆），两零件连接端面的垂直度，如果一个零件相关联尺寸形位公差达不到要求，就会造成两连接件不同轴、不垂直导致偏磨，造成密封失效。柱塞组件常规密封是柱塞前后各有1个导向套，中间为碳铅密封或芳纶密封，盘根数量一般不少于6个。这种组合方式，会造成靠近调节螺母的几个盘根变形过大，造成盘根寿命较短，不同的组合方式对易损件寿命影响较大。盘根装配的好坏直接影响易损件的使用寿命。盘根应逐个装配，而且通过专用工具应逐个压紧，保证盘根受力均匀，盘根的缺口应错开120°安装。初始预紧力也对易损件寿命有影响，初始预紧力过大会使柱塞和盘根摩擦加剧，温升过高，加快失效。

2.4十字头下沉对易损件寿命的影响

由于十字头孔下部的磨损，导致十字头下沉，会导致十字头中心线与导轨孔中心线不同轴，而密封函体盘根孔是与导轨孔中心线同轴，这样会造成柱塞与密封盘根孔不同轴，造成柱塞与盘根不同轴，偏磨，直接影响到盘根、柱塞等易损件的使用寿命。

2.5运行维护的影响

盘根与柱塞间的微泄漏是允许的，泄漏量超过标准要求，要及时紧盘根，如果不紧，随着泄漏量的增加，会造成高压刺漏，盘根很快受损失效。阀座或阀板密封不严，如果不处理，阀座与阀板间就会造成刺漏，最后阀板与阀座损坏，无法修复，降低了使用寿命。

3提高易损件寿命的措施

3.1针对性做好易损件防腐处理

油田注水泵实际注水压力一般都超过16MPａ，随着压力升高，柱塞的磨损和腐蚀加剧，从而加快柱塞的损坏。采出水矿化度极高，影响腐蚀因素较多，厂家应针对性地做好柱塞喷涂表面的防腐、耐磨等特殊处理，应进行喷涂耐磨强化，增加喷涂合金材料，严格控制喷涂工艺，保证涂层与母材的结合强度，应满足Q／SYCQ3452—2012之规定。

3.2正确选择阀组材料和结构

3.2.1阀组材料

阀组材料选择既要满足防腐蚀的需要，也要满足硬度、强度的需要，这些条件都和输送介质、排出压力有关。（1）输送介质是清水或油田污水（一般性腐蚀）、不含砂时，泵阀材质选用2Cｒ13、3Cｒ13，阀板为尼龙、聚甲醛、改性工程塑料。（2）输送介质矿化度高（含氯离子等腐蚀性很强）、不含砂时，泵阀材质选用304／Ｎｉ60、316／Ｎｉ60、17－4PＨ、沉淀硬化型不锈钢，非金属阀板、阀芯。（3）输送介质含颗粒、含砂时，泵阀材质选用316／ＷC（硬质合金），阀板、阀芯为非金属改性聚合材料。且泵进口汇管处一定要加装过滤器，过滤器的目数既要保证过滤效果，也要确保足够的流通面积，以保证流量。

3.2.2根据不同工况选择组合阀

阀组应根据介质、压力等参数选择不同结构。介质中含砂时，颗粒垫阀造成密封不严引发加砂射流，使阀面因冲刷形成沟槽而过早失效。这与不含颗粒的清水或油田处理水引起 的阀面损坏是不同的，因此需要从结构和材料进行综合分析。（1）　泵的工作压力≤15MPａ，且输送介质不含砂（清水或油田污水），阀组结构选择立式组合阀、锥形平板阀。（2）泵的工作压力＞15MPａ，且输送介质不含砂（清水或油田污水），阀组结构选择卧式组合阀、双流道组合阀。

3.3　选择合适的盘根材料和组合方式

提高盘根使用寿命不仅要考虑盘根材料，还需采取盘根合理的组合方式，才能提高盘根的使用寿命。一般在10～15 MPａ应选用碳纤密封；15～20MPａ应选用碳纤维含油盘根；20 MPａ以上应选用芳纶盘根。

3.4　正确选择柱塞的材料和结构

3.4.1　材料和表面加工工艺（1）在不含颗粒污水和清水介质中，选用改性陶瓷烧结工艺或等离子喷涂／喷焊金属增韧陶瓷柱塞。（2）在含颗粒污水介质中，选用喷焊Ｎｉ60／ＷC复合金属涂层柱塞或镍錋合金。

3.4.2连接结构.现在大多数泵的十字头、中间杆、柱塞之间都是硬连接，一旦十字头下沉，这此零部件与盘根孔将不同心，这是造成柱塞、盘根损坏的主要原因。即使十字头孔装了滑板，调整十字头与柱塞的同心度也很难。应在十字头与中间杆之间，或中间杆与柱塞之间采用可调连接，即允许十字头与中间杆之间，或中间杆与柱塞之间有适当的偏角，以弥补十字头下沉造成的偏心。

参考文献：

[1]Q／SYCQ3452—2012，往复式注水泵技术规范［S］.西安：油田公司，2017.

[2]油田注水泵节能降耗技术研究[J]. 赵玉杰.全面腐蚀控制. 2019(12)

[3]注水泵常见故障分析及排除[J]. 薛强.当代化工研究. 2018(09)

[4]萨北油田注水泵经济运行措施分析[J]. 王燕,赵阳,赵刚.设备管理与维修. 2017(15)

[5]变频调速技术在注水泵节能降耗工作中的应用[J]. 朱益飞.变频器世界. 2017 (02)