注水泵管线震动大的原因及处理

注水泵管线震动大的原因及处理

李强

胜利油田分公司 现河采油厂现河庄陈官采油管理区河 50注采站 山东东营 257000

摘要：注水泵进出口管线的振动，是困扰油田的正常注水的一个重要问题，造成注水泵进出口管线频繁破裂，维修工作繁重，制约了油田的正常生产，增加了生产运行费用。本文主要分析了解决注水泵管线振动的必要性，阐述了注水泵的振动原理，并通过震动测试分析了注水泵管线震动的原因，并采取了相应的减震措施，通过减小或消除注水泵系统的振幅、避开共振动管长、合理布置管道和设置、在进口侧采用双进口供液、加装软连接、加装离心式灌注泵以及在出口侧加装蓄能器、加装金属波纹软管、加强管理等措施，达到减小振动的目的，确保供、注系统运行平稳。

关键词：注水泵；管线；振动；处理

作为提高原油生产量和生产效率的有效方式，注水采油是油田采油生产的关键环节之一，对于维持油井的稳定生产起着至关重要的作用。注水系统的安全稳定运行直接影响到生产的安全、采油的质量和效率。因此，对于油田注水系统中必不可少的设施之一的注水泵管线系统，保证其性能的稳定与运行的安全也就有着非常重大的工程意义。
1解决注水泵管线振动的必要性

管线的强烈振动将使管线的结构及其元件产生疲劳破坏、连接部位发生松动和破裂、动力设备的寿命降低、管路系统的测量仪表失真甚至损毁等情况。因此，油田注水泵及其管线系统的振动不仅存在重大的安全隐患，还会严重影响注水时率。治理好管线振动，保证管线系统安全稳定地运行，对提高采油效率及质量都有重要的意义。

2注水泵管线振动大的原因解析

2.1管线振动机理

管线内流体的压力脉动产生的激振力是管线振动的主要外力之一。由于活塞式压缩机、往复泵等管道系统中的动力机具有间歇性、周期性吸、排量的特点，将使管流产生脉动。处于脉动状态的管内流体，在遇到弯管头、异径管、盲板等管道元件时，将产生一定的随时间而变化的激振力，在这种激振力的作用下，管道及其附属设备也开始产生振动。管线两端分别与主动机的出入口、容器、阀门或孔板等设备或装置相连结。管道及其支承架和与之相连接的各种设备或装置构成一个复杂的机械结构系统，在有激振力的情况下，这个系统就要产生振动。从力学的角度看，管道系统的振动是一类特殊的机械运动。管线结构在激振力的作用下，呈现复杂的振动状态。当管线流体压力脉动的频率与机械结构的固有频率相重合时，将会产生机械共振，此时管线发生剧烈的振动。

目前，油田注水用的泵大部分是柱塞泵，从泵的性能曲线上分析出口瞬时流量曲线呈波纹形态，存在流量波动，造成注水泵在运行时管线内液体流量不均匀，流量不均度也反映了压力波动情况。由于曲柄连杆往复泵流量是瞬变的，管线内液流始终是受到冲击和震荡，在此前提下，排量的瞬变，形成排出系统与吸入系统的压力脉动；活塞（或柱塞）加速度是瞬变的，形成吸入系统惯性损失的瞬变，从而引起系统的压力波动也是瞬变的。这就导致进出口在轴向和径向产生周期性位移，造成泵进出口管线振动。

2.2震动测试

分别对柱塞泵、机座、入口管线、出口管线和核心原件等进行了不同运行状态下的振动测试和不同频率下的振动测试。结果发现：机泵开启和停机状态对系统管网振动的影响不大，无异常振动产生；频率从28Hz变化至32Hz再变化至35Hz时，振动烈度逐渐增强。得出的结论是：(1)动力端振动稳定，液力端振动较为强烈，主要受到腔内液体影响。(2)管线水平方向振动较为强烈。(3)造成柱塞泵振动的主要原因为振动频率中的高频成分。该成分由注入介质流动状态引起，初步判断管道上的转折点、管线的变径、管径等是其主要因素。(4)屡次改造均无法根治振动的根本原因在于改造集中在被动减振技术，未考虑系统的谐振特点。

3管线减震措施

从设备振动的原因、特征及传播等方面考虑，控制振动主要有以下几个方法。

3.1减小或消除注水泵系统的振幅

改善注水泵系统的平衡性能（调节电机和泵底座平衡度，平衡柱塞质量，加固基础和地脚螺栓，调节注水泵传动系统“四点一线”平衡），提高机械设备的平衡。如果注水泵进出口管线裸露在管沟中，管线振幅较大，需要用“三七”灰土进行填埋夯实，施工之前先在进出口管线上安装减震阻尼钢板，再进行填埋，能够有效的吸收和减小振动。

3.2避开共振动管长，合理布置管道和设置

支撑架柱塞泵的压能取决于管路阻力。若管路存在过多的弯头、拐角、阀门等，将造成阻力加大并使液体在某一局部呈现无序状态，产生冲击引起振动。正常情况下，介质在直管处的运动为层流，比较有规律，通过有阻力部件时，液流内部呈紊流状态，产生脉动冲击引起振动。因此，对泵站管路进行技术改造，优化流程，采用尽量使用直管段，降低弯管段。大可改善管路引发的振动。
3.3进口侧减震措施

3.3.1采用双进口供液

柱塞泵吸入的瞬时流量是脉动的。若将柱塞泵进口侧由单进口供液改造为双进口供液，则柱塞泵吸入的瞬时流量脉动减半，吸入条件改善。经现场测试，取得了一定的效果。

3.3.2加装软连接

柱塞泵吸入的瞬时流量脉动是固有特性。若在柱塞泵进口侧加装软连接，则进口侧管线与柱塞泵本体隔离，瞬时流量脉动引起的进口侧管线振动减小。经现场测试，也取得了一定的效果。

3.3.3加装离心式灌注泵

通常情况下，液体在大气压作用下是能保证正常吸入的。如有特殊需要，如吸入管线较长、阀件较多。或在高原地区，则可采用离心泵进行灌注。一方面改善了吸入侧供液不足，另一方面还消除了吸入侧瞬时流量脉动，柱塞泵进口侧获得了比较平稳的液流，从而有效减小了压力脉动和管线振动。

3.4出口侧减震措施

3.4.1在出口侧加装蓄能器

加装囊式蓄能器。蓄能器工作原理。蓄能器是一个内部充进一定压力氮气或空气的密闭容器，基本功能是利用气体的可压缩性，随着吸入压力和排出压力的变化，自动地向泵（吸入时）或排出管（排出时）供给液体，或者贮存一部分来自吸入管（吸入时）或泵（排出时）的液体，使吸入总管内或排出总管内液流均匀，惯性力减小，从而减小压力脉动。蓄能器气囊内预压力的确定。合理确定蓄能器气囊内的预压力（蓄能器未工作时气囊内的气体压力）是消除三柱塞泵系统管线振动的根源。从实际使用经验来看，排出蓄能器的预压力大约是极限压力的60％；吸入蓄能器的预压力大约是吸入法兰处（即进口压力表安装处）平均压力的80％。

3.4.2在出口侧加装金属波纹软管

柱塞泵出口侧加装囊式蓄能器后，排出压力的脉动幅度大大减小，剩余的压力脉动则直接作用到系统管线上，系统管线长期处在振动环境中，就会产生疲劳应力，导致系统管线出现裂纹。为了避免压力脉动直接作用于系统管线上，可以在出口侧系统管线上加装金属波纹软管来消除压力脉动，从而达到减振的目的。经现场测试，也取得了一定的效果。

3.5加强管理，确保供、注系统运行平稳

要求严格落实注水泵维修、保养规定，定期对注水泵运行工况进行检查，及时更换注水泵附件。根据注水量要求，摸索启喂水泵台数与回流阀门开启程度，实现供注平衡。加密对管网固定情况的检查，发现松动及时紧固；发现损坏的卡子要及时给予更换，确保管网固定有效。

4结束语

注水泵是油田的重要采油注水设备,注水泵性能的好坏直接影响了采油注水的正常进行。为了保障注水泵能正常运行,就必须时刻保证注水泵的安全工作，通过一系列措施减小注水泵管线的震动，同时在生产运行中使用有效的设备运行管理制度,及时对出现的问题实施应对措施,才能保证注水泵的长期运行稳定以及油田开采工作的正常开展。

参考文献：

[1]闫祥安，郑炜．往复泵输液管道结构振动有限元法分析[J]．机械工程学报，1999．
[2]钱学军，梁红．往复泵排出管线压力脉动理论研究与实验对比分析[J]．机械研究与应用，2005．