浅析油田注水泵机组常见故障及诊断

浅析油田注水泵机组常见故障及诊断

胡浩

大庆油田采油九厂葡西作业区采油一队

摘要：随着我国老油田多已进入开发中后期，长时间开采导致地层供液不足，需要使用注水或注聚合物开发方式，以实现油井稳产、增产。注水泵机组是油田注水开发中重要的设备，其运行状态对油井产量影响较大。由于注水泵机组长时间、高负荷运转，容易出现各种故障，准确判断注水泵工作状态，及时发现及判断故障原因，以便开展及时的维修，缩短注水泵机组的维修时间，延长注水泵机组使用寿命，对于保障油田生产、提升油田经济效益具有重要意义。

关键词：注水泵机组；常见故障；诊断

1 前言

随着老油田持续开采，地层中流体不断被采出地面，导致地层压力下降，地层能量不足，使得油井产量下降，为了恢复生产、提高油井产量，必须向地层中补充能量，注水开发技术由此诞生。在注水开发过程中，注水泵是最重要的装备，目前在油田中常用离心式注水机组，其能够将水、聚合物等注入注入地层中，以此来提高储层压力，使油井恢复生产，达到稳产、高产的目。离心式注水机组通常由大型多级分段式离心泵和三相异步电动机组成由于注水泵长期处于高负荷运转，机组容易出现多种故障。一旦注水泵出现故障不能正常工作，可能导致机械采油动态平衡被打破，导致整个机采系统不能正常运转，影响油井生产^[1-2]。

注水泵组出现故障后，多以振动异常的形式表现出来，并且不同的故障类型，表现出的振动频率不同，要实现对注水泵机组工作状态的准确判断，需要的注水泵机组的振动状态进行监测，分析振动曲线特征，及时判断注水泵工作状态及预测可能出现的故障，准确判断故障点^[3]，以便开展及时的维修，避免出现严重的机组事故，缩短注水泵机组的维修时间，延长注水泵机组使用寿命，保障油田注水系统长时间、高效运转，降低注水泵机组维修成本，提升油井原油产量，提高油田经济效益，对油田可持续发展具有重要意义。

2 注水泵工作机理

油田注水过程中应用较为普遍的注水机组有高压离心式注水泵机组和高压柱塞泵机组，对于注水量较大，地层压力较高的油田，一般使用高压离心式注水泵。离心泵主要由叶轮、泵轴、泵壳、吸入口、排出口、单向底阀、滤网、调节阀等部件组成，当离心泵启动后，叶轮在泵轴的带动下进行高速的运转，使得罐体内的液体也发生高速旋转，在离心力作用下将液体由罐体中心向边缘甩，在叶轮作用下液体获得了运动的能量，流动速度加快，压力增大。。由于中心液体不断被甩向边缘，在罐体中部形成了低压区，在大气压作用下将液体吸入罐体内，通过叶轮的持续不断的高速转动，连续的将液体吸入和排出注水泵，达到将液体注入地层的目的。

油田使用的高压离心注水泵具有以下特点：①叶轮采用密闭式叶轮，水力效率高，通常输送的是清水；②液体均匀进入吸入室，能量损失最小；③压出室使用半螺旋结构，可以将流体聚拢后均匀的送至次级叶轮或者从排出口排出；④轴承密闭性好，使用机械封闭，使用寿命长，效率高，几乎可以达到完全不渗漏的效果，细微的渗漏都会影响泵效；⑤轴向力平衡机构使用平衡盘和平衡套组合，能够有效消除掉叶轮产生的轴向推力，从而减轻设备的磨损，延长使用寿命；⑥注水泵泵轴强度高、承压力强，轴承加工精密，在承受巨大压力下，轴承高速转动，最大变形不能超过泵内不的最小密封间隙。

3 注水泵机组常见故障及诊断

3.1 转子不平衡故障及振动特征

转子不平衡也是注水泵机组较为常见的故障类型，当转子质量偏心或者转子部件缺损时，会出现转子不平衡的状态，导致转子质量偏心的因素主要有：转子结构设计不合理，转子制造工艺不合格，安装过程中存在误差，转子材料质量分布不均匀，转子质量不平衡也叫做初始不平衡，属于不合格产品。转子部件缺损通常是由于转子在高速运转过程中导致脱落、腐蚀、结垢及疲劳应力导致磨损，使得转子零件局部出现磨损、脱落等情况，使得转子出现不平衡，导致转子转动过程中出现振动异常。

查找转子不平衡的原因，大多是以下情况：一是转子设计及制造不合格，需要从转子的结构对称性、加工精细程度、安装工艺、材料强度等方面进行查找原因；二是在维护方面，可以从是否错误操作，如超负荷、长时间运行，工况突变导致的异常等方面维护。还需要从工作介质，如硬度、腐蚀性等方面检查。或者是查看有无维修不合理，零部件安装位置错误等方面进行维护。

3.2 转子不对中故障及振动特征

转子不对中也是比较常见的注水泵故障，导致转子不对中的原因主要有：转子制造不够精细、安装不合格，材质强度不够运行过程中发生膨胀，受到管道上离作用，注水泵机壳膨胀等，以上原因导致转子在径向发生位移，或者转角位移，导致转子出现不对中的情况。转子对中较差时，会对注水泵造成伤害或者工作异常，常见有轴承碰磨、轴节咬死、油膜失稳等故障，还有可能造成严重的机械事故。转子不对中根据具体情况分为平行不对中、角度不对中、平行角度不对中几种情况。

转子不对中会导致轴向和径向发生振动。不对中程度不同，振动的大小也不一样，根据转子平行不对中情况，当转子转动一周时，在径向上受力方向会发生4次改变，导致发生两次振动，产生两倍频径向振动，振动特征表现为跳动，频率是基础频率的两倍。根据角度不对中情况，当转子转动一周时，力矩会改变一次，会导致轴向发生同频振动。

3.3 机械松动故障及振动特征

注水泵机械松动主要是由于转子支承系统出现松动，当转子支承系统结合面出现间隙或者连接刚度不够时，容易出现机械松动。由于支承系统结合面空隙较大，或者温度升高导致出现间隙，螺栓强度较差或者螺栓断裂，基础施工质量不好等，都会导致机械松动。当机械松动时，轴承座和轴承套之间存在较大空隙，在转子离心力作用下，轴承套出现周期性形变，轴承的几何参数发生变化，从导致油膜的稳定性较差。如若轴承座栓塞松动时，此时结合面有空隙，会导致出现不连续位移，这些位移都会导致振动曲线特征为非线性。

当轴承底座出现松动时，振动曲线与不平衡振动类似，曲线谱图呈工频振动特征，只有出现松动的转子出现类似振动特征。当轴承座出现松动时，振动特征为2倍工频，振动的幅度不是很稳定，当松动的间隙较大，发生了碰撞时，振动会大幅增加。

3.4 动静碰磨故障及振动特征

油田为了提升注水泵机组效率，通常密封性较好，轴承间基本无间隙，以此来保证润滑油不泄漏。在生产过程中，为了满足水压要求，通常注水泵转速会比较高，会使得泵振动剧烈，容易出现动静碰撞。在排查动静碰撞时，需要检查转子是否平衡、转子对中性是否良好、转轴挠曲情况、流体激振等。机组出现动静碰磨后，会成为其他故障的诱因，导致机组出现严重故障。径向动静碰磨由于接触力不稳定，振动曲线为非线性特征。轴向动静碰磨先对简单，但是振动曲线特征不明显，很难通过振动特征来分析轴向动静碰磨，需要通过温度、噪音等特征来诊断分析。

4 结束语

随着我国老油田多已进入开发中后期，长时间开采导致地层供液不足，需要使用注水或注聚合物开发，以实现油井稳产、增产。注水泵机组是油田注水开发中重要的设备，其运行状态对油井产量影响较大。受到多种因素的影响，离心泵机组容易出现各种故障，对油田生产造成影响。加强对注水泵机组状态监测，及时发现注水泵出现的故障，摸清故障发生的原因，及时进行故障处理，避免注水泵出现严重事故，延长注水泵施工寿命，对于保障油田生产具有重要意义。

参考文献：

[1] 黄志强,李琴,刘德明,蒲洪春. 油田注水泵电机故障诊断与修复[J]. 中国设备工程，2003,7:45-46.

[2] 陈楫国, 李秀芝 . 浅谈离心式水泵的高效运行与状态监测[J].节能,2000,11:38-40.

[3] 田立柱,张来斌,王朝晖,单荣恕.离心式注水泵故障自动诊断技术及系统的研究[J],石油学报,2002,1（23）:94-97.