柱塞泵进口管道振动原因与减振对策研究

杨露，王俊涛，刘丛，李俊成，韩涛

1.长庆油田第三采油厂，宁夏银川750006

2.长庆油田油气工艺研究院，陕西西安710018

柱塞泵进口管道振动原因与减振对策研究

杨露1，王俊涛2，刘丛1，李俊成1，韩涛1

1.长庆油田第三采油厂，宁夏银川750006

2.长庆油田油气工艺研究院，陕西西安710018

柱塞泵进口管道的振动，造成泵进口管道的频繁破裂，维修工作量大，影响了油田的正常注水。文章对引起注水泵进口管道振动的原因进行了分析，计算了流体脉动作用于管道弯头的压力，同时建立了喂水汇管平衡管模拟计算模型，探讨了降低管道流体脉动压力的治理措施。现场应用表明治理措施的应用效果良好，达到了减小管道振动的目的。

柱塞泵；进口管道；振动原因；减振对策；脉动压力；平衡管

0 引言

柱塞泵由于其排量小、扬程高的特点，可以很好地适应超低渗透油藏注水要求，近年来在长庆油田得到了广泛使用。但是柱塞泵为往复式容积泵，其容积的周期性变化产生了流量脉动，造成了排出流量的不均衡，加上管道内流体对管壁产生冲击力，导致注水泵进出口管道因振动而破裂，严重影响了注水系统的平稳运行及注水时效。本文结合柱塞泵现场运行实际，对产生振动的原因进行了分析，并通过理论计算，提出了桩塞泵进口管道减振对策。

1 振动的危害

如果管道的振动得不到有效吸收和化解，就有可能造成注水泵进出口管道的破损，破损管道的维修工作量大，增加日常维护费用，影响日常注水。

近年来通过对长庆油田采油三厂部分注水站的注水管道进行现场调研，统计了部分注水泵进出口管道振动破损的情况，见表1。

表1 采油三厂部分注水站注水泵进出口管道振动破损情况统计

从表1可知，注水站注水泵进出口管道平均破损次数为7.8次/月，平均影响注水时间为15.3 h/月，平均因振动造成管道破损维护费用为0.15万元/月。而目前采油三厂现有各类注水站86座，注水泵226台，因此减小注水泵进出口管道因振动而损坏的意义重大。

2 振动原因分析

根据振动理论[1]，只有当系统受到初始扰动（外力或位移）破坏了系统的平衡状态时，才会发生振动。注水泵基础为钢筋混凝土基础，刚性大，混凝土基础与泵体牢固连接，通过对注水泵运行状况的检查，并没有发现地脚螺栓松动等异常现象，这说明泵振动不是造成管道振动的原因。另外，有学者已证实[2]，管道激振频率与其固有频率接近易引起共振，但它并非是引起柱塞泵进口管道振动的根本原因，管道的振动主要是由管道内流体介质脉动引起的[2-3]。

图1为目前油田广泛使用的三柱塞泵排出曲线。从该曲线可以看出，出口瞬时流量曲线呈波纹形态，存在流量波动，因而注水泵运行时会造成管道内液体流量的不均匀，流量不均度也反映了压力波动情况[4]。

图1 三柱塞泵排出曲线

由于泵的往复吸入、排出，因而液流的压力和速度就呈现出了周期性的变化，这种压力的脉动变化是由管道和液体的弹性作用造成的。产生的压力波在管内迅速传递，液体对管壁产生了水击作用。水击的脉动压力ΔP可写成以下计算式：

ΔP=ρCΔV

式中ρ——水的密度，取ρ=1 020 kN·s2/m4；

C——脉动压力波速度/（m/s）；

ΔV——流体速度变化量/（m/s）；

C0——水中声速/（m/s）；

D——钢管内径/mm；

e——钢管壁厚/mm；

E——水的弹性模量，取2.1×109kN/m2；

E0——钢管的弹性模量，取2.1×1011kN/m2。

对于3 D型注水泵，流量不均匀度可由泵特性曲线查得，波峰流量为理论流量的1.029倍，波谷流量为理论流量的0.757倍，则有：

式中F——流体对弯头的冲击力/N；

S——弯头的横截面积/m2。

脉动压力导致弯头、管件等周期性地受到推拉力的作用。泵进口的弯头所受到的作用力大小不等，时间不同步，方向也不尽相同，这些力有的叠加增强，有的消弱衰减，导致进出口管道在轴向和径向产生周期性位移，这就引起了泵入口管道的振动。以采油三厂常用的三柱塞泵理论排量Qt=16.6 m3/h进行计算，对于不同进口管径的弯头来说，脉动压力引起的作用力差别并不明显，见图2。这说明在满足喂水充足的前提下，增大进泵喂水管管径并不能有效降低流体脉动压力。

图2 三柱塞泵脉动压力对弯头的作用力曲线（Qt=16.6 m3/h）

3 减振措施

从上述分析可知，要降低振动，须减弱或消除脉动压力，这可以通过工艺流程的控制加以解决。

3.1 开启喂水旁通

为了做到供注匹配，当喂水泵实际供水量低于或远大于柱塞泵理论排量时，可以通过开启喂水泵旁通闸门进行调节，以实现供需平衡，从而减小由于喂水量不足或过大而产生的脉动压力，见图3。

图3 喂水泵流程改造示意

对振动较大的4个站点的注水泵进口管道振动进行现场测试[5]（见表2），结果表明：未开喂水泵回流闸门的，管道的振动位移较大，打开喂水泵旁通闸门后，管道的振动幅度有所降低。近年来对喂水泵的开度进行探索控制，在一定程度上也减轻了喂水系统管道的振动。

表2 注水泵进口管道振动测试记录

3.2 改造工艺流程

改造工艺流程主要是给注水泵进口汇管配套平衡管，约束管道内流体流向，调节压力分布区间。提取核心流程进行建模，见图4，在理论计算过程中对模型进行了简化。

图4 注水泵进口汇管平衡管模型

模型中汇管规格为D 219 mm×7 mm，汇管长度为20 m，汇管进口边界设定压力0.3 MPa；注水泵进口（汇管出口）管道规格为D 159 mm×6 mm，边界设定流速分别为0.5 m/s和0.48 m/s；回流平衡管规格为D 60 mm×4 mm。

对比无平衡管模型的压力等值线和速度等值线（见图5、6），可知有平衡管时汇管内压力分布更均匀，喂注匹配度更好。

此外针对汇管上注水泵进口管道有无变径必要的问题，将模型中变径头调整为垂直焊接，其他参数维持不变，重新进行模拟计算，结果见图7、8。可以看到变径后，流体速度矢量趋于平行管壁，作用于管壁的切向力明显降低。

图5 有平衡管模型的计算压力等值线和速度等值线

图6 无平衡管模型的计算压力等值线和速度等值线

图7 带平衡管流程上注水泵汇管内速度矢量（变径）

图8 带平衡管流程上注水泵汇管内速度矢量（无变径）

基于此，在现场对旗五转注水系统进行了优化改造。旗五转注水量2 570 m3/d，设计能力3 350 m3/d。由于站内5#注水泵来水管道工艺流程问题，上注水泵汇管分岔，见图9，导致泵房内管网整体振动大，管道破损频繁，严重制约了正常注水。结合现场实际，对工艺流程进行了两方面优化：

（1）整体连通5台上注水泵汇管。

（2）汇管配套新增平衡管插接至净化水罐，见图10。

图9 旗五转改造前工艺流程

图10 旗五转改造后工艺流程

改造完成后，对站内5台注水泵进口管道的振动进行了测试，见表4，可见管道振动幅度明显下降；改造前泵进口管道平均破损频次3次/月，改造后运行3个月未出现破损，效果显著。

表4 旗五转注水系统工艺改造前后注水泵进口管道振动测试记录

4 结束语

（1）现场运行过程中，需根据注水量需求，摸索开启喂水泵台数与旁通闸门开启程度，实现供注平衡。

（2）流程设计时需充分考虑现场施工环境，尽可能减少弯头，缩短管道长度，以减小脉动压力对管道附件的作用力，同时增加固定支撑，提高管道刚性。

（3）如果柱塞泵进口管道振动属于机械共振，则需调整管道系统结构，通过采取增加或加密管道支撑、管卡固定、管道填埋夯实等措施，使管道自振频率远离激振力频率，避免机械共振。

（4）对于多台注水泵并联运行的站点，前期流程设计及后期工艺改造过程中，尽可能共用一条上注水泵汇管，避免供水流程出现汇管套汇管现象；配套新增平衡管及大小头等局部改造措施，在一定程度上也能有效降低注水泵进口管道的振动。

[1]吴福光，蔡承武，徐兆.振动理论[M].北京：高等教育出版社，1987.

[2]程木根.注水泵入口管振动分析与减振[J].石油化工设备技术，1995，16（2）：50-52.

[3]唐健，李继志，齐明侠.往复式注水泵吸入管线振动试验研究[J].石油大学学报（自然科学版），1995，19（2）：63-67.

[4]袁恩根.工程流体力学[M].北京：石油工业出版社，2000.

[5]汪家铭.管道振动及其测量方法[J].压缩机技术，1993，（2）：6-7.

Vibration Analysis and Reduction for Inlet Pipeline of Reciprocating Water Injection Pump

Yang Lu1，Wang Juntao2，Liu Cong1，LiJuncheng1，Han Tao1
1.Third OilProduction Plant of Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750006，China
2.Oiland Gas Technology Institute of Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China

The vibration of the inlet pipeline of reciprocating water injection pump is a harmful problem，which leads to the frequent rupture of the inlet pipeline and the increase of repair work and running expenses.Some main factors affecting the vibration are analyzed and the pressure in elbow pipe on account of fluid pulsation is calculated.The simulative calculation model of the balance pipe at water-feed manifold is established and the countermeasures to reduce fluid pulsating pressure are researched.The test shows that the countermeasures are effective to reduce the pipeline vibration.

reciprocating pump；inlet pipeline；vibration reason；countermeasure to reduce vibration；pulsating pressure；balance pipe

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.012

杨露（1984-），男，湖北天门人，工程师，2009年毕业于成都理工大学油气田开发专业，现在主要从事地面集输管网的设计工作。

2014-02-07