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往复式注水泵出口管道振动研究

发表时间：2021/5/25 来源：《基层建设》2021年第2期作者：师长兆张津波李健胡建平

[导读] 摘要：注水泵按照结构一般分为离心式注水泵和往复式注水泵，在采油工艺中一般使用往复式注水泵作为工作流体介质的增压设备。

        天津市大港油田公司第三采油厂
        摘要：注水泵按照结构一般分为离心式注水泵和往复式注水泵，在采油工艺中一般使用往复式注水泵作为工作流体介质的增压设备。由于往复泵的曲柄连杆结构和工作原理导致工作流体的吸入和排出呈现明显的周期性，因而催生流体的压力脉动，这种压力脉动会在液体流态受到突然干扰时在管道上产生不平衡激振力从而引发振动，压力脉动引起的振动在出口管线表现较为明显。在一般的振动问题研究之外，共振由于其能够引发剧烈振动的特性在减振研究中要尤其重点关注。这就意味着要验证压力脉动的激振频率与管道系统固有频率是否在一定范围内重合。
        关键词：往复式；注水泵；管道振动
        引言
        管道在强烈振动的工况下工作，管道结构及管路上安装的一些管件有可能发生松动和破裂，还会产生巨大的噪声，影响注水系统工作人员的身体健康。即使未超出管道的承受极限，长期在振动状态下工作也会降低管道寿命，导致测量仪表在非正常工况下工作反馈数据失真等。油田注水系统的管道振动问题不仅存在影响生产、产生噪音的现实问题，同时也有造成管道系统疲劳运行的安全隐患。针对注水泵出口管线的振动问题进行研究具有实际的工程指导意义。
        1 振动的危害与常见抑制策略
        根据与环境的关系和振动强度，管道振动带来的危害大致可以分为三个方面：
        （1）管道设备在往复式注水泵带来的某一激振频率下工作，产生共振后其振动响应值超越管道的允许响应值，造成管道的破裂、渗漏和失效等；
        （2）管道设备长期在往复式注水泵带来的振动下工作，造成管道的疲劳破坏；
        （3）管道设备在振动状态下工作时，轻则对注水泵站带来噪声污染，重则对注水泵站的工作人员带来健康危害，造成听力障碍以至于神经性疾病。
        从振动的发生根源、传播途径、受迫振动本身固有特性等方面考虑，振动抑制一般有以下三种思路：
        （1）从根源入手，对振动源的激励发生进行消除或抑制。如在注水泵的出口管线中加装蓄能器等具有抑制压力脉动作用的设备。
        （2）切断传播途径，聚焦振动的传播介质以达到减振目的。如在管道中加装隔振器或同样具有隔振效果的橡胶软管、金属软管等。
        （3）从管道系统本身入手，减小共振发生的可能。如改变管道排布方案、增加固定支撑措施以提高管道系统的固有特性等。
        2 管道系统的常见减振策略
        2.1 加装消振或滤波元件
        压力脉动的抑制相比于脉动的发生难度较大，这是由于压力脉动下的液体在管道内部的运动非常复杂。在管道系统的设计阶段，除了满足工艺与生产的需要，对管线的管长、管径、元件选择、连接位置选择、支撑数量及位置等参数要进行优化设计，以便帮助消减压力脉动。对于已经安装的管线系统，在管道的关键位置加装具有消振和滤波功能的设备同样能够帮助抑制管道内的压力脉动，如滤波器、蓄能器、孔板等。

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        除了使用蓄能器之外，为了进一步对流体压力脉动进行抑制还可以采用孔板消振的方案。根据流体力学中流体的动能、重力势能与压力能之和的守恒，在管道中的特定位置安装一个或多个孔板，能够有效地调节液体的压力变化，达到衰减压力脉动的作用。一般来说，孔板单独无法承担主要的压力脉动抑制作用，需要配合缓冲器共同使用。
        2.2 优化管道弯头与变径管件
        在管道输送流体的压力脉动抑制过程中，即使安装了各种抑制设备，压力脉动也不可能被完全消除。因此在管道空间结构设计过程中尽量避免压力脉动作用的放大是抑制压力脉动的另一个重要方面。管道结构中弯头和变径管件在流体压力脉动作用下产生的不平衡激振力会作用于管道引起受迫振动。因此，在管道中合理设计弯头和变径管件就成为了抑制压力脉动的另一关键解决方案。
        3 注水泵出口管线的减振措施
        管线发生振动的主要原因在于流体的压力脉动频率与管线固有频率较为接近，这是由于管线空间结构排布不合理造成的。
        根据原油生产对注水压力和流量的需要，油田使用的三缸柱塞泵已经选定，因此流体的压力脉动频率是一定的，从理论角度上需要对管道进行优化。经过与现场工程师和设计院的探讨，按照施工难度提出了减振方案的四个步骤：
        （1）增加固定支撑措施，优化现有固定支撑设备的侧向结构和衬垫材料外形设计，提高其振动抑制能力，从而提高管道系统刚度，提高管道的固有频率以避开激振频率；
        （2）在注水泵出口，即管道最前端加装蓄能器，消减压力脉动的影响，减小压力脉动从而减小部件位置发生的不平衡激振力；
        （3）增加管道的隔振措施，对管道的固定支撑措施进行衬垫材料的优化，以达到隔离振动和吸收振动能量的目的，从而减小振动。
        （4）当条件允许时，对管道元器件布局进行优化，如降低水平段高度、优化流量计的安装方式、优化法兰安装位置和减少管道中不必要的弯头和变径管件使用等。以此提高管线的固有频率，避开激振频率从而避免共振。
        在以上减振方案提出的措施中，（1）和（3）聚焦于外部设备对管道现有振动位移的限制，能够一定程度上减小振动的幅值，但无法解决内在的结构共振和流体压力脉动问题。而措施（2）聚焦于抑制管道内的流体压力脉动，从一定程度上解决了管道振动的内因，同样能够减小管道振动的幅值。措施（4）是对管道结构的重新调整，能够从根本上提高管道的固有频率，解决管道的共振问题。
        4 结束语
        本文对于选定管段的振动问题研究取得了一定的成果，但考虑到管道内流态复杂，振动的频率成分繁多，同时时间上和实验条件上的限制，研究仍有一些不够详尽的工作与不足。管线的流固耦合振动实际问题要复杂得多，呈现的频率成分也相对复杂，在以后的研究中，对于流固耦合的深层探讨以及对振动信号作傅里叶变换时对高频信号的处理可能是进一步的考虑方向。
        参考文献：
        [1]隋凯,王洁.供水管道压力脉动计算与分析[J].环境技术,2013,(z1):203-206.
        [2]吴丽萍,郭强,田家林,袁长福.油田柱塞泵振动测试技术研究[J].机械设计与制造,2017(02):25-28.