油田高压往复注水泵泵阀故障及其改进技术

在油田开采过程中，高压往复注水泵发挥着关键作用，它能将高压水注入油层，以此维持油层压力，提高原油采收率。而泵阀作为高压往复注水泵的核心部件，其运行状态直接影响着注水泵的工作效率、可靠性以及使用寿命。不过，由于泵阀长期在高压、高流速以及复杂介质等恶劣工况下运行，极易出现各种故障，进而对油田生产造成影响。所以，深入研究泵阀故障原因，探寻有效地改进技术，成为保障油田高效开采的重要任务。

一、油田高压往复注水泵泵阀的典型故障类型

1. 阀体密封失效

阀体密封失效是泵阀常见故障之一。密封面在长期工作过程中，会受到频繁的机械摩擦以及高压介质的冲刷作用，进而出现磨损与变形情况。当密封面磨损量超过一定限度时，就无法实现良好的密封效果，导致介质泄漏。以某油田注水泵泵阀为例，其密封面在运行 5000 小时后，磨损深度达到 0.2mm ，泄漏量明显增加。与此同时，密封材料长期接触具有腐蚀性的介质，会发生老化与腐蚀现象 [1]。对于一些采用橡胶材质的密封件，在高矿化度的注水介质中，不到 3 个月就出现了硬化、龟裂等问题，大大降低了密封性能，严重影响泵阀的正常工作。

2. 阀芯运动卡滞

阀芯运动卡滞会使泵阀无法正常开启和关闭，对注水泵的运行产生极大影响。阀芯与阀座之间若存在微小的制造误差或者在运行过程中进入杂质颗粒，就容易导致两者卡阻。在一些开采环境较差的油田，注水中含砂量较高，砂粒进入阀芯与阀座间隙后，会增加摩擦阻力，致使阀芯运动不畅。另外，导向部件在长期运行后会出现磨损，或者有异物侵入导向部位，同样会造成阀芯运动卡滞。

3. 结构疲劳断裂

泵阀在工作时会承受周期性的载荷作用，这使得应力集中区域容易出现裂纹。随着运行时间的增加，裂纹会不断扩展。就像泵阀的阀杆与阀芯连接处，此处结构形状发生突变，属于应力集中区。当泵阀运行 10000 小时左右时，部分阀杆在该区域出现了微小裂纹。若疲劳寿命不足，裂纹进一步扩展就会引发断裂事故。而且，泵阀在制造过程中若存在内部缺陷，如气孔、夹杂物等，会降低其疲劳强度，加速疲劳断裂的发生。一旦发生断裂，泵阀就会失去正常功能，严重影响油田生产。

4. 流体冲蚀破坏

高压介质在流经泵阀时，会对阀体材料产生强烈的冲刷作用。当介质流速达到一定程度，比如超过 30m/s 时，阀体表面材料会逐渐被侵蚀掉，导致阀体壁厚减薄。而且，在高压、高流速的情况下，介质中容易产生空化现象[2]。空化产生的气泡在阀体表面破裂时，会产生局部高压和高温，造成空化腐蚀，使阀体表面出现麻点、凹坑等损伤。

二、泵阀改进技术的核心方向

1. 材料优化升级

为提升泵阀性能，材料优化升级是关键。新型合金材料的应用成为趋势，像高硬度、耐腐蚀的镍基合金，其硬度比传统材料提高了 30% ，在高腐蚀环境下的耐蚀性也显著增强。这种合金能够有效抵抗高压介质的冲刷以及腐蚀作用，延长泵阀使用寿命。此外，表面强化技术也发挥着重要作用。激光熔覆、等离子喷涂处理能够在泵阀表面形成一层具有特殊性能的涂层，这层涂层不仅硬度高、耐磨性好，还能提高泵阀的耐腐蚀性，增强其表面的综合性能。

2. 结构创新设计

结构创新设计对于改善泵阀工作性能至关重要。流道优化是重点之一，通过合理设计流道形状，减少流体阻力，进而降低介质对阀体的冲蚀。比如采用流线型流道设计，可使流体在泵阀内的流动更加顺畅，减少局部流速过高的区域，降低冲蚀风险。动态密封技术方面，自润滑、自适应密封结构的应用能够提高密封性能。

3. 制造工艺改进

制造工艺的改进对泵阀质量有着直接影响。精密加工技术能够提升阀体表面光洁度，降低表面粗糙度，使其达到 Ra0.8μm 以下，减少介质在阀体表面的附着与冲刷，提高密封性能。而且，通过热处理强化工艺，能有效消除泵阀内部的残余应力，提高材料的疲劳寿命。在对某批泵阀进行热处理后，其疲劳寿命提升了约 40% ，大大增强了泵阀的可靠性，减少了故障发生的概率 [3]。

4. 智能监测与运维

智能监测与运维技术为泵阀的稳定运行提供了有力保障。在线监测系统可以实时采集泵阀的振动、温度、压力等参数。当泵阀出现异常时，比如振动幅

度突然增大、温度急剧上升，系统能及时发出预警。基于数据驱动的故障预警模型，通过对大量运行数据的分析，能够预测泵阀可能出现的失效情况，提前安排维修与更换，避免突发故障对生产造成影响，实现泵阀的智能化管理。

三、改进技术的综合应用策略

1. 材料- 结构协同优化

材料与结构协同优化对泵阀性能提升意义重大。设计时，需依据新型材料特性匹配流道结构。例如，某新型镍基合金，硬度达 HRC45-50，抗腐蚀能力比普通钢材强 3 倍，将其用于泵阀，并搭配流线型流道，能使流道内流体阻力降低 25% 左右，既发挥合金耐蚀耐磨优势，又减少介质对阀体冲刷，延长泵阀使用寿命。动态密封结构与耐磨涂层组合使用，也可显著提升泵阀性能。自润滑、自适应密封结构采用特殊橡胶材料，摩擦系数仅 0.1 左右，能随工况自动调整密封状态。配合厚度 0.3mm 左右的碳化钨耐磨涂层，硬度达 HV1000-1200，可大幅增强密封处耐磨性。实际应用中，这种组合能让泵阀泄漏量减少 70% 以上，可靠性明显提高。

2. 工况适应性强化

不同油田工况差异大，针对高含砂、高矿化度等特殊工况，定制化改进泵阀很有必要。在含砂量 400-600mg/L 的高含砂环境中，选用表面硬化处理的合金钢，表面硬度提升至 HV1500-1800，同时优化流道，将弯道处曲率半径增大30% ，可使泵阀磨损速率降低 50% 左右。在矿化度 35000-45000mg/L 的高矿化度介质中，采用耐蚀性好的双相不锈钢，并在阀体表面涂覆 0.2mm 厚的防腐涂层，耐蚀时间超 4000 小时。优化流道形状，缩短介质停留时间，可让泵阀腐蚀速率降低 60% 左右。空化腐蚀是泵阀在高压高速工况下的难题。在阀座和阀芯表面喷涂 0.5mm 厚的陶瓷抗空化涂层，孔隙率小于 4%，结合优化后的流道，经模拟测试，能使空化腐蚀区域面积减小 40% 以上，提升泵阀在复杂工况下的寿命。

3. 全生命周期管理

全生命周期管理覆盖泵阀制造到运行全程，对保障其稳定运行作用关键。制造阶段，严格执行质量标准，用超声探伤检测内部大于 0.5mm 的缺陷，磁粉探伤检查表面微小裂纹。加工时，关键尺寸公差控制在 ±0.08mm ，保证制造精度。运行阶段，利用大数据技术实时监测泵阀。通过传感器采集振动、温度、压力等数据，当振动位移超过 0.1mm 或温度变化异常时，系统预警。基于历史数据构建故障预测模型，提前规划运维，及时更换易损件，能让泵阀平均无故障运行时间延长 25% 左右，保障油田生产高效稳定。

结束语：

油田高压往复注水泵泵阀故障严重影响着油田开采作业的正常进行。通过对泵阀典型故障的深入分析，采取材料优化升级、结构创新设计、制造工艺改进以及智能监测与运维等一系列改进技术，并实施材料 - 结构协同优化、工况适应性强化和全生命周期管理等综合应用策略，可以有效提升泵阀的性能与可靠性，为油田高效开采提供坚实保障。在未来，随着技术的不断进步，还需要持续探索和优化相关技术，以应对更加复杂的油田开采工况。

参考文献

[1] 韩 文 涛 . 油 田 注 水 泵 故 障 分 析 与 改 造 处 理 [J]. 石 化 技术 ,2024,31(06):102-104.

[2] 崔柏 , 王复生 , 孟奕晨 . 振动分析在油田柱塞注水泵故障诊断中的应用 [J]. 设备管理与维修 ,2023,(09):142-144.D

[3] 阎磊 , 刘超 , 邢菲 , 等 . 柱塞式注水泵技术的改进应用 [J]. 机械工程师 ,2021,(07):109-110+113.