彭栋栋 唱 静 陈平君 张春娜 刘海龙

（1.中国石油冀东油田公司 陆上作业区，河北 唐山 063200；2. 中石油煤层气有限责任公司，北京 102200）

0 引言

柱塞泵是各油田进行注水开发时广泛使用的一种高压设备，其压力往往可以达到30MPa，属于高危设备。柱塞泵常见的故障是：在运转过程中依靠盘根对运动的柱塞进行密封。由于柱塞泵承受着极高的压力，因此盘根容易损坏。当盘根被磨损造成密封失效后，就会出现高压水从盘根处渗漏，并随着时间的延续变成大面积刺漏。盘根大面积刺漏的后果是：一方面会造成减速箱机油的乳化，另一方面会对附近的电器设备设施造成破坏，同时盘根刺漏的紧急处置中还可能对操作员工产生人身安全风险，因此提前判断和监控盘根漏水，防范盘根出现大面积刺漏是管理柱塞泵的重要安全目标之一。

1 柱塞泵盘根刺漏现状

柱塞泵在运行过程中，其主要运动部件为柱塞，柱塞在往复运动过程中，以目前冀东油田普遍使用的5ZB-48/28型柱塞泵为例，其速度达到200次/min，工作行程为230mm，为了防止高压水泄漏，在柱塞总成内部填加有盘根，以实现密封作用。

但是由于柱塞的高速往复运动以及高温高压环境，导致盘根随时有失效的可能。盘根一旦失效，高压水就会渗漏出盘根总成，并在10～20min后形成长达1～2m长的大面积刺漏，进而转化为损坏设备的因素，给生产和安全带来不可控的风险。

为了防止这种危害因素的产生，现场员工必须每隔2h进行现场巡检。由于柱塞泵房温度高（夏季可达55℃），噪音大（泵附近1m处可达120dB），因此每次的巡检工作对员工来说也是一种伤害，这也导致了员工巡检不及时，进而增加了柱塞泵高压水刺漏事故的发生率。

2 降低盘根刺漏的方案对比

要想降低或防止柱塞泵高压水刺漏可能产生的危害，可以从以下几个方面进行探讨：

（1）延长柱塞泵盘根的寿命。通过延长盘根的寿命可以降低单位时间内盘根刺水可能产生的危害。

（2）安装防护罩。将盘根总成与减速箱、电路进行隔离。

（3）利用监控探头[1]对盘根进行实时监控。

分析以上几种方案：

（1）延长柱塞泵盘根的寿命并不能从根本上杜绝盘根发生大面积刺漏的现象，只是减少了刺漏的频次。

（2）安装防护罩的方案一次性投入较大，且安装困难，对于减速箱机油进水乳化问题无法克服，而且防护罩的存在对后期员工进行检查与维修也会带来很多不便。

（3）利用监控探头对盘根进行实时监控也存在着一次性投入大，且增加了值班人员的监控工作量。

根据现场情况与方案对比，提出新的安全监控设计思路，其工作原理是：利用水能导电的特性，将水的刺漏转化为电信号，使其具备可监测的特性，再利用自动化[2]原理，使信号被捕捉并触动相关设备，实现对盘根漏水的实时、远程、全自动化监测。由于目前自动化技术的相对成熟，因此我们认为采用这个方法能够实现安全[3-4]监控的目的。

3 安全监控的设计思路

自动化设计的基本思路是通过安装一个设备监测盘根刺漏采集信号，再通过一定的方式将采集的信号传输出去，最后将传输出来的信号转换成报警和停泵操作信号，因此所设计的自动化设备包含3个子系统：信号采集、信号传输和信号反应。

3.1 信号采集

信号采集利用了水能导电的物理特性，柱塞泵[5]的工作介质为污水，从盘根刺漏的水就具有导电性能，设计在一个断开的电路中，当有水滴落在断点时，电路就会被接通形成回路。信号采集正是利用这一原理特性，设计了专门的水滴感应电路板，该电路板的结构为2条相互独立的线路，其中每2条相邻的线路均为正负对应，线路的间距仅为1mm。

信号采集的第二步：将形成的回路与一个无线信号发射器相连，当盘根刺漏时，刺漏的水滴就会落在电路板上，使相邻的2条线路接通，其接通的同时，也触动了无线信号发射器连通，从而实现盘根刺漏信号的采集。

3.2 信号传输

信号传输设计首先考虑选择无线信号传输。其主要考量是：由于柱塞泵房与值班室一般距离较远，如果采用有线传输，就需要对注水站进行过多的改造建设，工作量较大，施工成本也高，更会破坏现有的标准化建设，因此信号传输与接收均考虑采用无线传输。但是由于柱塞泵房内有较强的电磁干扰，必须要选用能够超距离发送无线信号的发射器，经过调研市场上可以选用的无线传输设备较丰富，选择传输距离为1km的无线信号发送器，在柱塞泵房具有强电磁干扰的环境中，其传输距离也能够达到100m，能够满足现场无线信号的传输要求。

无线信号传输设计包含2条路径，一是将信号传输到值班室的报警器，报警器实时发出蜂鸣报警，使值班人员感知到柱塞泵盘根已经发生刺漏；同时无线信号也能够传输到配电柜，用于控制柱塞泵的停泵操作。

之所以采用双信号传输与接收，其设计思路是：当值班室内有人时，可以及时赶赴现场进行处理，防止盘根刺漏事态扩大。但由于目前生产单位人手紧张，有时值班室内无人值守，因此需要设备能够自动停止运行。将无线信号传输到配电柜，能够实现无线信号转化为停泵信号，实现自动停泵，防止盘根刺漏事态扩大。

3.3 信号反应

通过在注水站值班室安装一个无线报警器，报警器自带无线信号接收装置，当无线信号接收器接收到信号时报警器就报警，及时提醒值班人员赶赴现场处理盘根刺漏。

在对应柱塞泵的配电柜内安装一个控制回路，控制回路上同样连接一个无线信号接收器，一旦这个控制回路接收到信号后，就可以实现信号处理，对柱塞泵进行自动停泵操作，防止盘根刺漏事态继续扩大。

具体设计方案，如下图。

图 柱塞泵盘根安全监控设计图Fig. Design diagram for safety monitoring of piston pump disk root

4 现场安装与实验

4.1 安装感应电路板和发射器

在生产实际中通过观察发现，在柱塞泵的盘根刺漏的初中期，刺漏的水会与柱塞呈一定的夹角喷出，盘根刺漏量越大，夹角越大、刺出的距离越远。这就需要在泵体上选择一个最佳的位置安装感应电路板，以便能够及时准确的监测到盘根的刺漏。经选择感应电路板安装在柱塞连杆上端的油封上端最合适，这里也是盘根刺漏后容易引发减速箱进水造成机油乳化的路径。通过设计一个专用插槽，将感应电路板装入卡槽内，在插槽的背面粘有磁铁，通过磁铁将卡槽和柱塞泵吸附在一起，便于安装与拆卸。感应电路板的接线柱与无线信号发射器进行线路连接，信号发射器则安放于减速箱表面上。考虑到油田柱塞泵多为五柱塞，因此设计了2种不同感应板，一种规格为50cm长，一种规格为30cm长，可分别放置于2个水槽内，其中任何一个感应电路板被盘根刺漏的水导通电路后都能激发无线信号发射器发出信号。

4.2 安装接收终端

将值班室的报警器与一个无线信号接收器相连，信号接收器取代报警器的开关，一旦信号接收器接收到特定的信号，报警器就发出声音报警。同时在柱塞泵的控制电路中加装一个控制开关，控制开关与另外一个无线信号接收器相连，一旦接收到信号即对柱塞泵进行停泵操作。

4.3 方案优化改进

通过实验以及与现场员工的调查，我们发现这一套自动化设备存在2个问题。一是监控设备在监测到盘根刺漏后就立即停泵并报警，也就是说报警和停泵操作是同时的，当值班人员在值班室接收到报警信号时柱塞泵已经自动停了，于是值班人员无法知道是哪一个盘根刺漏了、盘根刺漏的程度怎么样、当前的盘根刺漏程度是否需要立即停泵维修等。二是按照柱塞泵的操作规程，正常情况下停泵，应先对管线进行泄压操作，然后再停泵，以防高压水在泵内突然停止流动，会对泵内零部件造成损伤。目前的监控设备在未泄压状态下进行停泵，长时间会对泵造成损伤，因此需要改进。

为解决以上问题，我们将报警和停泵分成2个操作，先报警后停泵，中间有个时间差供值班人员前去落实情况。改进措施为：在停泵控制回路前加装一个时间继电器，通过设置继电器时间，一般为3～5min，即可实现停泵回路接收到信号后3～5min再停泵。同时对停泵回路中的无线信号接收器进行改进，在上面加装一个复位按钮。当值班人员赶赴现场后，可以先按下复位按钮，使泵的停泵回路工作中断，不再发生自动停泵，将停泵操作完全由人工实现。如果因值班室无人赶赴现场处理，则时间继电器会接通停泵回路，使泵自停，防止盘根刺漏事态扩大。

改进后的安全监控设备使用流程如下；当盘根刺漏报警后，员工应到达现场，按下复位按钮，防止停泵回路自行停泵；员工按正常操作规程进行流程泄压操作，然后手动停泵。如果3～5min内无人前去柱塞泵房，则时间继电器持续工作，触发停泵回路，使泵自停。通过上述改进减少了自动停泵概率，即减少了因自动停泵造成的管线未泄压可能带来的流程设施损坏。同时也使员工有足够时间对现场进行观察和判断，选择采取正确的处理方案。

5 效果评估

该套柱塞泵安全监控装置于2017年在冀东油田L36注水站的4个五柱塞柱塞泵上实验近1年来，实验效果良好，平均每个月发生报警停泵12次，1年多来，柱塞泵未出现减速箱机油乳化和其他电器故障，同时也降低了员工的巡检劳动强度，目前已经从原先的2小时1次巡检制度改为4小时1次。

该套安全监控装置成本低，全套设备仅需要150元，由于采用了磁性安装架和无线发送与接收装置，安装与拆卸方便，由于注水站内各台柱塞泵需要定期更换使用，因此该装置可随时根据需要拆装，减少了全站采购成本。

6 结论

柱塞泵盘根刺漏安全监控装置的研发成功，实现了对运行设备的动态安全监控；提高了设备的安全性；大大降低了员工的劳动强度。

当前在各生产部门仍然有大量运行的设备需要人工巡查，面对劳动力成本不断上升和安全管理要求不断提高的难题，通过本文实例的推广，建议其他部门岗位员工，结合实际自行组织研究兼具经济、实用、创新的自动化监控技术。