注水泵机油散热装置的研究与应用
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【摘 要】传统高压柱塞泵润滑油箱内部润滑油冷却器多采用结构简单的U形管等结构，在高温下连续运转不仅增加了润滑油的消耗量，还加剧了泵体及零部件的磨损情况。本设计提供了一种在油箱外部加装润滑油冷却器的方法，有效降低了泵的工作温度，减少了泵的故障维修费用，为同类设备改造提供了思路。
【关键词】柱塞泵；机油冷却
一、前言
辽河油田兴隆台采油厂欧一注水站于2001年8月份建成投产，生产设备共有注水泵4台、补水泵3台、排污泵2台。主要负责欧利坨油田的注水工作。目前共负责注水井38口，日注水量950方左右。
（一）注水泵现状
欧一注注水泵为传统柱塞泵，该柱塞式高压注水泵机油箱内原有两根盘管，采取水在机油箱中循环的方式，降低机油温度。但该油箱体积为0.8m3，原有两根盘管为普通Φ16mm管，在油箱内有效长度为1.5m。设备运转时机油平均温度为62℃，而正常的工作温度应该控制在40℃～55℃之间，降温效果较差，达不到设备良好运转要求。
（二）高温对机油的危害
柱塞泵油箱中的机油依靠在内部机械结构的结合面形成稳定的薄薄的油膜来起到潤滑作用，实现减少摩擦，保护内部机械及各运动部件的目的，机油的使用对于泵的正常运行是必不可少的。而在实际工作环境中，机油受温度影响较大。高温对机油的危害体现在以下几个方面：
1、高温降低机油润滑效果
机油的黏度是油膜形成的关键因素。黏度太高，油膜难以形成，对设备运转的稳定性也影响较大；黏度太低，油膜层太薄，润滑效果也会被削弱，所以必须要通过温度控制机油保持合理的黏度。高温条件下，机油的黏度下降，导致润滑和冷却效果不佳，从而加速轴承部件磨损，加速支承部件和转子部件的疲劳，降低泵的使用寿命。
2、高温使机油氧化变质
该注水站使用机油为通用机油，型号为15W40，成分包括两大类：基础油和添加剂。在高温时机油氧化会生成酸质和油泥，这些杂质粘结在曲柄、连杆上，不仅升高温度，降低了机油的润滑散热效果。并且有些以颗粒状固体存在的油泥，附在机件表面，加快了机件的磨损。甚至有些油泥堵塞过滤芯、油道，导致机油回流不良，部件磨损加剧，最终产生严重的机械故障。
3、高温使机油耗油量增加
机油温度过高时，通过机油箱内渗透、蒸发作用，降低机油的密封效果，使损耗的机油量增加。
二、机油散热装置的设计方案
针对旧注水泵机油冷却效果不好的现状，我们考虑为机油箱加装一种机油冷却器，从而降低机油温度，提高润滑效果。
传统的机油冷却器一般分为风冷式和水冷式两类。风冷式冷却器除采用风扇强制吹风冷却外，多采用自然通风冷却。水冷式冷却器，通过内部循环管路实现油水换热冷却。考虑到水冷式效果较好，并且节约资源，在大型设备上应用较广泛，我们选择了水冷式冷却方式。
该高压注水泵设备出厂时，机油箱内设计的就是水冷式机油冷却器。水冷式冷却器的工作原理：采用＂油包水＂的冷却方法，在机油箱内设计了2根U形管，与冷水泵相连，冷水泵不间断的向冷却器提供冷水，冷水流动通过各条金属管道最终形成回路，工作时低温循环水不间断穿过U形管，并将管道周围的热量带走，从而降低了机油温度，达到了冷却机油的目的。
经过分析判断，原有的冷却器冷却效果不好的原因是，机油箱内机油较多，而U形管较细，使用中随着油泥附着等因素冷却效果逐渐降低。如果在机油箱原管路上加装循环水管道，考虑到机油箱内部空间已经较密集，曲柄连杆等运动部件占据较大空间，加装空间有限，新加装管路易发生渗漏。更好的方法是在外部加装一个机油冷却器。
为了提高冷却效果，在设计外部机油冷却器时我们选择采用＂水包油＂式冷却方法，冷却器内充满循环的冷却水，机油在冷却器内部管路中通过，在油泵的压力下，冷却后又循环流回到机油箱里，实现冷却降温。由于冷却器是加装在机油箱外，与油箱连接管路过长会造成额外阻力，降低循环泵压，位置的选择方面，冷却器直接加装在机油箱下方空间内，不额外占用空间。内部构造设计上，一般管式机油冷却器，内部结构多为U形管式，同时采用板式或是翅片，实际上是结合了多管式、板式、翅片式等形式。原机油泵压为0.8MPa-1MPa，为了尽可能减少机油在新增管路中的阻力产生的压降，冷却器内部管路设计时避免选用蛇形管式，选用多通道列管式。在有限空间内放置多根铜管，达到冷却效果。
自制机油散热装置，由弯管、管接头、高压软管、散热铜管、不锈钢钢板、支撑等零件焊接而成，直接固定在机油箱体底部，与机油箱和冷却水相连。冷却器具体尺寸为：冷却器长550mm，内部铜管长350mm，整体外径为120mm，总重量为10kg。设备工作时，油泵与冷却水泵运转，机油经过过滤器被吸进机油泵，在泵压驱使下一部分进入箱体，另一部分通过管路进入冷水式机油冷却器，经过水冷却后返回箱体，实现冷却效果。
三、机油散热装置的现场应用情况
加装外部散热装置后，在不干扰泵的正常工作情况下，外置冷却器与原机油箱内U形管冷却器构成了双冷却系统。经过实际应用，与原始运行情况进行对比，降温效果明显。
经过对比分析，加装外部机油冷却器后，机油平均温度由62℃降为48℃，下降14℃，电机平均温度由36℃降为31℃，下降5℃，温度处于合理合作区间。
经过取油样测量运动黏度，得到图2加装冷却器前后机油黏度与温度的变化曲线。从曲线上看出而加装机油冷却器之前，黏度受温度影响较大。而加装机油冷却器后由于机油不易发生氧化变质，黏度变化幅度较平稳，避免了因温度升高带来的黏度大幅下降现象。
四、实施效果分析评价
加装外部冷却器后，在同等工作条件下，机油温度下降明显。2017年我们在3号泵试验的基础上，将冷却器成功改造的经验用于4号泵，将两台老式高压注水泵机油箱均加装了新式外置散热装置，扣除冷却器的成本2040元，总计节约费用56591.5元。
（一）减少机油用量
更换机油频次下降，可以持续使用直到注水泵运转1500小时，二级保养时更换一次机油，节省了机油的用量，比去年同期节约机油950升，采购价格为25.19元/升，节约费用约为57890.5元。
（二）减轻员工负担
此前由于高温机油内杂质过多，该泵3天需要更换一次机油滤芯，员工停泵更换一次约为20分钟，现在仅在滤芯破损时更换，除保养时几乎不需员工更换，此前柱塞盘根由于油泥等杂质的出现经常产生渗漏，加装了机油散热装置后，更换盘根频次大大降低，增加了泵的有效工作时间，提高了效率。
（三）降低部件维修率
2016年该站3号泵因高温润滑失效，导致泵部件损坏维修4次，厂家维修费用总计3.6万元。2017年加装了2台机油散热装置后，由于泵的工作温度降低，润滑效果良好，到目前为止没有产生更换零部件等需厂家维修的费用。
五、设计成果创新点
在原注水泵机油箱外创新设计加装水冷式散热装置，达到内外循环双重冷却效果，通过创新改造，有效降低注水泵柱塞工作温度，提高注水泵工作效率，减少员工劳动强度，降低维修费用。
六、结论与建议
使用该机油散热装置后，该注水站单泵一年累计节省5万余元，在降本增效、节能降耗方面发挥了重要作用。该注水泵机油散热装置的研究与使用投入成本相对低，改造难度小，较容易实施，且能有效降低机油温度，减少机油损耗，降低泵维修率。为同类设备进行改造提供了一种思路，具有一定的推广价值。