基于腐蚀工况的油田注水高压泵关键部件结构设计研究

朱开亮¹，郝军铭¹，曹文文2

（1.山东科润斯石油装备有限公司，山东东营257000；

2.东营市创元石油机械制造有限公司，山东东营257000）

摘  要：针对CO₂-H₂S复合腐蚀下油田高压注水泵关键部件频繁失效问题，开展了材料选型、表面处理与结构协同设计。通过腐蚀敏感性对比与强化技术匹配，确定材料体系；结合有限元与CFD方法，构建柱塞副、泵阀组及缸体流道模型；开展多物理场耦合仿真，识别腐蚀与应力集中区。结果表明，结构参数与载荷路径显著影响应力重分布，耦合模型可支撑腐蚀削弱区域响应预测与寿命评估。

关键词：注水高压泵；腐蚀工况；关键部件；表面强化

0 引言

油田注水系统长期运行于高压、腐蚀与冲蚀交织环境，柱塞副、泵阀组与缸体等关键部件易发生界面损伤与结构失效，导致维护频次高、运行可靠性差”。CO₂-H₂S体系下电化学腐蚀与机械冲刷联合作用显著缩短设备寿命，传统结构设计缺乏对腐蚀因素的结构响应考虑。为延长服役周期与提升安全裕度，需从材料性能、表面强化及结构几何多维度开展协同设计。本文结合典型油田案例开展多尺度建模与性能仿真，旨在构建基于腐蚀工况的注水泵关键部件结构设计方法体系。

1 案例概况

某油田三区块自投产以来运行已近9.7年，采用高压注水方式维持地层能量，配套使用三联柱塞泵系统。该区域地层水中C0₂浓度约为1.3%，H₂S浓度达0.08%，溶解氧含量波动范围3.6~4.2mg/L，含有平均粒径约为18pm的固体颗粒，具备强腐蚀与轻度冲蚀双重特征。注水泵额定排量为118.5m/h，出口压力维持在34.6MPa，年均连续运行时间>7100h。长期运行中，设备关键部位频繁出现局部腐蚀、冲刷磨损与应力集中引发的失效，泵组平均无故障运行周期<78d，严重影响注水系统稳定性与油田整体采收率。该案例具备代表性，适合作为腐蚀工况下高压泵关键部件结构优化设计的应用基础的研究对象。

2 关键部件材料选型与表面处理

2.1 耐蚀材料选型对比

在CO₂-H₂S腐蚀与固体颗粒冲蚀交互作用下，注水泵柱塞副、泵阀组及缸体等关键部位材料需兼顾高强度、耐腐蚀性与抗冲蚀能力。选取4类典型工业材料体系，依据统一试验条件与文献数据，从CO₂腐蚀速率、电化学敏感性、力学强度与冲蚀响应等方面构建性能参数体系，开展对比分析。材料性能参数如表1所示，为各部位功能匹配提供定量依据。

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