潛油電泵偏磨失效機理分析
2016-09-18謝文獻1 王欣輝1 姚誠1 王錦程1 張立軍2
（1.中石化勝利油田分公司勝利采油廠，山東東營 257051；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 266580）
摘 要：針對潛油電泵存在偏磨的現象，詳細分析了潛油電泵偏磨的失效形態和失效原因。重點討論了振動對潛油電泵偏磨的影響，指出多級泵的振動是產生偏磨的Z主要原因。在此基礎上，提出了相應的解決方法。
關鍵詞：潛油電泵；偏磨；振動
1 潛油電泵偏磨失效形態分析
自2010年以來，因離心泵偏磨造成勝利采油廠躺井50口，占總躺井數的10.8％，其偏磨形態特點為葉輪下止推墊片磨損或磨沒，泵頭和泵座扶正套磨損嚴重，泵軸偏磨成鋸齒形或均勻磨細，如圖1所示。
2 潛油電泵偏磨失效原因分析
造成潛油離心泵偏磨的可能原因有：離心泵細長件的直線度（泵軸，泵殼）；連接件端面垂直度（泵頭，泵座）；電泵井井筒軌跡變化，如井斜、套管變形等；離心泵安裝過程花鍵套與泵軸間的同軸度；油井含砂會加速泵內葉輪止推墊片磨損或磨沒；機組在井下運轉過程中，不適應井況，產生振動，加劇泵內如葉輪止推墊片、葉輪、導殼、泵軸、泵頭、泵座間的偏磨現象。
為此，對離心泵偏磨可能原因進行逐步調查、逐一分析。一是先后3次對離心泵裝配工序進行了現場檢查，重點檢查了軸、殼直線度，大件同軸度和垂直度，沒發現明顯問題。二是從機組生產到現場安裝的過程中，存在機組存儲、吊裝、運輸等環節不規范的現象，可能造成機組彎曲。但考慮到這是各類機組的共性問題，認為它也不是引起機組偏磨的主要原因。三是對井身軌跡的變化、全角變化率進行了分析、計算，符合機組所處的環境位置。
通過分析認為泵偏磨的主要原因：一是泵揚程曲線比較陡峭，高效區內揚程變化幅度大，供液變化時葉輪浮動變化大，墊片易磨損。二是葉導輪流體為徑向流形式，流體轉換路徑為直流形，類似“矩形波”，流體轉向“拐角處”易沉砂，造成泵砂卡。三是高效導葉輪揚程高，葉片長，“矩形波”幅度相對比較大，在含水高的情況下，水力沖擊增大，軸向、徑向“震動”加劇，含砂量增加，墊片易磨損，尤其下墊片更易磨損，出現葉輪偏磨；嚴重時，機組偏磨、泵軸偏磨成鋸齒形，泵頭、座扶正套磨損，嚴重甚至斷軸。四是導葉輪因單級揚程高，葉輪下推力大，導葉輪止推摩擦副極易破壞。高效導葉輪壁薄，下止推摩擦副磨損后，葉輪下端扶正失效，造成偏磨。
3 振動及其對偏磨的影響
潛油電泵為一細長的離心泵，其級數高達幾百級，每級都由一個“浮套”在軸上的葉輪組成，葉輪與導輪配對用于級與級之間的導流。葉輪——導輪總成裝在一個直徑很小的泵殼內。電泵主軸上下兩端由扶正套扶正，扶正套與軸的間隙遠比導輪和葉輪的間隙小。工作時，主軸帶動葉輪在導輪所形成的環形空間內轉動。
多級離心泵是一個組成零件多、剛性較差的系統。當泵稍彎曲或葉輪稍偏心時，很容易產生慣性力而使運轉失穩。當潛油電泵的壓力、排量出現波動時；電泵主軸彎曲產生交變載荷時；葉輪旋轉不平衡時；井口管線回壓出現波動時；泵殼彎曲時；當電機起動時轉子在電磁力作用下與定子對形成沖擊力或由于裝配不當時，都會引起電泵主軸產生振動。
潛油電泵在工作過程中運行情況更復雜。由于葉輪與主軸一起在導輪形成的很小的環形空間內轉動，當激發力施加在主軸上引起振動時，主軸橫向振幅即Z大撓度不可能超出葉輪與導輪間的Z大間隙。振動使兩接觸面發生微動磨損，摩擦表面間的法向壓力使表面上的微凸體粘著。粘合點被小振幅振動剪斷成為磨屑，磨屑接著被氧化。被氧化的磨屑在磨損過程中起著磨粒的作用，使摩擦表面形成麻點或蟲紋形傷疤。這些麻點或傷疤是應力集中的根源。隨著磨損的加劇，徑向間隙越來越大，振動越來越厲害。隨著振動的加劇，振幅受導輪內壁限制，形成葉輪外圓面與導輪內孔面的帶沖擊的強烈摩擦，從而形成電泵機組的振動，導致各級泵的不平衡和電泵主軸的微小彎曲，并通過金屬與金屬接觸而傳給保護器、電機，加速了電泵機組的損壞，引起電泵機組的失效。
泵軸為細長的柔性軸，只有在保證徑向支撐完好時，才能在高轉速下可靠運行。由于種種原因，如井液含砂或油層套管變形引起機組變形或由于機組本身的變形都會造成葉輪的徑向磨損。當徑向磨損超過允許配合間隙的Z大值時，機組在運轉過程中就會產生偏心振動。這種振動可以傳輸到軸上，同時會引起保護器機械密封失效以及電動機發熱。同時，材料太軟，扶正軸承磨損，間隙增大，起不到扶正作用。高速旋轉的泵軸及軸上葉輪，會產生強烈的振動。泵軸失去扶正后，泵軸彎曲發生偏磨變成曲軸。
振動的加劇會加速潛油電泵的磨損，從而導致偏磨加劇；偏磨的加劇又會使偏心質量矩增加，振動的幅度更大，從而進入一個惡性循環。顯而易見，振動是產生偏磨問題的關鍵。
4 解決途徑和方法
為了解決泵軸、扶正套、葉輪徑向磨損問題，開發設計成功了電泵專用硬質合金扶正套。并將其分別鑲嵌在導輪和葉輪徑向滑動接觸部位，從而在此部位形成一個耐磨之磨擦副，提高導、葉輪徑向耐磨水平，實現徑向對泵軸和葉輪的強制扶正。扶正套在每節泵上按照800～900mm間距均勻分布配置。同時在泵頭、泵座處安裝硬質合金扶正套，強制扶正。該技術投入潛油電泵修理生產后，100余套電泵。從對井上返回的舊電泵解體檢查看，導葉輪和泵軸磨損大大減輕。
5 結語
潛油電泵出現偏磨以后，容易影響泵效、增加能耗和檢泵周期。本文通過分析潛油電泵的失效形態，指出振動、流體流向變化、沉砂以及下止推摩擦副磨損都是導致潛油電泵偏磨的原因，其中多級泵的振動是產生偏磨的Z主要原因。在此基礎上，開發設計成功了電泵專用硬質合金扶正套。
參考文獻
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