基于測試數(shù)據(jù)的潛油電泵葉輪失效分析方法

辛福義

（中國石油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010）

潛油離心泵是多級離心泵，其結(jié)構(gòu)主要由多級離心葉輪、導(dǎo)殼、泵軸、泵殼體和上下接對組成。當(dāng)電機(jī)軸帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，液體在離心力的作用下，通過導(dǎo)輪的導(dǎo)流，從葉輪中心沿葉片間的流道流向下一級葉輪，依次流過所有的葉輪和導(dǎo)輪，使液體壓能逐級增加，最終獲得一定的揚(yáng)程將井液舉升至地面。因此葉輪和導(dǎo)輪性能的優(yōu)劣，直接決定和影響潛油電動離心泵抽液的功效。由于井下工作環(huán)境較復(fù)雜、潛油離心泵特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài),使葉導(dǎo)輪失效的發(fā)生具有一定的規(guī)律性，為此,本文將在常規(guī)金屬失效件分析的理論和方法基礎(chǔ)上, 應(yīng)用可靠性分析理論和方法對葉導(dǎo)輪的失效形式進(jìn)行探討。

我單位的葉導(dǎo)輪實驗臺是用于檢測潛油離心泵葉輪使用性能的設(shè)備。通過電動機(jī)帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，以水為介質(zhì)，采集葉輪的主要工作參數(shù)，以確定葉輪并結(jié)合失效件的形貌分析工作性能。對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、流量、溫度、壓力這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和記錄，通過計算繪制出流量—揚(yáng)程/功率/泵效曲線。實驗臺能夠使工作人員進(jìn)一步的了解和掌握所用各種葉輪的工作性能，并對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，以提高整套離心泵組裝質(zhì)量和效率。

1 葉導(dǎo)輪失效分析基本步驟

（1）失效因素分析：對潛油電泵葉導(dǎo)輪設(shè)計、制造、使用條件和失效狀況等因素進(jìn)行調(diào)查，特別對葉導(dǎo)輪失效產(chǎn)生重要影響的幾何尺寸、加工工藝、連接方式、工作狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行深入分析。

（2）失效因素統(tǒng)計：在完善失效因素分析的基礎(chǔ)上，制定葉導(dǎo)輪失效影響統(tǒng)計原則、編制失效件統(tǒng)計表。影響葉導(dǎo)輪失效的參數(shù)包括：機(jī)械性能參數(shù)，包括抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、硬度、韌性等指標(biāo)的統(tǒng)計；金相組織，包括基體組織、石墨形態(tài)、石長、夾雜相情況；幾何參數(shù)，包括葉輪、導(dǎo)殼的主要部分尺寸與公差；鑄造工藝與質(zhì)量包括縮孔、疏松、偏析、氣泡等；表面形貌，包括裂紋與劃痕、折疊、斑疤、表面硬度、表面粗糙度等；及裝配工藝與精度包括裝配方法配合精度等。

（3）失效規(guī)律分析，根據(jù)葉導(dǎo)輪和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析, 得到一系列圖表和技術(shù)指標(biāo), , 從而完成葉導(dǎo)輪的失效模式和失效機(jī)理分析工作, 并提出一些改進(jìn)和控制措施。

2 失效分析理論

葉導(dǎo)輪的失效分析根據(jù)失效因素的不同可分為以下三種：

2.1 非參數(shù)化分析

針對葉導(dǎo)輪失效模式、工作壽命、油品成分、機(jī)械性能和金相組織等因素，由于這些因素屬非參數(shù)因素，所以只根據(jù)時間對其進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。分析是有限的數(shù)據(jù)集（而不是預(yù)測的數(shù)據(jù)值的范圍之外）和時間（而不是多個解釋變量）比較失效曲線的因素之一包括失敗次數(shù)的可靠性估計。常見的一種非參數(shù)的分析是Kaplan Meier 生命周期統(tǒng)計（KM）。

ti是“失效”發(fā)生的時間。di是在時間ti時發(fā)生失效的次數(shù)。上下置信區(qū)間，可以計算出使用統(tǒng)計軟件的KM曲線。一個置信區(qū)間的計算是+/-2個標(biāo)準(zhǔn)差的KM估計。

葉導(dǎo)輪的主要失效模式是磨損, 占整個失效件的95%以上,主要發(fā)生在葉導(dǎo)輪輪轂與軸之間、葉輪下裙部與導(dǎo)殼配合處。

2.2 半?yún)?shù)化分析

半?yún)?shù)分析比非參數(shù)方法更加深入。通過權(quán)限考查一組數(shù)據(jù)估算失效曲線，基于多種因素或關(guān)聯(lián)變量進(jìn)行回歸分析，判斷某一給定因素對失效曲線的貢獻(xiàn)值。

采用比例風(fēng)險模型假設(shè)潛油泵某部件的故障率的方法是：

其中：ho（t）為基本故障率（不需要規(guī)定，其為一個時間的函數(shù)）；

exp(β1xi1+β1xi2+…+β1xik為正函數(shù)，其中包括影響因素與協(xié)變量xi1-xik（與時間關(guān)聯(lián)）；

這種模式被稱為半?yún)?shù)化，因為基本故障率以任意形式給出時，協(xié)變量被線性化。因素/協(xié)變量的相對貢獻(xiàn)率可以描述為：

*當(dāng)β>0，失效時間隨協(xié)變量增大而減少；

*當(dāng)β<0，失效時間隨協(xié)變量增大而增加；

* 對于失效因素來說，失效貢獻(xiàn)值只相對一階因素；

2.3 參數(shù)化分析

參數(shù)化失效模型假定一種分布形式。本文將著重使用參數(shù)化模型分布，因為它對研究潛油泵的使用可靠性及故障數(shù)據(jù)分析具有廣泛的應(yīng)用。

參數(shù)化分析效率超過半非參數(shù)生存曲線估計，但它的應(yīng)用條件更加嚴(yán)格。

其中形狀參數(shù)k 為斜率。K 值小于1 明，故障率（初期故障）隨著時間減少。 K 值等于1，表明故障率不隨時間變化，為隨機(jī)故障。k 值大于1 表示故障率隨時間增加，主要表現(xiàn)為機(jī)械磨損。

比例參數(shù)λ，在分布中的作用相同，當(dāng)形狀參數(shù)不變時，比例參數(shù)增加，具有拉伸PDF 和失效曲線的效果。

3 潛油泵葉導(dǎo)輪失效分析應(yīng)用

3.1 有限葉片情況下泵揚(yáng)程計算

潛油電泵的葉輪都是有限葉片，產(chǎn)生的泵揚(yáng)程比無限多葉片的要低。潛油電泵葉輪是環(huán)列葉柵，應(yīng)用流體力學(xué)的葉柵理論，有限葉片單級潛油電泵的總揚(yáng)程用式（2）計算，則無限葉片和有限葉片潛油電泵的總揚(yáng)程可分別表示為：

式中

Hf——單級泵的摩擦能頭損失，m；

k2、k3——與流體粘度、泵葉導(dǎo)輪表面粗糙度有關(guān)的系數(shù)，s2/m5；

Hs——單級泵的揚(yáng)程沖擊損失,m ；

qD——泵設(shè)計排量，即額定排量，m3/s；

K——滑移系數(shù)，衡量渦流損失的大小，恒小于1，并在所有工況下都保持不變，無因次；

A——與泵葉輪外徑和轉(zhuǎn)速有關(guān)的常數(shù)，m；

B——與泵的結(jié)構(gòu)尺寸和電泵轉(zhuǎn)速有關(guān)的系數(shù)，s/m2；

HT∞——無限葉片單級潛油電泵的總揚(yáng)程，m

通過以上分析，潛油電泵的揚(yáng)程和能量可以用圖1 表示。圖中曲線1-1 與曲線2-2 之間表示渦流損失大小隨流量的變化；曲線2-2 與曲線3-3 之間部分為流動損失隨流量的變化；曲線3-3 與曲線4-4之間部分為沖擊損失隨流量的變化；曲線4-4 與曲線5-5 之間部分表示泵的漏失隨流量的變化；曲線5-5 為電泵工作時的實際揚(yáng)程。

圖1 潛油電泵的揚(yáng)程和能量圖

3.2 葉導(dǎo)輪性能分析

根據(jù)對揚(yáng)程的計算可知，潛油電泵對粘性流體的適應(yīng)性和能耗損失規(guī)律，從而可知葉導(dǎo)輪的性能對揚(yáng)程的影響。

對于曲線上的每一點的具體數(shù)值，都可以通過移動圖上的滑塊去查看。移動滑塊，表的右上角會顯示曲線與粉紅色縱軸交點的坐標(biāo)值。

3.3 葉導(dǎo)輪可靠性分析

根據(jù)葉導(dǎo)輪性能曲線的分析，確定各因素間的協(xié)變量運(yùn)用前文中的方法對葉導(dǎo)輪的可靠性進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

運(yùn)用不同的分析方法對葉導(dǎo)輪進(jìn)行失效分析，從而得出其對潛油泵使用壽命的影響曲線，根據(jù)具體的實驗數(shù)據(jù)，詮釋葉導(dǎo)輪的失效原因，為葉導(dǎo)輪的優(yōu)化設(shè)計提供完善的理論依據(jù)，這對改進(jìn)潛油泵的工作性能以及提高舉升效率都具有實際應(yīng)用意義。

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