潛油電泵偏磨失效機(jī)理分析

摘 要：針對(duì)潛油電泵存在偏磨的現(xiàn)象，詳細(xì)分析了潛油電泵偏磨的失效形態(tài)和失效原因。重點(diǎn)討論了振動(dòng)對(duì)潛油電泵偏磨的影響，指出多級(jí)泵的振動(dòng)是產(chǎn)生偏磨的最主要原因。在此基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞：潛油電泵 偏磨 振動(dòng)

中圖分類號(hào)：G206文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（b）-0056-01

1 潛油電泵偏磨失效形態(tài)分析

自2010年以來(lái)，因離心泵偏磨造成勝利采油廠躺井50口，占總躺井?dāng)?shù)的10.8%，其偏磨形態(tài)特點(diǎn)為葉輪下止推墊片磨損或磨沒(méi)，泵頭和泵座扶正套磨損嚴(yán)重，泵軸偏磨成鋸齒形或均勻磨細(xì)，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(xì)長(zhǎng)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(guò)程花鍵套與泵軸間的同軸度；油井含砂會(huì)加速泵內(nèi)葉輪止推墊片磨損或磨沒(méi)；機(jī)組在井下運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，不適應(yīng)井況，產(chǎn)生振動(dòng)，加劇泵內(nèi)如葉輪止推墊片、葉輪、導(dǎo)殼、泵軸、泵頭、泵座間的偏磨現(xiàn)象。

為此，對(duì)離心泵偏磨可能原因進(jìn)行逐步調(diào)查、逐一分析。一是先后3次對(duì)離心泵裝配工序進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查，重點(diǎn)檢查了軸、殼直線度，大件同軸度和垂直度，沒(méi)發(fā)現(xiàn)明顯問(wèn)題。二是從機(jī)組生產(chǎn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝的過(guò)程中，存在機(jī)組存儲(chǔ)、吊裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)不規(guī)范的現(xiàn)象，可能造成機(jī)組彎曲。但考慮到這是各類機(jī)組的共性問(wèn)題，認(rèn)為它也不是引起機(jī)組偏磨的主要原因。三是對(duì)井身軌跡的變化、全角變化率進(jìn)行了分析、計(jì)算，符合機(jī)組所處的環(huán)境位置。

通過(guò)分析認(rèn)為泵偏磨的主要原因：一是泵揚(yáng)程曲線比較陡峭，高效區(qū)內(nèi)揚(yáng)程變化幅度大，供液變化時(shí)葉輪浮動(dòng)變化大，墊片易磨損。二是葉導(dǎo)輪流體為徑向流形式，流體轉(zhuǎn)換路徑為直流形，類似“矩形波”，流體轉(zhuǎn)向“拐角處”易沉砂，造成泵砂卡。三是高效導(dǎo)葉輪揚(yáng)程高，葉片長(zhǎng)，“矩形波”幅度相對(duì)比較大，在含水高的情況下，水力沖擊增大，軸向、徑向“震動(dòng)”加劇，含砂量增加，墊片易磨損，尤其下墊片更易磨損，出現(xiàn)葉輪偏磨；嚴(yán)重時(shí)，機(jī)組偏磨、泵軸偏磨成鋸齒形，泵頭、座扶正套磨損，嚴(yán)重甚至斷軸。四是導(dǎo)葉輪因單級(jí)揚(yáng)程高，葉輪下推力大，導(dǎo)葉輪止推摩擦副極易破壞。高效導(dǎo)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(dòng)及其對(duì)偏磨的影響

潛油電泵為一細(xì)長(zhǎng)的離心泵，其級(jí)數(shù)高達(dá)幾百級(jí)，每級(jí)都由一個(gè)“浮套”在軸上的葉輪組成，葉輪與導(dǎo)輪配對(duì)用于級(jí)與級(jí)之間的導(dǎo)流。葉輪—— 導(dǎo)輪總成裝在一個(gè)直徑很小的泵殼內(nèi)。電泵主軸上下兩端由扶正套扶正，扶正套與軸的間隙遠(yuǎn)比導(dǎo)輪和葉輪的間隙小。工作時(shí)，主軸帶動(dòng)葉輪在導(dǎo)輪所形成的環(huán)形空間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

多級(jí)離心泵是一個(gè)組成零件多、剛性較差的系統(tǒng)。當(dāng)泵稍彎曲或葉輪稍偏心時(shí)，很容易產(chǎn)生慣性力而使運(yùn)轉(zhuǎn)失穩(wěn)。當(dāng)潛油電泵的壓力、排量出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)；電泵主軸彎曲產(chǎn)生交變載荷時(shí)；葉輪旋轉(zhuǎn)不平衡時(shí)；井口管線回壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)；泵殼彎曲時(shí)；當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子在電磁力作用下與定子對(duì)形成沖擊力或由于裝配不當(dāng)時(shí)，都會(huì)引起電泵主軸產(chǎn)生振動(dòng)。

潛油電泵在工作過(guò)程中運(yùn)行情況更復(fù)雜。由于葉輪與主軸一起在導(dǎo)輪形成的很小的環(huán)形空間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)激發(fā)力施加在主軸上引起振動(dòng)時(shí)，主軸橫向振幅即最大撓度不可能超出葉輪與導(dǎo)輪間的最大間隙。振動(dòng)使兩接觸面發(fā)生微動(dòng)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(diǎn)被小振幅振動(dòng)剪斷成為磨屑，磨屑接著被氧化。被氧化的磨屑在磨損過(guò)程中起著磨粒的作用，使摩擦表面形成麻點(diǎn)或蟲紋形傷疤。這些麻點(diǎn)或傷疤是應(yīng)力集中的根源。隨著磨損的加劇，徑向間隙越來(lái)越大，振動(dòng)越來(lái)越厲害。隨著振動(dòng)的加劇，振幅受導(dǎo)輪內(nèi)壁限制，形成葉輪外圓面與導(dǎo)輪內(nèi)孔面的帶沖擊的強(qiáng)烈摩擦，從而形成電泵機(jī)組的振動(dòng)，導(dǎo)致各級(jí)泵的不平衡和電泵主軸的微小彎曲，并通過(guò)金屬與金屬接觸而傳給保護(hù)器、電機(jī)，加速了電泵機(jī)組的損壞，引起電泵機(jī)組的失效。

泵軸為細(xì)長(zhǎng)的柔性軸，只有在保證徑向支撐完好時(shí)，才能在高轉(zhuǎn)速下可靠運(yùn)行。由于種種原因，如井液含砂或油層套管變形引起機(jī)組變形或由于機(jī)組本身的變形都會(huì)造成葉輪的徑向磨損。當(dāng)徑向磨損超過(guò)允許配合間隙的最大值時(shí)，機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生偏心振動(dòng)。這種振動(dòng)可以傳輸?shù)捷S上，同時(shí)會(huì)引起保護(hù)器機(jī)械密封失效以及電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。同時(shí)，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(zhuǎn)的泵軸及軸上葉輪，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。泵軸失去扶正后，泵軸彎曲發(fā)生偏磨變成曲軸。

振動(dòng)的加劇會(huì)加速潛油電泵的磨損，從而導(dǎo)致偏磨加?。黄サ募觿∮謺?huì)使偏心質(zhì)量矩增加，振動(dòng)的幅度更大，從而進(jìn)入一個(gè)惡性循環(huán)。顯而易見(jiàn)，振動(dòng)是產(chǎn)生偏磨問(wèn)題的關(guān)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(wèn)題，開發(fā)設(shè)計(jì)成功了電泵專用硬質(zhì)合金扶正套。并將其分別鑲嵌在導(dǎo)輪和葉輪徑向滑動(dòng)接觸部位，從而在此部位形成一個(gè)耐磨之磨擦副，提高導(dǎo)、葉輪徑向耐磨水平，實(shí)現(xiàn)徑向?qū)Ρ幂S和葉輪的強(qiáng)制扶正。扶正套在每節(jié)泵上按照800～900 mm間距均勻分布配置。同時(shí)在泵頭、泵座處安裝硬質(zhì)合金扶正套，強(qiáng)制扶正。該技術(shù)投入潛油電泵修理生產(chǎn)后，100余套電泵。從對(duì)井上返回的舊電泵解體檢查看，導(dǎo)葉輪和泵軸磨損大大減輕。

5 結(jié)語(yǔ)

潛油電泵出現(xiàn)偏磨以后，容易影響泵效、增加能耗和檢泵周期。本文通過(guò)分析潛油電泵的失效形態(tài)，指出振動(dòng)、流體流向變化、沉砂以及下止推摩擦副磨損都是導(dǎo)致潛油電泵偏磨的原因，其中多級(jí)泵的振動(dòng)是產(chǎn)生偏磨的最主要原因。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計(jì)成功了電泵專用硬質(zhì)合金扶正套。

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