高強度防斷上游動凡爾罩抽油泵的研發(fā)與應用

楊 君

（中國石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江433123）

隨著油田開發(fā)的深入，有桿泵采油下泵深度逐年增加，深抽采油已成為江漢油田控水穩(wěn)油、滾動擴邊、挖潛上產(chǎn)的重要技術手段之一，同時，隨著下泵深度的增加，井下工況變得愈加復雜，抽油泵故障也頻繁發(fā)生。每年，抽油泵活塞斷裂失效約為20～30井次，作業(yè)及抽油泵更換費用達到140～210萬元，而90% 以上的失效部位為活塞上游動凡爾罩的出油窗和進油罩螺紋根部退刀槽斷裂；因此，有必要對上罩進行受力分析，找出失效原因，制定相應對策，減少失效井次。

1 抽油泵上游動凡爾罩斷裂原因分析

1.1 柱塞上游動凡爾罩受力分析

上游動凡爾罩在不同位置時的受力主要包括以下六種：①抽油桿重力產(chǎn)生的作用在凡爾罩上的靜載荷；②作用在柱塞上的液柱載荷；③液柱的慣性載荷；④柱塞與泵筒之間的摩擦力；⑤液柱與抽油桿柱之間的摩擦力；⑥液柱和油管之間的摩擦力。

在抽油機完成一個沖次的過程中，上游動凡爾罩在理想狀態(tài)下的受力是上述六個力形成的合力，這個合力是不斷交替變化的，并作用在抽油泵和抽油桿的中心線上；但是，在井下的實際狀況卻造成了幾個力的交替轉(zhuǎn)變并偏離了理想狀態(tài)下抽油泵和抽油桿的中心線。產(chǎn)生這種情況的主要原因為：①實際油井并非理想垂直，都有一定的斜度，甚至是大斜度；②在以上幾個力的交替轉(zhuǎn)換中，特別是在上下兩個死點交替時，力的方向發(fā)生瞬間變化，引起抽油桿在整個油管中的振動，同時產(chǎn)生由于振動而引起的橫向慣性載荷。

1.2 柱塞上游動凡爾罩斷裂原因

柱塞和泵筒之間的密封性較好，柱塞的導向性能優(yōu)越，考慮過流面積和結(jié)構設計的需要，整個柱塞的直徑比上游動凡爾罩的等價直徑要大，基于這些因素，柱塞在下行過程中產(chǎn)生的橫向慣性載荷和偏離柱塞中心線的合力同時都作用在上游動凡爾罩上，由此便形成了兩個以上游動凡爾罩為支點的同向橫向力矩。從抽油泵上游動凡爾罩受力及扭曲示意圖（圖1）可以看出，在這兩個橫向力矩的作用下，柱塞和泵筒之間的摩擦力就會增大，使合力產(chǎn)生的力臂（即彎曲程度）更有增大的趨勢。在生產(chǎn)中，這兩個橫向力矩在每個沖次中交替出現(xiàn)，大大增加了上游動凡爾罩自身的疲勞損害，導致其疲勞壽命縮短，最終形成以上游動凡爾罩斷為主的抽油泵故障。同時，由于力矩的存在，使滑桿和上游動凡爾罩的螺紋旋合處從過盈配合轉(zhuǎn)化或部分轉(zhuǎn)化為間隙配合，導致滑桿從此處容易脫開。另外，由于受泵筒、柱塞徑向尺寸的限制以及其本身結(jié)構存在的缺陷，上游動凡爾罩出油窗要在周向均勻分布三個過油出口。這些出口位置壁薄、剛性弱、強度低，隨著工作時間的延長，在交變載荷的反復作用下，薄壁部分被拉長并變得越來越薄，最終就會造成上游動凡爾罩從出油窗薄壁處突然斷裂。

圖1 柱塞上游動凡爾罩受力及扭曲模擬示意圖

2 高強度防斷上游動凡爾罩抽油泵的研發(fā)過程

2.1 原始上游動凡爾罩

最初采用的抽油泵上游動凡爾罩內(nèi)的閥球置于出油窗內(nèi)，整個上罩結(jié)構簡單、安裝方便。但在使用過程中發(fā)現(xiàn)，出油窗薄壁由于受到閥球的頻繁、高速、高強度的摩擦撞擊，其壁厚變得越來越薄，極易在交變載荷的作用下發(fā)生斷裂故障。為了證實出油窗壁是結(jié)構最為薄弱處，專門做了現(xiàn)場拉伸試驗，實驗結(jié)果不僅證明了理論判斷的正確性，而且為下步針對此薄弱處的改進提供了必要的參考數(shù)據(jù)。

2.2 “啞鈴”式上游動凡爾罩出油窗

為了克服閥球撞擊出油窗壁的缺陷，在出油窗下面增設了另一部件－進油罩（上游動凡爾罩由出油窗和進油罩裝配組成）。為了增加出油窗的過流面積，使排液順暢、擾動小，減少溶解氣溢出，設計出了“啞鈴”式出油窗結(jié)構（圖2）。此設計雖然增強了出油窗壁的強度，但由于“啞鈴”處縮頸的存在，應力集中現(xiàn)象較為明顯，大多數(shù)斷裂也都發(fā)生在此處。

2.3 窗壁加厚出油窗

為了克服“啞鈴”處縮頸容易斷裂的不足，對自制抽油泵上游動凡爾罩進行了改進。該改進方案保留了進油罩結(jié)構，舍棄了“啞鈴”式出油窗結(jié)構，并在保證正常過流面積的情況下適當增加了出油窗壁厚。這種結(jié)構設計使出油窗既避免了閥球的撞擊又增加了窗壁的強度，明顯減少了出油窗處的斷裂故障。隨著時間的延長，出油窗處的斷裂故障雖然減少了，但進油罩螺紋根部退刀槽處的斷裂故障卻越來越多（圖3）。

圖2 “啞鈴”式上游動凡爾罩

圖3 退刀槽斷裂示意圖

2.4 無退刀槽進油罩

在臺階面前后車削加工內(nèi)螺紋時，為便于退刀且不撞壞刀具，同時也保證內(nèi)外螺紋旋合到位，一般要在螺紋根部預先加工出具有一定寬度和深度的退刀槽。退刀槽的存在又產(chǎn)生了較大的應力集中現(xiàn)象，大大削弱了零件的整體強度，這也是上游動凡爾罩斷裂點由出油窗轉(zhuǎn)移至進油罩螺紋根部的最根本原因之一。在進油罩內(nèi)外徑及整體結(jié)構都不能改變的前提下，解決螺紋根部退刀槽強度薄弱的唯一途徑便是采用螺紋變徑收尾的方法，去掉退刀槽。

加工無退刀槽結(jié)構的內(nèi)螺紋，不僅對加工機床性能要求很高，而且編程復雜，增加了加工成本，同時，去掉退刀槽后的進油罩結(jié)構強度具體能夠提高多少，綜合成本是否劃算仍不確定，這些都必須通過預見性結(jié)構設計來予以回答。因此，江漢采油廠工藝所引進了三維實體建模設計方法，運用專業(yè)的三維機械仿真模擬設計軟件SolidWorks來進行計算機輔助工程設計。首先，根據(jù)進油罩的改進思路進行三維實體建模；其次，把有無退刀槽的結(jié)構進行對比，論證其加工可行性；最后，利用有限元分析方法進行改進前后上閥罩的強度對比，以預測強度提高的效果。分析計算表明，去掉退刀槽后的進油罩螺紋根部強度較之有退刀槽時提高了近40%。

2.5 柱塞整體應力分布校核

由以上分析可以看出，去掉退刀槽結(jié)構的進油罩雖然加工過程稍有復雜，但其強度卻得到了大幅提升。運用SolidWorks Simulation進行了柱塞整體裝配后（加厚出油窗＋去退刀槽進油罩＋柱塞上其余普通零部件）的強度校核（圖4）。從應力分布圖來看，下部區(qū)域（越趨于下部越安全，越趨于上部越薄弱）較以往得到了明顯改觀，也就是說，原薄弱環(huán)節(jié)的強度得到了提高，現(xiàn)場應用后的斷裂失效機率將大幅下降。

圖4 柱塞整體拉伸應力分布圖

3 應用效果及評價

運用SolidWorks Simulation進行的應力分析模擬，為柱塞上游動閥罩的加工設計提供了大量參考數(shù)據(jù)，節(jié)約了產(chǎn)品試制成本和失效概率。這種自制的上游動凡爾罩抽油泵從試用至今，只有3臺泵的加強上罩在砂粒及銹皮等其它雜物造成卡泵的情況下發(fā)生了斷裂故障外，其余泵無一發(fā)生斷裂，完全滿足了正常生產(chǎn)的需要。

這種“高強度防斷上游動凡爾罩抽油泵”，不僅造價比外購泵降低近1 000元，而且泵斷作業(yè)大幅減少，油井維護費用大幅降低，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論與建議

1）油井井斜、桿柱振動、結(jié)構與材質(zhì)等各種因素的共同影響使抽油泵柱塞上游動凡爾罩成為泵上發(fā)生斷裂故障頻次最高的部位。

2）螺紋根部退刀槽處的應力集中現(xiàn)象將大大削弱零部件的結(jié)構強度，尤其是在其承受無數(shù)次的軸向拉扭交變載荷的情況下，退刀槽處斷裂現(xiàn)象明顯。

3）運用計算機輔助工程設計，尤其是三維實體建模技術的應用，可以逼真地模擬出設計者的結(jié)構設計思路，明顯地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期與節(jié)約試驗成本。

4）高強度防斷上游動凡爾罩抽油泵的成功研發(fā)與應用，不僅使江漢采油廠工藝研究所在抽油泵改進技術上獲得了充足的技術與經(jīng)驗積累，而且達到了延長油井檢泵周期，實現(xiàn)全廠降本增效的雙贏目的。

［1］賈鵬，劉同建，葉連波，劉玉梅，陳菊萍.有桿泵游動凡爾罩斷脫機理及治理技術［J］.中國科技信息，2006（01）：110－112.

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