抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

張朋娟 楊海波 湯凱 王會(huì)山 董亞玲

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠；3.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

游梁式抽油機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、操作維修方便等特點(diǎn)在大慶油田廣泛應(yīng)用。其中減速箱將電動(dòng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)三軸兩級(jí)減速變?yōu)檩敵鲚S的低速轉(zhuǎn)動(dòng)[1]，但減速箱齒輪間存在不同程度的摩擦，抽油機(jī)減速箱、各類軸承的損壞中，因減速箱看窗看不清問(wèn)題占減速箱總問(wèn)題60%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前大慶油田對(duì)于抽油機(jī)減速箱看窗的革新重點(diǎn)在減速箱看窗看不清后如何治理，但對(duì)于如何預(yù)防減速箱看窗不清晰以及避免拆卸抽油機(jī)減速箱看窗存在知識(shí)空白，查詢現(xiàn)有專利認(rèn)為：減速箱看窗外加對(duì)應(yīng)極性相反的磁塊，磁塊帶動(dòng)看窗內(nèi)毛刷前端設(shè)置的小磁塊移動(dòng)，從而帶動(dòng)毛刷移動(dòng)[2]，達(dá)到刷洗看窗的效果，目前國(guó)內(nèi)外相同油田也都是在清理抽油機(jī)減速箱看窗上進(jìn)行革新，所以研制預(yù)防看窗污染的新型看窗是我們的主攻方向。

1 存在問(wèn)題

游梁式抽油機(jī)的制造和使用已經(jīng)有130多年的歷史[3]，抽油機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行之后，隨著機(jī)械設(shè)備老化問(wèn)題的加劇，出現(xiàn)故障的現(xiàn)象不斷發(fā)生[4]。抽油機(jī)減速箱機(jī)油具有潤(rùn)滑減速箱內(nèi)部齒輪、帶走機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量、保護(hù)機(jī)械表面等功能；由于減速箱的密封件及端蓋在長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)工作中會(huì)發(fā)生磨損、間隙大的現(xiàn)象[5]。目前抽油機(jī)減速箱機(jī)油液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)平面塑料板對(duì)減速箱內(nèi)部液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)；由于該系統(tǒng)平面塑料板內(nèi)表面長(zhǎng)期與機(jī)油直接接觸，造成污染，導(dǎo)致觀測(cè)不清晰及抽油機(jī)減速箱看窗漏油，最后不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)減速箱缺乏潤(rùn)滑導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障，存在一定的安全隱患。

抽油機(jī)減速箱看窗漏油的原因經(jīng)過(guò)分析，主要是游梁式抽油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，減速箱潤(rùn)滑油因?yàn)闇囟炔▌?dòng)、齒輪表面金屬剝落及軸承的磨損和灰塵的污染，減速箱看窗長(zhǎng)期在這種惡劣環(huán)境下工作，會(huì)導(dǎo)致看窗內(nèi)表面污染，很難清洗造成鏡面光潔度變差；為能夠看清減速箱液面，崗位員工要經(jīng)常對(duì)減速箱看窗進(jìn)行拆卸清洗，由于頻繁拆卸導(dǎo)致減速箱看窗出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，既影響油井的生產(chǎn)時(shí)率，又增加員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 解決對(duì)策

針對(duì)傳統(tǒng)的抽油機(jī)減速箱看窗存在的諸多問(wèn)題，研制抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗從根本上解決相應(yīng)問(wèn)題。

2.1 基本情況

抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗可提高抽油機(jī)減速箱機(jī)油液位目視監(jiān)測(cè)效果，同時(shí)可避免抽油機(jī)減速箱看窗因內(nèi)部油液污染造成的無(wú)法觀測(cè)液位情況。

抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗與原普通看窗的外形尺寸相同，看窗采用間接介質(zhì)顯示液位，間接顯示液為具備防凍能力的防凍液，其本身通過(guò)添加染色劑帶有鮮艷的顏色，和背景形成明顯色差，方便觀察液位高度。其隔離結(jié)構(gòu)看窗與原看窗相比，具有觀察視角廣、背影清晰、無(wú)結(jié)垢、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，員工更容易觀察判斷減速箱內(nèi)的潤(rùn)滑油液位是否符合要求。

抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗結(jié)構(gòu)見圖1，由密封絲堵、絲堵密封墊、看窗主體、密封墊片、連通螺栓、玻璃管上部密封墊、有機(jī)玻璃管、玻璃管下部密封墊、連通底座等構(gòu)成。

圖1 抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the double liquid isolation structure observing window of deceleration box of pumping unit

2.2 原理

抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗采用連通器原理，通過(guò)選擇具備鮮艷特征的介質(zhì)做為顯示指示物，消除了減速箱液位看不清和清洗看窗的問(wèn)題。

雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗使用時(shí)，減速箱內(nèi)的潤(rùn)滑油從進(jìn)油通道進(jìn)入雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗的油—液室，潤(rùn)滑油比防凍液密度小，浮在防凍液上層，壓迫油—液室的防凍液下行，經(jīng)連通通道進(jìn)入玻璃管內(nèi)，直至平衡為止；玻璃管內(nèi)的氣體經(jīng)平衡通道進(jìn)入儲(chǔ)油室，再經(jīng)儲(chǔ)油室氣平衡孔進(jìn)入減速箱內(nèi)。當(dāng)減速箱內(nèi)的潤(rùn)滑油減少時(shí)，玻璃管內(nèi)的防凍液高于減速箱內(nèi)的潤(rùn)滑油高度，在重力的作用下，防凍液壓迫油—液室內(nèi)的潤(rùn)滑油經(jīng)進(jìn)油通道流回看窗儲(chǔ)油室，再經(jīng)儲(chǔ)油室進(jìn)油通道流回減速箱內(nèi)；玻璃管內(nèi)的氣體減少，減速箱內(nèi)的氣體經(jīng)氣平衡通道補(bǔ)充到玻璃管內(nèi)，直至平衡為止，抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗原理見圖2。

圖2 抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗原理Fig.2 Principle of the double liquid isolation structure observing window of deceleration box of pumping unit

2.3 技術(shù)關(guān)鍵

2.3.1 整體結(jié)構(gòu)尺寸

由于受抽油機(jī)減速箱原有看窗的整體尺寸和安裝螺絲孔的限制，抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗的外徑設(shè)計(jì)為100 mm，雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗的顯示極限高度50 mm，玻璃管安裝座寬25 mm，安全液位1/3～2/3，液位下限13 mm，液位上限29.5 mm，玻璃管液位計(jì)的外型結(jié)構(gòu)尺寸見圖3。

圖3 玻璃管液位計(jì)的外型結(jié)構(gòu)尺寸Fig.3 External structure dimension of glass tube level gauge

2.3.2 防凍液與潤(rùn)滑油的液位變化比例關(guān)系

根據(jù)GB/T 13608—2009《合理潤(rùn)滑技術(shù)通則》，合理潤(rùn)滑是指為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠運(yùn)行、性能改善、降低摩擦功耗、減少溫升和磨損及潤(rùn)滑劑消耗量，對(duì)設(shè)備的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行操作、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和使用潤(rùn)滑劑品種、性能等采取的各種技術(shù)和管理手段。潤(rùn)滑油在抽油機(jī)減速箱中主要作用是減少齒輪間的摩擦，保護(hù)軸和齒輪，起到潤(rùn)滑、冷卻、防銹、清潔、密封和緩沖等主要作用[6]。

抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗的革新重點(diǎn)是考慮如何防止?jié)櫥瓦M(jìn)入玻璃管內(nèi)造成玻璃管管壁附著現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)與材料選型時(shí)，將抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗液位計(jì)油—液室的截面積設(shè)計(jì)為玻璃管管內(nèi)截面積的2.5倍，也就是當(dāng)油—液室內(nèi)的液位每增加或降低1 mm，玻璃管內(nèi)的液位就會(huì)升高或降低2.5 mm，通過(guò)計(jì)算得出加入10 mL的顯示介質(zhì)，油—液室內(nèi)的潤(rùn)滑油就不會(huì)進(jìn)入抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗玻璃管內(nèi)。

2.3.3 防凍液的選擇

大慶油田地處我國(guó)北方嚴(yán)寒地區(qū)[7]，冬季寒冷，溫度低，有關(guān)資料顯示，低溫極值為-36℃，因此在選擇看窗內(nèi)配套的防凍液時(shí)，首先確定其凝固點(diǎn)必須小于-40℃，防凍液應(yīng)具備三大性能：

1）防凍性能。防凍液主要以乙二醇、乙醇和水等物質(zhì)構(gòu)成，冰點(diǎn)是其主要指標(biāo)，普通防凍液可以達(dá)到-40℃，優(yōu)質(zhì)防凍液要達(dá)到-60℃，這是標(biāo)定防凍液質(zhì)量的重要指標(biāo)。

2）清洗性能。防凍液內(nèi)的表面活性劑，具有潤(rùn)濕、滲透、增溶等功能，可提高其抗污能力。

3）示蹤能力。具有鮮艷的色澤，使其便于觀察，兩種防凍液對(duì)比見圖4。

圖4 兩種防凍液對(duì)比Fig.4 Comparison of two types of antifreeze

抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗防凍液中水的成分需要進(jìn)行限制，并采取投放穩(wěn)定劑的方式減輕其溢散，避免水及其中雜質(zhì)對(duì)顯示部件或潤(rùn)滑油中的添加劑產(chǎn)生影響[8]。抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗防凍液選擇顏色需要具有較好的穩(wěn)定性，以避免因陽(yáng)光照射導(dǎo)致褪色而影響觀察效果。初步選用市場(chǎng)常見的粉色防凍液和藍(lán)色防凍液，兩種介質(zhì)本身性能完全相同，而看窗背景色設(shè)置為紅色和綠色區(qū)域，紅色區(qū)域?yàn)椴缓细駞^(qū)域，綠色區(qū)域?yàn)楹细駞^(qū)域，防凍液的液位應(yīng)在綠色背景的映襯下，所以粉色防凍液更便于抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗使用。

2.3.4 潤(rùn)滑油與防凍液的配伍性試驗(yàn)

潤(rùn)滑油是由基礎(chǔ)油和添加劑組成，基礎(chǔ)油主要包括礦物油和合成油，而常用的添加劑有十幾類甚至上百種，這些基礎(chǔ)油和添加劑可能起協(xié)同作用，也可能起反協(xié)同作用[9]。而抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗內(nèi)潤(rùn)滑油和顯示液在油—液室內(nèi)共存，抽油機(jī)減速箱內(nèi)潤(rùn)滑油如果與顯示液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)污染減速箱潤(rùn)滑油，污染的潤(rùn)滑油將不會(huì)起到潤(rùn)滑油原有的作用，因此選擇的防凍液不能與抽油機(jī)減速箱內(nèi)潤(rùn)滑油互溶或乳化變質(zhì)反應(yīng)。

為保證抽油機(jī)減速箱內(nèi)潤(rùn)滑油與顯示液不出現(xiàn)互溶現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)抽油機(jī)減速箱內(nèi)使用潤(rùn)滑油現(xiàn)狀進(jìn)行分析。抽油機(jī)減速箱潤(rùn)滑油為重負(fù)荷工業(yè)齒輪油，按照GB 3141—1994《工業(yè)用潤(rùn)滑劑ISO黏度分類標(biāo)準(zhǔn)》分類，常使用抽油機(jī)齒輪油黏度級(jí)別多為68#（40℃運(yùn) 動(dòng) 黏 度61.2～74.8 mm2/s）、100#（40℃運(yùn)動(dòng)黏度90～110 mm2/s）、150#（40℃運(yùn)動(dòng)黏度135～165 mm2/s）、220#（40℃運(yùn) 動(dòng) 黏 度198～242 mm2/s）等。減速箱選用潤(rùn)滑油型號(hào)：環(huán)境溫度0～30℃，輸出軸轉(zhuǎn)速在100 r/min以上時(shí)使用150#齒輪油，在100 r/min以下時(shí)使用220#齒輪油；環(huán)境溫度在-10～15℃時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)速在100 r/min以上時(shí)使用68#齒輪油，在100 r/min以下時(shí)使用100#齒輪油，同時(shí)工業(yè)齒輪油傾點(diǎn)不高于-9℃，高傾點(diǎn)的產(chǎn)品在低溫下會(huì)失去流動(dòng)性，不能滿足低溫下的潤(rùn)滑需要[10]。

為了防止防凍液與潤(rùn)滑油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或引起潤(rùn)滑油的乳化變質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)防凍液與潤(rùn)滑油進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證選擇的防凍液是否可行，經(jīng)過(guò)一年的實(shí)驗(yàn)，分層明顯，沒(méi)有出現(xiàn)融合現(xiàn)象。防凍液與潤(rùn)滑油未見混層相溶，相關(guān)容器內(nèi)無(wú)油液掛壁聚集或乳化變質(zhì)產(chǎn)生衍生物。防凍液與潤(rùn)滑油的配伍性實(shí)驗(yàn)見圖5。

圖5 防凍液與潤(rùn)滑油的配伍性實(shí)驗(yàn)Fig.5 Compatibility test of antifreeze and lubricating oil

2.3.5 潤(rùn)滑油與防凍液的液位差

對(duì)于防凍液與潤(rùn)滑油之間是否存在液位差進(jìn)行分析：經(jīng)過(guò)調(diào)查，防凍液水密度為0.96 g/cm3，減速箱所加的潤(rùn)滑油密度為0.88 g/cm3，防凍液與潤(rùn)滑油存在密度差異，連通器兩端的液位存在偏差，對(duì)于連通器兩端液位的偏差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；現(xiàn)場(chǎng)將抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗分別裝入相同體積的潤(rùn)滑油和防凍液，對(duì)比分別裝入潤(rùn)滑油和防凍液的抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗液位高度差小于4 mm，由此液位差可以忽略不計(jì)。

3 成果應(yīng)用

抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗已在大慶油田某采油廠得到推廣應(yīng)用，抽油機(jī)減速箱看窗外觀對(duì)比見圖6。抽油機(jī)減速箱看窗故障多發(fā)生在冬季寒冷天氣，該成果在2019年冬季前安裝應(yīng)用130井次，3 a來(lái)應(yīng)用效果顯著，極大改善了減速箱液位觀察效果，避免抽油機(jī)減速箱損壞以及減速箱內(nèi)潤(rùn)滑油的滲漏，同時(shí)也避免了抽油機(jī)減速箱看窗的拆卸清理維護(hù)作業(yè)。

圖6 抽油機(jī)減速箱看窗外觀對(duì)比Fig.6 Appearance comparison of deceleration box of pumping unit

應(yīng)用后，減速箱內(nèi)潤(rùn)滑油有效檢測(cè)率達(dá)到100%，減少潤(rùn)滑油添加量350 kg，減少時(shí)率影響原油產(chǎn)量12.18 t/a，減少減速箱大修3臺(tái)次，累計(jì)創(chuàng)效共計(jì)8.956 3萬(wàn)元，有效降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高抽油機(jī)井的生產(chǎn)時(shí)率，最大程度節(jié)省減速箱維修費(fèi)用和停機(jī)導(dǎo)致的產(chǎn)量損失，在節(jié)能降耗上效果顯著。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)抽油機(jī)減速箱看窗在實(shí)踐中不斷探索研究，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好，得出以下認(rèn)識(shí)：

1）抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗解決了傳統(tǒng)看窗觀察視野狹窄的問(wèn)題，其觀察視野大于或等于180°，更適合在不同角度觀看，消減了職工攀爬抽油機(jī)導(dǎo)致的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全[11]。

2）抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗玻璃管內(nèi)采用防凍液做為隔離液，可避免潤(rùn)滑油進(jìn)入玻璃管凝固，導(dǎo)致液面凝結(jié)污染，同時(shí)避免減速箱看窗頻繁拆卸導(dǎo)致減速箱內(nèi)潤(rùn)滑油泄漏造成的油料浪費(fèi)[12]。

3）抽油機(jī)減速箱雙液隔離結(jié)構(gòu)看窗應(yīng)用后，通過(guò)及時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油液位，降低因缺乏潤(rùn)滑油導(dǎo)致的減速箱故障維修情況，在節(jié)能降耗上起到示范作用[13]。