許 劍
(大慶油田裝備制造集團(tuán)吉林分公司,吉林松原 138000)
游梁式抽油機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的人工舉升設(shè)備,主要傳動(dòng)裝置為曲柄銷,用于連接連桿和曲柄,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞使抽油機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。抽油機(jī)在安裝過(guò)程中會(huì)存在一定的誤差,使曲柄銷承受復(fù)雜的外力。抽油機(jī)舉升設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中,如果曲柄銷出現(xiàn)斷裂,會(huì)使連桿變形,游梁出現(xiàn)翻轉(zhuǎn),嚴(yán)重情況下會(huì)使井口裝置受到嚴(yán)重破壞而引發(fā)安全事故,因此,必須保證曲柄銷處于正常運(yùn)行狀態(tài)。
游梁抽油機(jī)曲柄銷裝置失效原因主要是曲柄銷和錐套產(chǎn)生過(guò)度磨損、曲柄銷出現(xiàn)脫扣或斷裂、緊固螺母產(chǎn)生松動(dòng)等。
曲柄銷破壞和失效都與磨損有著直接聯(lián)系。錐套與曲柄銷之間的連接需要較高的精度,制造過(guò)程中要保證曲柄銷錐體具備一定的加工精度,此外,曲柄銷硬度不均也會(huì)引起失效。測(cè)試油田采油作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)取回的曲柄銷樣品,對(duì)引起曲柄銷失效的原因進(jìn)行分析,曲柄銷硬度低更容易引起失效問(wèn)題。
曲柄銷斷裂多出現(xiàn)在垂直于軸線斷面的螺紋根部位置,錐面小端和中部加工倒位部位。從強(qiáng)性樁、懸臂梁和外延伸斷支梁等方面建立曲柄銷受力模型。懸臂梁計(jì)算模型主要用于對(duì)低于鋼芯曲柄體剛性方面進(jìn)行計(jì)算和分析,曲柄銷正常運(yùn)行的前提是曲柄體、曲柄銷和錐套可以實(shí)現(xiàn)很好地配合。要對(duì)彎曲靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和校核,從而使其達(dá)到設(shè)計(jì)的安全系數(shù)。抽油機(jī)使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)曲柄銷斷裂,由于在加工制造時(shí)沒(méi)有選用科學(xué)合理的計(jì)算模型,這就要求建模時(shí)考慮彈性問(wèn)題。合理的模型可以根據(jù)寬度面保證相互間實(shí)現(xiàn)良好接觸,特別是保證曲柄銷和錐套之間配合良好。錐度存在較大的差異,會(huì)使2 個(gè)錐面不斷向著圓周方式產(chǎn)生接觸,如果小端接觸線變小,曲柄銷受力就越嚴(yán)重。因此,必須要保證曲柄體、曲柄銷和錐套具備很高的加工精度,避免對(duì)曲柄銷使用壽命造成影響。
在交變荷載情況下,曲柄銷會(huì)出現(xiàn)螺帽脫落,從抽油機(jī)內(nèi)完全脫出,嚴(yán)重情況下會(huì)產(chǎn)生翻機(jī)事故。對(duì)曲柄銷受力特性、螺母脫扣等進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),曲柄銷松脫是由于存在較大的摩擦力矩,加工質(zhì)量不高導(dǎo)致連接桿和曲柄銷軸承一起轉(zhuǎn)動(dòng),軸承會(huì)形成很大的摩擦力,形成的力矩使曲柄銷緊固螺母形成的力矩與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,造成螺母松脫。
抽油機(jī)曲柄銷失效原因中,鎖緊螺母松動(dòng)比較多見(jiàn),主要原因:抽油機(jī)在正常運(yùn)行條件下,曲柄銷緊固螺母預(yù)緊力矩不足,主要是由于加工制造過(guò)程中,曲柄銷配合錐面與標(biāo)準(zhǔn)圓錐面之間存在誤差,兩個(gè)配合面接觸情況比較復(fù)雜,導(dǎo)致曲柄銷鎖緊螺母出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)際運(yùn)行時(shí),連接桿存在著周期性作用力,曲柄銷會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng),錐面配合無(wú)法保證完全接觸,在該種狀態(tài)下,配合面預(yù)壓緊力會(huì)不斷變小,最終導(dǎo)致兩者的配合失效。
由于摩擦力矩的存在,曲柄銷會(huì)形成轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì),引起曲柄螺母與曲柄銷共同轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄與曲柄銷螺母相互間會(huì)形成反向力矩,緊固螺母可能產(chǎn)生松動(dòng)。在更換曲柄銷時(shí),如果沒(méi)有做好質(zhì)量控制可能會(huì)產(chǎn)生右旋曲柄銷安裝錯(cuò)位問(wèn)題,曲柄和曲柄銷間形成摩擦力,曲柄銷緊固螺母松動(dòng),引起曲柄失效,對(duì)裝置的正常使用造成影響。
設(shè)計(jì)曲柄銷結(jié)構(gòu)時(shí),需要合理提高直徑尺寸,直徑可提高到140 mm。加工曲柄銷鍵槽時(shí),應(yīng)把錐孔套槽從原來(lái)的20 mm 變成3 mm。可以采用42CrMo 材料制作錐孔套槽以及曲柄銷,保證硬度達(dá)到286~316 HMB,再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以提升硬度和剛性,曲柄銷結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
加工曲柄銷時(shí),需要使錐面粗糙度達(dá)到0.8,使曲柄銷錐面與錐孔套面接觸面積達(dá)到80%以上,還應(yīng)該加工達(dá)到90%以上的圖紙匹配度,以提高曲柄銷裝置精度。應(yīng)選用正扣右旋方式的旋向,使錐度比保證在1∶10。
應(yīng)保證曲柄銷裝配質(zhì)量,使其保證相同的曲柄旋向,銷螺紋右旋可以避免螺母產(chǎn)生松動(dòng),曲柄銷擰緊螺母力矩≥1400 N·m,使軸承質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求,減少不良配置引起的裝配質(zhì)量下降。
圖1 曲柄銷結(jié)構(gòu)
在抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,需要加強(qiáng)巡檢工作,檢查曲柄銷緊固螺母是否松動(dòng),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)停機(jī)緊固,并檢查是否存在損壞,如果損壞應(yīng)進(jìn)行換新。曲柄銷鎖緊主要采用3 個(gè)方式。
(1)雙螺母鎖緊。采有對(duì)頂?shù)姆绞綌Q緊雙螺母,讓螺栓在旋合區(qū)段里受到拉力,從而對(duì)螺母施加壓力,保證實(shí)現(xiàn)緊固的螺紋聯(lián)接,使螺母實(shí)現(xiàn)縱向壓緊。在對(duì)首個(gè)螺母進(jìn)行緊固時(shí),只需要達(dá)到設(shè)計(jì)力矩的80%,對(duì)第二個(gè)螺母進(jìn)行緊固,使其達(dá)到緊固力矩。首個(gè)螺母螺紋只受到對(duì)頂壓力,該種鎖緊方式可以實(shí)現(xiàn)很好的自鎖,但螺母規(guī)格型號(hào)都比較大,安裝起來(lái)存在著較大的難度,緊固力矩不好掌握,放松時(shí)效果并不理想。此外,曲柄銷會(huì)承受較大的載荷,曲柄在做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)情況下,曲柄銷和錐套處于圓錐面接觸狀態(tài),依賴螺母實(shí)現(xiàn)鎖緊,如果螺母松動(dòng)會(huì)引起錐套和曲柄銷圓周運(yùn)動(dòng),引起曲柄銷斷脫。需要根據(jù)實(shí)際情況慎重選擇。
(2)曲柄銷帶孔、開槽螺母配開口銷鎖緊。利用開槽螺母將曲柄銷安裝到指定位置,然后安裝開口銷。該鎖緊辦法可用在振動(dòng)和交變荷載情況下實(shí)現(xiàn)可靠的鎖緊效果,開槽螺母產(chǎn)生松動(dòng)后不會(huì)產(chǎn)生曲柄銷脫落。該鎖緊方式需要在曲柄銷螺紋中鉆孔,加工過(guò)程中會(huì)施加應(yīng)力從而對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響,使用過(guò)程中會(huì)存在安全隱患。
(3)4 爪鎖緊螺母和擋板壓緊。采用4 爪螺母鎖緊方式安裝曲柄銷時(shí),需要采用3 個(gè)緊固螺栓實(shí)現(xiàn)對(duì)擋板的緊固,最后實(shí)現(xiàn)對(duì)4 爪螺母的限位。如果4 爪螺母產(chǎn)生松動(dòng),因?yàn)閾醢逑尬坏拇嬖诙粫?huì)脫落。在曲柄銷端部緊固好螺栓孔,可以避免對(duì)曲柄銷強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。該鎖緊方式比較簡(jiǎn)便,方便安裝,可以起到很好的鎖緊效果,用于對(duì)曲柄銷的鎖緊,可以提高曲柄銷的防松性能,防止對(duì)曲柄銷結(jié)構(gòu)造成破壞。
綜上所述,游梁抽油機(jī)曲柄銷失效原因較多,需要根據(jù)失效機(jī)理進(jìn)行分析,確定解決措施??梢詮那N和錐套磨損、鎖緊螺母松動(dòng)、曲柄銷脫扣和斷裂等方面進(jìn)行分析,從曲柄銷生產(chǎn)工藝、裝配控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等角度提出解決措施。