田國強(qiáng) 田心寧

（中國石油西南油氣田公司a.蜀南氣礦；b.川中油氣礦）

四川長寧區(qū)塊頁巖氣開采示范基地自2013年正式建設(shè)以來，鉆井壓裂規(guī)模和頁巖氣產(chǎn)量都在快速增長， 隨之產(chǎn)生的返排液量更是巨增，這給各個(gè)生產(chǎn)平臺的轉(zhuǎn)供水泵站造成了很大的工作壓力。 目前，該區(qū)塊頁巖氣201 井區(qū)和209 井區(qū)的鉆井壓裂轉(zhuǎn)供水泵站已經(jīng)安裝了近170 臺多級離心泵（DP 型和DG 型自平衡多級離心泵）。這些多級離心泵的主體材料為不耐腐蝕的鑄造碳素鋼，采用機(jī)械密封方式。 多級離心泵驅(qū)動端采用單列向心滾柱軸承， 不承受軸向力作用，當(dāng)軸承運(yùn)行溫度低于95℃時(shí)，軸承不易損壞，更換頻率較低； 非驅(qū)動端采用一對接觸角為40°的單列向心滾動球軸承，背向安裝，正常情況下能夠承受較小的軸向殘余力，采用潤滑脂（黃油）潤滑，軸承和潤滑脂采取自然冷卻方式降溫。 然而在長期運(yùn)行過程中，軸承摩擦產(chǎn)生的熱量會在密封腔內(nèi)集聚從而引起軸承溫度持續(xù)升高，導(dǎo)致潤滑脂因高溫頻繁失效。 另外，由于軸承溫度持續(xù)升高，造成材料強(qiáng)度和硬度逐漸下降，導(dǎo)致軸承頻繁燒毀。 為此，有必要對四川長寧區(qū)塊頁巖氣多級離心泵軸承失效形式和原因進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的對策。

1 多級離心泵技術(shù)特點(diǎn)

DP 型和DG 型自平衡多級離心泵最主要的技術(shù)特點(diǎn)是其前半段出水經(jīng)旁路管進(jìn)入末端，再從中體段排出，這樣前半段的正葉輪組產(chǎn)生的推力與后半段的反葉輪組產(chǎn)生的推力大小相等、方向相反， 理論上這兩個(gè)方向的推力可以抵消，多級離心泵軸向殘余應(yīng)力為零，軸承不承受軸向應(yīng)力，解決了軸向力不平衡的問題，避免了葉輪和軸承的摩擦。 但是在實(shí)際的頁巖氣返排液轉(zhuǎn)供水過程中，由于眾多原因，多級離心泵的軸向推力難以達(dá)到自平衡，這使得運(yùn)行中的軸承總是處于軸向受力狀態(tài)。

2 設(shè)備現(xiàn)狀

上海東方泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司的設(shè)備出廠技術(shù)文件指出，四川長寧區(qū)塊頁巖氣使用的自平衡多級離心泵適用于輸送不含固體顆粒、溫度低于80℃的清水或物理化學(xué)性質(zhì)類似于清水的液體。 然而，由于我國頁巖氣鉆井壓裂工藝技術(shù)的需要，根據(jù)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況要向壓裂液添加一定量的酸性試劑和石英砂，因此頁巖氣排水采氣階段產(chǎn)生的返排液就具有腐蝕性和磨損性，導(dǎo)致設(shè)備管道腐蝕磨損穿孔現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，與此同時(shí)，多級離心泵葉輪高速旋轉(zhuǎn)也加劇了返排液對葉輪、流道等部件的腐蝕和磨損（圖1）。

圖1 葉輪的腐蝕磨損情況

四川長寧區(qū)塊頁巖氣基地建設(shè)規(guī)模較大，鉆井壓裂工作進(jìn)度較快， 頁巖氣產(chǎn)能不斷提升，點(diǎn)多面廣，各鉆井平臺轉(zhuǎn)供水泵站的設(shè)備長期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致多級離心泵故障頻繁，設(shè)備故障數(shù)量較大，維修任務(wù)繁重，現(xiàn)有設(shè)備維修力量無法滿足正常生產(chǎn)要求。 在眾多設(shè)備問題中，因軸承溫度超標(biāo)而導(dǎo)致的設(shè)備失效是多級離心泵最頻繁的故障。 正常情況下軸承的使用壽命是20 000～40 000h， 然而在實(shí)際生產(chǎn)中往往不足2 000h 就需要更換，甚至一周一換，使用時(shí)間遠(yuǎn)達(dá)不到軸承的正常使用壽命。 同時(shí)，多級離心泵運(yùn)行潤滑管理制度要求， 在設(shè)備連續(xù)運(yùn)行120h 后需要對軸承進(jìn)行一次潤滑脂加注，但是在實(shí)際運(yùn)行中往往每24h 就要進(jìn)行潤滑脂加注，而且在加注時(shí)潤滑脂會由于軸承密封腔內(nèi)的高溫環(huán)境被擠出，從而造成潤滑脂的極大浪費(fèi)和環(huán)境污染。 另外，更換一對軸承需要消耗配件費(fèi)用和人工成本近1.5萬元，維修工作量大。

3 軸承的主要失效形式

經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，軸承的主要失效形式包括：

a. 疲勞破壞。 滾動軸承工作過程中，滾動體相對內(nèi)圈（或外圈）不斷地轉(zhuǎn)動，因此滾動體與滾道接觸表面承受變應(yīng)力。 此應(yīng)力近似于載荷按脈動循環(huán)變化， 由于脈動循環(huán)接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，在滾動體或滾道的表面下一定深度處會產(chǎn)生疲勞裂紋，繼而擴(kuò)展到接觸表面，形成疲勞點(diǎn)蝕，致使軸承無法正常工作。 通常，疲勞點(diǎn)蝕是滾動軸承的主要失效形式。

b. 永久變形。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速很低或者間歇擺動時(shí)，一般不會產(chǎn)生疲勞損壞。 但是當(dāng)有很大的靜載荷或沖擊載荷作用時(shí)，會使得軸承滾道和滾動體接觸處產(chǎn)生永久變形 （滾道表面形成變形凹坑）， 從而導(dǎo)致軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生劇烈振動和噪聲，致使軸承無法正常工作。

c. 由于操作使用和維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)導(dǎo)致的軸承或密封潤滑不良、軸承溫度過高等，會造成軸承強(qiáng)度下降從而失效。

4 多級離心泵軸承失效原因分析

四川長寧區(qū)塊頁巖氣鉆井壓裂平臺轉(zhuǎn)供水泵站多級離心泵不存在超負(fù)荷運(yùn)行情況，但是原非驅(qū)動端軸承密封潤滑冷卻結(jié)構(gòu)（圖2）存在不合理性，潤滑冷卻效果不佳，導(dǎo)致多數(shù)設(shè)備在運(yùn)行一年后軸承溫度逐步上升，高達(dá)140～180℃。

圖2 原非驅(qū)動端軸承密封潤滑冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

觀察發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在運(yùn)行過程中遠(yuǎn)無法達(dá)到軸承溫度不大于95℃的技術(shù)要求。 通過多次對自平衡多級離心泵解體檢修并分析，確認(rèn)軸承潤滑冷卻不良是導(dǎo)致軸承溫度超高而失效的直接原因：

a. 為了保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源，返排液會多次重復(fù)循環(huán)利用，即轉(zhuǎn)供水泵站用多級離心泵將返排液轉(zhuǎn)送到鉆井平臺作鉆井壓裂液用。 因此，多級離心泵內(nèi)部構(gòu)件受腐蝕/磨損嚴(yán)重，尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的正葉輪和反葉輪的腐蝕和磨損情況尤為突出，這就導(dǎo)致正葉輪組與反葉輪組產(chǎn)生的推力方向相反，大小卻不相等，兩者無法完全抵消，進(jìn)而產(chǎn)生了較大的軸向殘余應(yīng)力。 軸承承受了較大的殘余應(yīng)力作用后摩擦加劇造成溫度快速上升，超過溫度極限后就會導(dǎo)致軸承硬度、強(qiáng)度下降從而損壞。

b. 自平衡多級離心泵驅(qū)動端采用的是一個(gè)單列向心滾柱軸承，軸向不受力且不會產(chǎn)生超溫問題。 非驅(qū)動端軸承采用的是潤滑脂潤滑方式，軸承壓蓋密閉，通過軸承座和軸承壓蓋表面自然散熱實(shí)現(xiàn)自然冷卻降溫。 這種潤滑密封結(jié)構(gòu)使得加油保養(yǎng)困難、操作不便，軸承和潤滑脂散熱效果不佳，潤滑脂容易損耗從而導(dǎo)致“干油缺油”燒毀軸承。 這是多級離心泵非驅(qū)動端軸承熱傳導(dǎo)散熱效果不佳導(dǎo)致軸承溫度超高的重要原因。 針對這種情況，若能改變頁巖氣返排液的化學(xué)性質(zhì)和物理特性，消除返排液的腐蝕性和磨損性，那么問題就能迎刃而解，然而在當(dāng)前國內(nèi)頁巖氣開采技術(shù)條件下此方法很難實(shí)現(xiàn)。 因此，考慮從改善軸承散熱降溫效果、改善軸承潤滑效果等方面進(jìn)行技術(shù)改造， 使軸承產(chǎn)生的熱量迅速被帶走，確保軸承運(yùn)行溫度不超標(biāo)，提高軸承的使用壽命。

5 改進(jìn)措施及效果

5.1 改進(jìn)措施

多級離心泵非驅(qū)動端軸承密封潤滑冷卻方式的改進(jìn)措施為：

a. 改變軸承潤滑劑類型， 即選擇N320 齒輪潤滑油替代潤滑脂。 在相同環(huán)境和技術(shù)條件下N320 齒輪潤滑油的潤滑性和冷卻性都要優(yōu)于潤滑脂，一方面，使用N320 齒輪潤滑油可以將軸承運(yùn)動摩擦產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走以達(dá)到降低軸承溫度的目的；另一方面，N320 齒輪潤滑油良好的潤滑性可以更好地改善軸承潤滑效果，降低軸承運(yùn)動摩擦生熱的程度。 只要解決N320 齒輪潤滑油的儲存密封和冷卻問題就可以確保多級離心泵在運(yùn)行過程中軸承不缺油，從而提高軸承的使用壽命。

b. 改變軸承兩端壓蓋潤滑密封結(jié)構(gòu)形式，即對多級離心泵非驅(qū)動端軸承潤滑冷卻工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造（圖3）。一方面，通過增大潤滑油儲存容積面積，提高潤滑油散熱效率，從而降低潤滑油和軸承溫度。 將原軸承后端壓蓋加長使之能夠儲存足夠的保存有潤滑油的儲油圓筒，以保證儲油圓筒的散熱面積足夠大，并在端面安裝透明有機(jī)玻璃以便于觀察控制潤滑油情況。 另一方面，將軸端軸承壓蓋潤滑油密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為50mm 長（三道回油環(huán)）的密封槽，確保運(yùn)行中潤滑油不被甩出密封腔。

圖3 改造后的多級離心泵非驅(qū)動端軸承潤滑冷卻工藝結(jié)構(gòu)示意圖

c. 儲油圓筒內(nèi)放置6～10 圈由直徑為10mm的紫銅管冷彎制成的圓形盤管，使泵站箱式變電站常開電器儀表溫度控制空調(diào)產(chǎn)生的冷疑水（低溫清潔）流過紫銅盤管并就地排放，冷凝水迅速帶走潤滑油熱量進(jìn)而達(dá)到降低潤滑油和軸承溫度的目的。

5.2 使用效果

通過對中國石油西南油氣田公司四川長寧區(qū)塊頁巖氣201 井區(qū)H5 轉(zhuǎn)供水泵站兩臺500kW的DP280-65X6 型多級離心泵和H10 轉(zhuǎn)供水泵站兩臺900kW 的DP280-65X10 型多級離心泵進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)際使用效果表明，軸承潤滑冷卻效果良好， 非驅(qū)動端軸承運(yùn)行溫度從145.8、176.4℃下降到了85℃以下，完全滿足軸承溫度技術(shù)要求，保證了設(shè)備的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語

頁巖氣作為我國的重要清潔能源，未來會有大規(guī)模的勘探與開采。 由于我國頁巖氣開采工藝技術(shù)尚處于初始階段，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)還會繼續(xù)采用壓裂法工藝，故返排液的腐蝕性和磨損性必然存在，這就導(dǎo)致頁巖氣鉆井壓裂和生產(chǎn)過程中的返排液對多級離心泵產(chǎn)生的腐蝕和磨損不可避免。 一方面，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇耐腐蝕性材料的多級離心泵作為返排液轉(zhuǎn)供設(shè)備，減少由葉輪腐蝕導(dǎo)致的軸承超溫失效；另一方面，通過筆者提出的3 項(xiàng)改進(jìn)措施對現(xiàn)有頁巖氣返排液轉(zhuǎn)供水多級離心泵非驅(qū)動端軸承的密封潤滑冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使軸承運(yùn)行溫度能夠得到有效控制，延長軸承使用壽命，降低設(shè)備故障頻率，為頁巖氣的順利鉆井壓裂和連續(xù)生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。