王慶斌

（大慶鉆探工程井下作業(yè)工程公司，吉林松原 138000）

0 引言

隨著油田開發(fā)的不斷深入，特別是頁巖油、頁巖氣、致密油的開發(fā)，壓裂工藝應(yīng)用的重要性逐步顯現(xiàn)，對(duì)壓裂車組提出了越來越高的要求，大功率、長時(shí)間、高負(fù)載已成為壓裂施工的主要特點(diǎn)。而作為壓裂車的核心設(shè)備，壓裂泵的可靠性要求越來越高，小連桿承受最高113 400 kg 載荷，這些載荷通過十字頭傳遞給十字頭銷軸和連桿軸承，因此這兩個(gè)部位磨損情況直接影響油膜形成和機(jī)構(gòu)工作，一旦超差，極易引發(fā)嚴(yán)重機(jī)械故障。通常檢測(cè)這兩個(gè)部位間隙需要對(duì)大泵解體后進(jìn)行，解體大泵不僅周期長，還要更換相關(guān)的密封件，成本和周期都對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營帶來較大影響，因此研制不通過拆解快速測(cè)量出該部間隙是否超差的測(cè)量工具，對(duì)生產(chǎn)和經(jīng)營具有重要意義。

目前，國內(nèi)油田壓裂設(shè)備配備的柱塞泵動(dòng)力端，主要有SPM、OFM、FMC 等品牌，其結(jié)構(gòu)主要由減速齒輪、動(dòng)力端輸入軸及軸承、曲軸及軸承、連桿及軸承、十字頭及銅套、拉桿等主要部件組成。其動(dòng)力端的原理是將能量從曲軸的輸入端輸入，經(jīng)曲軸、連桿、十字頭、拉桿傳送到液力端柱塞。在使用中柱塞泵的主要故障有：主動(dòng)軸軸承磨損、主從動(dòng)齒輪嚙合面磨損、柱塞與缸套磨損、連桿軸承的磨損等。柱塞泵在工作中曲軸的連桿軸承、連桿小軸軸承（推力襯套和連桿耳軸襯套），均受到泵液力端柱塞的推力，使連桿軸與軸承及連桿小軸與軸承（推力襯套）的受力面出現(xiàn)磨損，造成曲軸主軸承間隙、連桿軸承和連桿小軸與軸承（推力襯套）間隙過大。連桿軸承磨損故障是柱塞泵的主要常見故障。為達(dá)到在短時(shí)間內(nèi)快捷檢測(cè)出連桿軸承的磨損尺寸，給故障檢修提供準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)及磨損部位，該檢測(cè)儀的應(yīng)用滿足了柱塞泵不解體，早期磨損的診斷檢查要求，并得到應(yīng)用。

1 柱塞泵各部間隙成因及產(chǎn)生的影響

1.1 主從動(dòng)齒輪及配套軸承間隙

主從動(dòng)齒輪之間因長時(shí)間工作，齒面可能出現(xiàn)磨損（圖1、圖2），從而造成齒輪嚙合時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)，同樣因?yàn)檩S承磨損也能引起齒輪嚙合位置變化產(chǎn)生振動(dòng)，這些可通過泵兩側(cè)設(shè)置的監(jiān)測(cè)孔及時(shí)觀測(cè)到，而且齒輪嚙合不正常的振動(dòng)很容易判斷。

圖1 主從動(dòng)齒輪

圖2 齒面磨損

1.2 曲柄欄桿機(jī)構(gòu)（連桿軸承、十字頭小軸軸承間隙）

曲柄連桿機(jī)構(gòu)軸承磨損（圖3），主要是由于在油膜形成早期或極端條件下產(chǎn)生的邊界摩擦或者直接摩擦，經(jīng)過長時(shí)間累計(jì)超過油膜形成的允許條件。對(duì)于是否超過允許值檢查工作要復(fù)雜一些，尤其是十字頭銷軸常規(guī)檢查，需要將動(dòng)力端全部解體，周期長、成本高。

圖3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)軸承磨損

1.3 兩個(gè)因素引發(fā)故障造成損失的比較

從歷年因間隙超差造成的大泵動(dòng)力端損壞故障大修理統(tǒng)計(jì)來看，第二種因素所占比例超過90%，所以針對(duì)連桿軸承、十字頭小軸軸承間隙檢查尤為重要。

2 檢測(cè)儀研制原理

柱塞泵旋轉(zhuǎn)，泵曲軸驅(qū)動(dòng)連桿、拉桿、十字頭、柱塞工作，曲軸每旋轉(zhuǎn)360°完成一個(gè)工作沖程，當(dāng)沖程頂點(diǎn)時(shí)，連桿、拉桿、十字頭、柱塞在同一直線位置，而且在驅(qū)動(dòng)力和柱塞阻力的作用下，此時(shí)連桿機(jī)構(gòu)前進(jìn)方向反向軸孔配合各部間隙基本為零（因轉(zhuǎn)速較低、油膜形成條件被破壞），再將曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿和拉桿旋轉(zhuǎn)180°，此時(shí)連桿運(yùn)動(dòng)方向反向軸孔之間間隙為零，將此時(shí)測(cè)得的連桿行程與標(biāo)準(zhǔn)值比較，得出的差值的1/2，即為磨損值。將該磨損值與允許磨損量比較，可以判斷大泵是否需要檢修曲柄連桿機(jī)構(gòu)軸承或銷軸，也可以通過周期性測(cè)量，給出可以繼續(xù)使用的時(shí)間。

3 結(jié)構(gòu)概述

檢測(cè)儀分成儀表的基座裝置和測(cè)量裝置兩部分，儀表的基座裝置主要有：導(dǎo)軌1 根、導(dǎo)軌上端有檢測(cè)儀表座的軌道槽，在選位置時(shí)儀表座可在軌道槽內(nèi)滑動(dòng)選位，導(dǎo)軌設(shè)有固定板4 塊，每2 塊對(duì)導(dǎo)軌形成一個(gè)固定支撐，安裝過程2 塊壓盤由快速螺栓連在導(dǎo)軌的兩側(cè)，經(jīng)快速螺栓扭力將導(dǎo)軌與泵的液力端閥箱固定一體。測(cè)量裝置有：百分表1 塊，可調(diào)式百分表支架1 組，帶一對(duì)磁鐵塊的磁盤定位尺1 個(gè)，磁盤定位尺可在校正百分表及測(cè)量時(shí)與拉桿形成一體。

表1 SPM 動(dòng)力端拆解前后參數(shù)對(duì)比

4 檢測(cè)應(yīng)用實(shí)施

將檢測(cè)儀的導(dǎo)軌與動(dòng)力端的泵殼體鎖止固定，磁盤定位尺與連桿磁吸固定與百分表指針校對(duì)歸零，利用杠桿的推力推動(dòng)柱塞卡盤移動(dòng)出軸承的配合間隙尺寸，百分表顯示數(shù)值為間隙數(shù)值，精確到0.01 mm。根據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量數(shù)值達(dá)到大于0.40（0.36）～0.65 mm 應(yīng)泵體解體拆檢，檢修磨損機(jī)件。

5 驗(yàn)證對(duì)比

將SPM 動(dòng)力端解體檢測(cè)和檢測(cè)儀檢測(cè)對(duì)比，兩種方法檢測(cè)連桿軸承與小軸軸承的間隙值，解體檢測(cè)值大于檢測(cè)儀檢測(cè)值，誤差均在0.02～0.05 mm。

對(duì)比結(jié)論：檢測(cè)儀檢測(cè)值加大0.05 mm 為軸承磨損實(shí)際間隙值。對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的柱塞泵連桿軸承使用極限數(shù)值，與檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行參照對(duì)比，可確定為連桿軸承磨損的參考數(shù)值。SPM動(dòng)力端拆解前后參數(shù)對(duì)比見表1。

6 檢測(cè)儀的應(yīng)用效益

實(shí)施前的檢查診斷方法：項(xiàng)目實(shí)施前，大泵需要進(jìn)行解體檢查，泵在施工過程出現(xiàn)異常撞擊異響及機(jī)械故障時(shí)，要拆卸泵體曲軸一側(cè)的端蓋，逐個(gè)拆檢連桿軸承檢查測(cè)量其連桿軸承的磨損間隙，連桿小軸與推力襯套在柱塞缸套內(nèi)，無法完成拆檢項(xiàng)目，如需檢查要進(jìn)行泵體的整體解體檢查、檢測(cè)，檢測(cè)過程至少1 周，此項(xiàng)檢查、檢測(cè)項(xiàng)目工作強(qiáng)度大、檢測(cè)修理成本高、檢測(cè)周期長，降低了設(shè)備利用率。檢測(cè)儀實(shí)物見圖4。

圖4 檢測(cè)儀實(shí)物

實(shí)施效果：使用該檢測(cè)儀可根據(jù)泵的工作時(shí)間，定期進(jìn)行動(dòng)力端不解體逐缸檢測(cè)，和故障后對(duì)故障部位的檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間大約1～2 h，既節(jié)約成本，又縮短檢查周期，對(duì)泵動(dòng)力端的連桿軸與軸承及連桿小軸與軸承（推力襯套）磨損間隙測(cè)量精確，為故障檢修提供依據(jù)，每臺(tái)檢查拆檢費(fèi)用需8 萬元，年均檢測(cè)4 臺(tái)柱塞泵，可創(chuàng)效30 余萬元。

7 推廣應(yīng)用

檢測(cè)儀的使用可檢測(cè)出柱塞泵的常見連桿軸承磨損間隙，確定故障部位，操作過程簡單快捷，安全可靠，檢測(cè)精確誤差小、提高功效，可在柱塞泵不解體的條件下進(jìn)行檢測(cè)，早期發(fā)現(xiàn)柱塞泵的連桿軸承磨損，目前已經(jīng)在大慶鉆探井下作業(yè)工程公司范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，該檢測(cè)儀器可在其他柱塞泵檢測(cè)中推廣應(yīng)用。