劉洪靜 強(qiáng)俊麗 宮艷紅 白花梅 李雷 趙帥

（中國(guó)石油大港油田公司第三采油廠）

1 概述

我國(guó)大部分油田目前均處于開發(fā)的中后期，潛油電泵作為重要的開采設(shè)備，在油田機(jī)械采油方面應(yīng)用非常廣泛，由于潛油電泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在井下運(yùn)轉(zhuǎn)中長(zhǎng)期處于高速、高壓、高溫環(huán)境，且介質(zhì)中含有硫化物等腐蝕性物質(zhì)，故潛油電泵運(yùn)行時(shí)易發(fā)生葉輪堵塞、磨損、腐蝕、泵卡等故障，造成電泵機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，影響油田開采效率和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。因此需要檢電作業(yè)對(duì)潛油電泵進(jìn)行維修，查找造成故障的原因，有針對(duì)性地提出解決辦法。

潛油電泵維修時(shí)需要先將軸承支持架從泵殼的兩端拆卸下來。軸承支持架包括同軸的外環(huán)和內(nèi)環(huán)，且外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間通過位于外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的連接筋連接，外環(huán)通過外壁上的外螺紋與泵殼內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋嚙合進(jìn)行螺紋連接[3]。傳統(tǒng)方法是員工用自制拆卸工具包括手持桿和軸向間隔布置于手持桿的端部的多個(gè)插接板，使用時(shí)，將多個(gè)插接板分別插入軸承支持架的外環(huán)和內(nèi)環(huán)中，使插接板和連接筋交替間隔，這樣技術(shù)人員擰動(dòng)手持桿時(shí)，插接板的側(cè)壁會(huì)抵住連接筋，帶動(dòng)軸承支持架在泵殼內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以拆卸軸承支持架。但由于潛油電泵長(zhǎng)時(shí)間在井下工作，結(jié)垢、腐蝕、磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，拆卸時(shí)旋扭力增大，給拆裝檢修工作帶來了很大的困難，經(jīng)常要借助加力工具配合使用，而且潛油電泵本身較重，拆卸時(shí)需要較多人員配合[4]，且由于拆裝數(shù)量較多，工作量巨大，人工拆裝工作效率低下的同時(shí)，也增加勞動(dòng)強(qiáng)度、風(fēng)險(xiǎn)隱患。蔡健文[5]提出了一種整體結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定、軸距可變的多螺母拆裝裝置，提高了螺母的裝配時(shí)間，減輕了從業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。方俊俊[6]研制的銹蝕螺母快速拆卸工具，能迅速解決螺絲銹蝕無法拆除，狹小空間操作困難等問題，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，降低操作風(fēng)險(xiǎn)。董柱祥[7]發(fā)明的工作輥軸承座快速拆卸裝置，包括換輥臺(tái)架、兩個(gè)液壓小車、四個(gè)平行設(shè)置的軌道和儲(chǔ)輥臺(tái)架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，有效提高了生產(chǎn)效率。潘彪等[8]人發(fā)明的工作輥軸承座拆裝裝置，通過將大車行走電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式優(yōu)化為變頻器與抱閘共同工作，解決了大車定位精度不準(zhǔn)的問題，使定位精度得到改善。顧家友等[9]研發(fā)基于PLC 和組態(tài)的智能電動(dòng)擰緊系統(tǒng)，PLC 控制馬達(dá)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)低速擰緊，PLC 數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中顯示處理，同時(shí)用戶也可以在上位機(jī)界面設(shè)置各種控制參數(shù)，能夠控制扭矩使得擰緊更精準(zhǔn)，安全性能高，操作簡(jiǎn)便易行。付春嬋等[10]研發(fā)的矯直機(jī)輥套拆裝方法的改進(jìn)是在矯直機(jī)固定底座上設(shè)計(jì)雙液壓缸翻轉(zhuǎn)裝置，輥套裝配安裝采用液壓預(yù)緊，碟簧回松的方法拆裝輥套。由于上述技術(shù)不能綜合應(yīng)用于油氣開發(fā)領(lǐng)域，借鑒了智能電動(dòng)擰緊系統(tǒng)及狹小空間操作的成功經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了軸承支持架的拆裝裝置，主要由移動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)、移動(dòng)小車、啟動(dòng)柜、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)等組成，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模應(yīng)用，單泵軸承支持架拆卸時(shí)間由60 min 降至20 min 以內(nèi)，累計(jì)創(chuàng)效42.6 萬元，實(shí)現(xiàn)了提高效率與安全操作的目的。

2 潛油電泵軸承支持架拆裝裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

PLC 控制是目前生產(chǎn)生活中逐漸普及的方式，這一技術(shù)具有便于開發(fā)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。啟動(dòng)柜控制電動(dòng)機(jī)，它是利用通電線圈在磁場(chǎng)中受力轉(zhuǎn)動(dòng)的原理制成。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止；電動(dòng)機(jī)再將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，減速機(jī)設(shè)備用來控制機(jī)械手正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手正反運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工作的完成。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潛油電泵軸承支持架拆裝裝置主要由移動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)、移動(dòng)小車、啟動(dòng)柜、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、安全護(hù)罩、機(jī)械手組成。移動(dòng)平臺(tái)由移動(dòng)小車、啟動(dòng)柜、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、安全護(hù)罩和機(jī)械插手組成；移動(dòng)小車設(shè)有工作臺(tái)，在工作臺(tái)的一端設(shè)有扶手，四個(gè)支腳裝有輪子，可以自由移動(dòng)?？梢苿?dòng)快速軸承支持架拆卸裝置示意圖見圖1。

圖1 可移動(dòng)快速軸承支持架拆卸裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of dismantling device of removable quick bearing support frame

啟動(dòng)柜包括配電箱、電源開關(guān)、設(shè)備儀表控制保險(xiǎn)、轉(zhuǎn)速表較準(zhǔn)、反饋量調(diào)節(jié)、正轉(zhuǎn)按鈕、停止按鈕、反轉(zhuǎn)按鈕、轉(zhuǎn)速旋鈕、轉(zhuǎn)速顯示儀。啟動(dòng)柜為常用電路配電箱，采用變頻控制，正轉(zhuǎn)按鈕、反轉(zhuǎn)按鈕和停止按鈕位于電源開關(guān)的下方，用于控制機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)方向和停止作用，設(shè)備儀表控制保險(xiǎn)、轉(zhuǎn)速表較準(zhǔn)、反饋量調(diào)節(jié)位于電源開關(guān)的上方，轉(zhuǎn)速按鈕和轉(zhuǎn)速顯示儀位于電源開關(guān)的左邊，用來顯示和控制機(jī)械手速度。

機(jī)械手包括固定筒、活動(dòng)爪、連接桿、連接筒、連接嘴、彈簧、卡銷、卡桿、插手組成固定筒由連接桿、連接筒、連接嘴和彈簧組成，三者均為圓柱形管狀體且軸線重合，連接嘴的端面向連接筒方向，沿軸線在連接嘴和連接筒內(nèi)壁上由車床加工出長(zhǎng)方形深槽。彈簧采用壓縮彈簧，置于連接筒內(nèi)；活動(dòng)爪由卡銷、卡桿和插手組成?？U位于活動(dòng)爪的最下部，卡桿為圓柱形管狀體，桿體上有一通孔，卡銷穿過通孔，二者間隙配合且軸線垂直。卡銷和卡桿插入連接嘴、連接筒內(nèi)部的卡槽內(nèi)，通過壓縮連接筒內(nèi)的彈簧，卡在卡槽內(nèi)。插手與卡桿相連，在插手端面，沿軸線由車床加工出‘+’字形的長(zhǎng)方形槽，插手前臂被切割成圓弧形四部分?？U與插手二者軸線重合。機(jī)械手示意圖見圖2。

圖2 機(jī)械手示意圖Fig.2 Schematic diagram of manipulator

2.3 使用條件

可移動(dòng)快速拆卸軸承支持架裝置用于潛油電泵軸承支持架的拆裝，啟動(dòng)柜電源為常用220 V 電壓，轉(zhuǎn)速可將根據(jù)軸承支持架拆卸的難易程度進(jìn)行調(diào)節(jié)；固定平臺(tái)只提供固定潛油電泵作用，不提供力，使用時(shí)將移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械手與固定平臺(tái)的軸承支持架軸線對(duì)中，插手插入軸承支持架4 個(gè)孔內(nèi)，將移動(dòng)平臺(tái)上的安全罩扣牢，反轉(zhuǎn)按鈕卸松，正轉(zhuǎn)按鈕為上緊，OFF 為停止，采用PLC 變頻控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)了快速拆裝軸承支持架操作。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施步驟

潛油電泵軸承支持架拆裝裝置可拆卸各種泵徑的軸承支持架，使用時(shí)移動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)軸線對(duì)中。

具體實(shí)施步驟如下：

步驟1：將安裝有軸承支持架的潛油電泵至于固定支架上；

步驟2：將移動(dòng)平臺(tái)推至固定平臺(tái)的正前方；步驟3：打開安全護(hù)罩，將機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)潛油電泵，將插手插入軸承支持架的四個(gè)插孔內(nèi)；

步驟4：蓋好安全護(hù)罩，將啟動(dòng)柜接通電源；

步驟5：將啟動(dòng)柜的電源開關(guān)按至ON 開的狀態(tài)，按下反轉(zhuǎn)按鈕，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)減速機(jī)、機(jī)械手一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將軸承支持架卸松；

步驟6：按下停止按鈕，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，將電源開關(guān)按至OFF 關(guān)的狀態(tài)，電源切斷；

步驟7：安裝軸承支持架時(shí)，將機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)潛油電泵，將插手插入到軸承支持架的四個(gè)插孔內(nèi)；

步驟8：將啟動(dòng)柜的電源開關(guān)按至開的狀態(tài)，按下正轉(zhuǎn)按鈕，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)減速機(jī)、機(jī)械手一起轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承支持架安裝完成；

步驟9：按下停止按鈕，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，將電源開關(guān)按至關(guān)的狀態(tài)，電源切斷；

步驟10：轉(zhuǎn)速顯示儀顯示電動(dòng)機(jī)每分鐘旋轉(zhuǎn)速度，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速旋鈕，可對(duì)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

1）潛油電泵軸承支持架拆裝裝置，應(yīng)用了自動(dòng)控制裝置，能夠準(zhǔn)確的拆卸、安裝軸承支持架，自動(dòng)拆卸軸承支持架效果良好，操作人員較原來減少4 人，工作效率提高66.7%。

2）移動(dòng)平臺(tái)采用了“動(dòng)態(tài)+靜態(tài)”相結(jié)合的方式，利用移動(dòng)小車解決了人工對(duì)中難的問題，機(jī)械手和軸承支持架能夠準(zhǔn)確定位，有效降低員工在搬運(yùn)潛油電泵時(shí)存在的安全隱患。

3）借鑒應(yīng)用PLC 控制機(jī)理，通過轉(zhuǎn)速顯示屏顯示速度，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)頻率來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格軸承支持架的拆裝，拆卸平均時(shí)間降低40 min，優(yōu)質(zhì)率達(dá)到100%。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of field test effect

3.3 效益分析

1）經(jīng)濟(jì)效益。潛油電泵軸承支持架拆裝裝置應(yīng)用后，拆卸的時(shí)間由60 min 縮短到了20 min，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到提質(zhì)增效的目的。操作人員減少4 人，人工成本有效降低，減少因人工暴力拆裝造成的潛油電泵配件損壞，累計(jì)創(chuàng)效42.6 萬元。

2）社會(huì)效益?！鞍踩亲畲蟮慕?jīng)濟(jì)效益”，通過使用潛油電泵軸承支持架拆裝裝置，有效提升了軸承支持架拆裝過程中的安全操作系數(shù)，可迅速完成對(duì)軸承支持架的拆裝操作，解決了因軸承支持架腐蝕拆卸難的隱性安全問題，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少不規(guī)范操作，提高了現(xiàn)場(chǎng)操作安全系數(shù)，在相同領(lǐng)域具有一定的推廣性。

4 結(jié)論

1）潛油電泵軸承支持架拆裝裝置采用PLC 控制電動(dòng)機(jī)，經(jīng)皮帶傳動(dòng)連接減速機(jī)實(shí)現(xiàn)降速，獲得合適的旋轉(zhuǎn)速度來帶動(dòng)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軸承支持架的拆裝。

2）該裝置具有安裝方便、移動(dòng)快捷、組裝靈活、易于操作的特點(diǎn)，移動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)配合使用，有效提高一線潛油電泵維修人員工作效率。

3）該裝置安全性能強(qiáng)，固定平臺(tái)穩(wěn)定牢靠，鎖緊固定后，消除物體打擊、砸傷等操作風(fēng)險(xiǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，操作人員由6 人降至2 人，有效提高設(shè)備維修效率。