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电潜泵倒扣原因与对策
 
慧聪网   2005年12月27日11时57分   信息来源:《石油矿场机械》    

    论文摘要:在对现场失效事故进行了大量调查分析的基础上,分析了造成电潜泵倒扣失效的主要原因是其工作中存在倒扣扭矩和电潜泵各管螺纹联接的预紧力矩不够,进而提出了防止电潜泵倒扣的措施。

    电动潜油离心泵(下文简称作电潜泵)是一种高效率、适合于高产、深井的机械采油设备。据资料介绍,电潜泵的平均产液量是杆式泵的2倍以上。但是,在实际生产中,经常发生电潜泵的落井事故。据对某油田的调查统计,电潜泵的落井率高达10%~15%。电潜泵落井事故的发生,一方面影响了电潜泵高效率的发挥,降低了原油产量;另一方面电潜泵落井后很难打捞,给用户带来很多麻烦,也造成重大的经济损失。根据对落井事故的调查分析发现,造成电潜泵落井的直接原因有二:其一是在电潜泵各泵节、泵筒与泵头之间或电潜泵系统与油管之间的联接螺纹(下文简称作各管螺纹联接)处,因防倒块失效而造成的倒扣落井。其二是电潜泵各泵节或电机节之间联接螺栓断裂造成的落井。现文主要分析倒扣问题。

    1 倒扣原因分析

    根据对现场倒扣落井事故的调查发现,造成电潜泵系统倒扣的原因有三:第一,电潜泵在启动和正常工作时,存在较大的倒扣扭矩。这是因为电潜泵各管螺纹联接处均采用右旋螺纹联接(M90×1.75),而电机的旋转方向为顺时针方向,电机输出的扭矩通过多级离心泵的泵轴和叶轮、导轮传递给泵筒,使泵筒有沿倒扣方向转动的趋势。尤其在电潜泵启动时,启动扭矩较大并存在较大的冲击,在此冲击扭矩作用下,极有可能使管螺纹联接倒扣。第二,电潜泵各管螺纹联接的预紧力不够(或预紧扭矩不够)。预紧力的大小是影响螺纹联接可靠性的重要因素,预紧力既不能太大,也不能太小。对电潜泵各管螺纹联接而言,一方面考虑到电潜泵在工作中存在倒扣扭矩,各管螺纹联接的预紧力应能保证在电潜泵系统轴向载荷(包括电潜泵系统的自重、流体压力及预紧力等)与横向倒扣扭矩的共同作用下,不会发生倒扣现象,即使预紧扭矩大于倒扣扭矩的一定值;另一方面预紧力也不能太大。若预紧力过大,再加上电潜泵轴向载荷的作用,有可能使螺纹横截面上的轴向拉应力超过泵筒材料的屈服点,使泵筒螺纹处发生塑性变形,导致预紧力松弛。此时,尽管相互联接的2部件没有发生相对转动,但螺纹联接已经松动。若此时有倒扣扭矩的作用,此倒扣扭矩全部由防倒块承受;若防倒块焊接不牢或强度不足,就会造成防倒块脱焊或被剪断,从而导致电潜泵倒扣落井。由此可见,预紧力应有一个适当的数值。但实际生产中使用的国产电潜泵,在设计上没有对各管螺纹联接的预紧力进行精确计算,工艺上更没有对预紧力的大小进行严格控制,这是导致螺纹倒扣的重要原因。第三,防倒工艺不可靠。因电潜泵存在倒扣问题,所以在管螺纹联接处设置了防倒块。由于防倒块厚度不大,焊缝截面尺寸较小,承载能力不强;加之防倒块与泵头、泵筒均为中碳钢,焊接工艺性较差,焊缝质量难以保证。所以,防倒块的防倒功能不可靠。生产中经常发生防倒块脱焊,甚至剪断的现象,这正好说明了这一点。

    2 防止倒扣的途径

    2.1 合理确定各管螺纹联接的预紧扭矩

    根据上述分析,各管螺纹联接的实际预紧扭矩(Mrb),首先应保证在电潜泵轴向载荷与工作中实际存在的倒扣扭矩(Mrp)的共同作用下螺纹不松动。对三角型螺纹而言,若不考虑轴向载荷的作用,拧紧螺纹需要的扭矩Ms和松开螺纹需要的扭矩Mp应分别为

    Ms=dFb-tan(α+φv)/2                               (1)

    Mp=dFb-tan(α-φv)/2                               (2)

    式中,d为管螺纹的中径,mm; Fb为螺纹预紧力,N;α为螺纹升角,24;φv为三角型螺纹当量摩擦角,9°36。

    代入螺纹有关参数得

    Ms=1.1Mp                                           (3)

    即拧紧螺纹需要的扭矩应大于松开螺纹需要的扭矩。对电潜泵而言,工作中实际存在的最大倒扣扭矩Mrpmax即为启动扭矩Mst。电潜泵带负载启动时,启动扭矩一般为额定扭矩MR的1.1~2.4倍(对常用的30~55kW电机为1.4~1.8倍),即

    Mrp=Mst=(1.4~1.8)MR                               (4)

    为防止电潜泵在工作中因频繁启动而倒扣,应使实际预紧扭矩Mrb满足

    Mrb=Ms-Mrp/Mp=(1.54~1.98)MR                     (5)

    即实际预紧扭矩应大于1.54~1.98倍的额定扭矩;另一方面,螺纹的实际预紧扭矩又不能过大,也即由实际预紧扭矩产生的实际预紧力不能过大。螺纹的预紧力与螺纹材料的屈服点σs、螺纹最小横截面积Amin之间存在如下关系:

    Fb≤(0.5~0.7)σs-Amin                              (6)

    若按式(5)求得的预紧扭矩,在螺纹横截面上产生的预紧力超过式(6)的范围时,应考虑增加泵筒壁厚或换用屈服点更高的泵筒材料。

    2.2 改变电潜泵各管螺纹的旋向

    将右旋改为左旋,这样可以使电潜泵在启动和正常运转时产生的扭矩,不会引起螺纹松动。当然,在电潜泵工作过程中,因过载、欠载等原因造成电机断电时,也会在瞬间产生倒扣扭矩,但此扭矩与启动扭矩相比要小得多,不致于引起电潜泵倒扣;另外,强化现行的防倒措施,严格控制防倒块的焊接工艺,确保焊接质量,也能起到防止倒扣的作用。

    上述防止倒扣的措施,都不能从根本上解决倒扣问题。因为引起倒扣的扭矩没有消除,当然,要彻底消除倒扣扭矩是不可能的。但采取一定措施可将倒扣扭矩控制在一定范围内。例如,在电潜泵的最上节与油管连接处,采用如图1所示的活动接头,可以使倒扣扭矩控制在一定范围内,避免倒扣的发生。该接头的工作原理是,装配时,通过调节螺钉,适当控制钢球与上接头之间的压紧力,从而保证电潜泵在正常工作时,上环与下环之间不发生相对转动。当扭矩超过某一定值时,上接头将钢球压入上环孔中,上环与下环之间发生相对转动,从而将扭矩控制在一定范围内,起到防止倒扣的作用。

 
作者:单涛 
 
 
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