長(zhǎng)沖程抽油機(jī)皮帶失效分析及預(yù)防措施

孫 健

作者通聯(lián)：中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠 甘肅慶陽(yáng)市慶城縣 745100

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隨著越來(lái)越多的油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，對(duì)機(jī)械采油設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研究技術(shù)水平也更高，其中長(zhǎng)沖程抽油機(jī)（以下簡(jiǎn)稱抽油機(jī)）因高效、節(jié)能以及可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)無(wú)級(jí)任意調(diào)整沖程和沖次等優(yōu)勢(shì)被廣泛使用。抽油機(jī)皮帶失效會(huì)伴隨一系列安全事故，影響油井正常生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工人的人身安全。以下針對(duì)抽油機(jī)皮帶失效進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析，并建立應(yīng)對(duì)措施，確保抽油機(jī)安全、正常運(yùn)行。

一、皮帶失效分析

抽油機(jī)皮帶的內(nèi)部為鋼絲與橡膠組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于皮帶周期性的纏繞作用，一定時(shí)間后，使得皮帶內(nèi)部鋼絲產(chǎn)生疲勞斷裂，同時(shí)橡膠部分可能因?yàn)槔匣⑵凇⒉翏斓茸饔靡矔?huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，最后擴(kuò)展斷裂，從而導(dǎo)致抽油機(jī)皮帶失效。

1.失效時(shí)機(jī)

在抽油機(jī)正常工作過(guò)程中，皮帶作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中必然伴隨著皮帶的加速和減速過(guò)程。具體而言，當(dāng)配重從上死點(diǎn)下行時(shí)，皮帶先加速到正常速度后勻速下行，然后減速下行，達(dá)到下死點(diǎn)時(shí)速度正好為零；當(dāng)配重從下死點(diǎn)上行時(shí)，皮帶先加速向上達(dá)到正常速度后勻速上行，然后減速上行，達(dá)到上死點(diǎn)時(shí)速度正好為零。抽油機(jī)皮帶在上述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的受力情況分析如下。

（1）當(dāng)配重處于勻速運(yùn)動(dòng)階段時(shí)，抽油機(jī)的皮帶受到相當(dāng)于靜載荷的力，此時(shí)皮帶配重端和光桿端所受到的拉力分別為：

式中 F1——皮帶配重端所受拉力，N

F2——皮帶光桿端所受拉力，N

m1——配重質(zhì)量，kg

m2——光桿端負(fù)載質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

（2）當(dāng)配重加速下行時(shí)，光桿端加速上行，假設(shè)此階段配重端向下的加速度絕對(duì)值與光桿端向上的加速度絕對(duì)值相等，則此時(shí)皮帶配重端和光桿端所受到的拉力分別為：

式中 a——配重端向下的加速度絕對(duì)值，m/s2

（3）當(dāng)配重端加速上行時(shí)，光桿端加速下行，同樣假設(shè)此階段配重端向上的加速度絕對(duì)值與光桿端向下的加速度絕對(duì)值相等，則此時(shí)皮帶配重端和光桿端所受到的拉力分別為：

式中 a′——配重端向上的加速度絕對(duì)值，m/s2

從以上各式可看出，當(dāng)配重處于勻速運(yùn)動(dòng)階段時(shí)，抽油機(jī)光桿端皮帶和配重端皮帶的失效可能性最小；當(dāng)配重加速下行時(shí)，光桿端皮帶受力增大，配重端皮帶受力減小，此時(shí)抽油機(jī)光桿端皮帶較配重端皮帶失效可能性較大；當(dāng)配重端加速上行時(shí)，光桿端皮帶受力減小，配重端皮帶受力增大，此時(shí)配重端皮帶較光桿端皮帶失效可能性較大。

2.失效形式

由于抽油機(jī)皮帶為鋼絲與橡膠的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這樣皮帶在制造加工過(guò)程中或多或少會(huì)有部分缺陷。如內(nèi)部鋼絲初始長(zhǎng)度的微小差異，內(nèi)部鋼絲初始狀態(tài)內(nèi)部應(yīng)力的差異，制造過(guò)程中鋼絲排列的不均勻性，鋼絲或橡膠材料本身不均勻性等。因此除抽油機(jī)所受載荷突然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其承載能力的情況外，抽油機(jī)整個(gè)皮帶斷裂，出現(xiàn)斷截面鋼絲同時(shí)斷裂的可能性很小，絕大多數(shù)情況下抽油機(jī)皮帶的失效是一個(gè)積累損傷的過(guò)程。

正是由于皮帶本身的制造缺陷及受力的周期性，皮帶斷帶之前必然出現(xiàn)內(nèi)部鋼絲局部疲勞斷裂，而不是同時(shí)出現(xiàn)。由于某股鋼絲出現(xiàn)斷絲，使得其他幾股鋼絲及橡膠帶受力增大，其外在表現(xiàn)為抽油機(jī)皮帶變形伸長(zhǎng)；再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間其他幾股鋼絲陸續(xù)斷裂，使橡膠本體難以承受較大負(fù)載，外在表現(xiàn)為抽油機(jī)皮帶整體斷裂失效。除此之外，當(dāng)抽油機(jī)皮帶出現(xiàn)局部鋼絲斷裂失效時(shí)，皮帶在抽油機(jī)導(dǎo)向輪或主動(dòng)輪上的纏繞也可能出現(xiàn)側(cè)偏，導(dǎo)致抽油機(jī)皮帶與導(dǎo)向輪的側(cè)板發(fā)生較大摩擦，進(jìn)一步加劇抽油機(jī)皮帶的失效。

二、失效預(yù)防措施

為避免抽油機(jī)皮帶失效引發(fā)相關(guān)事故，有必要在抽油機(jī)出現(xiàn)皮帶失效之前采取相應(yīng)的措施，及時(shí)更換抽油機(jī)皮帶，防止安全事故的發(fā)生，確保抽油機(jī)正常、安全作業(yè)。

1.導(dǎo)向輪側(cè)面安裝觸碰開(kāi)關(guān)

當(dāng)抽油機(jī)皮帶內(nèi)部單側(cè)首先出現(xiàn)鋼絲斷裂時(shí)，皮帶橡膠部分伸長(zhǎng)量增大，皮帶單側(cè)彎曲導(dǎo)致其在導(dǎo)向輪上的纏繞出現(xiàn)側(cè)偏（圖1），加劇與導(dǎo)向輪的摩擦。當(dāng)抽油機(jī)皮帶內(nèi)部單側(cè)鋼絲斷裂導(dǎo)致皮帶伸長(zhǎng)量達(dá)到一定階段時(shí)，與安裝在導(dǎo)向輪側(cè)面的觸碰開(kāi)關(guān)接觸進(jìn)而觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)整體停機(jī)進(jìn)行檢修。

圖1 抽油機(jī)皮帶單側(cè)鋼絲斷裂

2.負(fù)載端下死點(diǎn)安裝觸碰開(kāi)關(guān)

當(dāng)抽油機(jī)皮帶內(nèi)部鋼絲首先從中部位置斷裂失效，同樣皮帶橡膠部分伸長(zhǎng)量增大進(jìn)而導(dǎo)致皮帶的總伸長(zhǎng)量會(huì)明顯增加（圖2），當(dāng)內(nèi)部鋼絲斷裂失效到一定程度時(shí)，抽油機(jī)整個(gè)皮帶斷裂失效。因此當(dāng)抽油機(jī)皮帶內(nèi)部鋼絲首先從中部位置斷裂失效時(shí)，可以在負(fù)載端下死點(diǎn)安裝觸碰開(kāi)關(guān)，當(dāng)皮帶伸長(zhǎng)量達(dá)到一定階段時(shí)，觸發(fā)觸碰開(kāi)關(guān)進(jìn)而觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)使機(jī)組及時(shí)停機(jī)，避免發(fā)生安全事故。

公式（7）和（8）可計(jì)算出抽油機(jī)皮帶在受到負(fù)載作用下的伸長(zhǎng)量和抽油機(jī)皮帶能夠承受內(nèi)部鋼絲斷裂失效的根數(shù)。

圖2 抽油機(jī)皮帶中部鋼絲斷裂

式中 δi——抽油機(jī)皮帶受到負(fù)載作用下的伸長(zhǎng)量，m

i——抽油機(jī)皮帶內(nèi)部鋼絲斷裂失效的根數(shù)

m——負(fù)載質(zhì)量，kg

l——抽油機(jī)皮帶的原始長(zhǎng)度，m

n——抽油機(jī)皮帶內(nèi)部鋼絲總數(shù)

E——抽油機(jī)皮帶內(nèi)鋼絲繩彈性模量，Pa

A——抽油機(jī)皮帶內(nèi)鋼絲的截面積，m2

[σ]——抽油機(jī)皮帶鋼絲的極限拉應(yīng)力，Pa

如抽油機(jī)配重端配重塊重9.7t，抽油機(jī)皮帶原始長(zhǎng)度為9m，內(nèi)部鋼絲的彈性模量為120GPa，鋼絲直徑為8.1mm，根數(shù)為11。經(jīng)分析計(jì)算可知，該抽油機(jī)配重端皮帶允許的最大斷裂失效鋼絲為4根，并且斷裂失效4根鋼絲后的皮帶伸長(zhǎng)量為20.2mm，比正常伸長(zhǎng)量多7.4mm。另外，經(jīng)分析可知抽油機(jī)皮帶在加速換向階段會(huì)有3.9mm的伸長(zhǎng)量，因此將觸碰開(kāi)關(guān)安裝在配重端正常下死點(diǎn)以下11mm 處，可防止抽油機(jī)配重端因皮帶斷絲失效而引發(fā)相關(guān)事故。