一種液壓拆卸技術(shù)在油氣田中的應(yīng)用

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中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司 上海 200335

1 技術(shù)背景

某海上油氣平臺(tái)選用德制自吸式雙螺桿作為原油外輸泵，將生產(chǎn)分離器中的油相油液加壓后注入外輸海管。該容積式雙螺桿泵的泵送元件由兩個(gè)轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子在共同的泵殼內(nèi)運(yùn)行，并且內(nèi)部間隙很小。轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與內(nèi)襯之間形成密封腔，軸向輸送液體至排出口。該泵采用雙軸流向布局提供了軸向液力平衡設(shè)計(jì)[1]。外部正時(shí)齒輪將所需的驅(qū)動(dòng)扭矩傳遞給從動(dòng)螺桿，避免泵送元件之間發(fā)生接觸。螺桿兩端的每一個(gè)軸上的機(jī)械密封將泵送液體和外部的軸承和定時(shí)齒輪密封隔開[2]。該泵要求運(yùn)輸介質(zhì)壓差范圍在1.5～16bar 之內(nèi)，不能長(zhǎng)時(shí)間在無(wú)壓差的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，不能干運(yùn)轉(zhuǎn)，且工況穩(wěn)定運(yùn)行3～5 年后，需安排解體檢查和腔體清潔，并更換機(jī)封、軸承、其他靜密封件。

2 常用軸承拆卸工藝

2.1 擊卸法

擊卸法是一種最簡(jiǎn)單、最常見的拆卸方法。此法簡(jiǎn)單易行，但容易損傷軸承。它是借錘擊的力量，利用錘敲擊銅棒或軟鐵時(shí)產(chǎn)生的沖擊能量，使相互配合的零件產(chǎn)生位移而互相脫離，達(dá)到拆卸目的的一種拆卸方法。

2.2 拉拔法

采用此法時(shí)，一般選用通用拉馬或根據(jù)被拆件設(shè)計(jì)專用拉馬拆卸。拆卸時(shí)，只要旋轉(zhuǎn)手柄，軸承就會(huì)被慢慢拉出。一般油氣田中常見的多將拉馬兩腳鉤住軸承內(nèi)圈進(jìn)行拆卸，絲桿要對(duì)準(zhǔn)軸的中心孔，不得歪斜。

2.3 頂壓法

利用機(jī)械式壓力機(jī)、液壓壓力機(jī)或千斤頂?shù)裙ぞ吆驮O(shè)備進(jìn)行拆卸。該方法工作平穩(wěn)可靠，不易損傷機(jī)器和軸承。適用于拆卸過(guò)盈配合的軸承。使用時(shí)要注意壓力機(jī)著力點(diǎn)應(yīng)在軸的中心上，不得壓偏。

2.4 溫差法

溫差法是利用材料熱脹冷縮的性能，使配合件在溫差條件下失去過(guò)盈量，實(shí)現(xiàn)拆卸。該法一般采用與軸承相配套的專用電加熱器。

3 液壓拆卸技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 軸的加工

用車床上在軸承軸頸處加工一寬度為3mm，深度為0.30mm 的油槽;接著用直徑為6mm 的麻花鉆在軸中心處沿軸向加工油孔，孔深200mm;然后用直徑為2mm 的麻花鉆在油槽處沿徑向開通孔。為防止油道被滑油雜質(zhì)堵塞，利用軸上原有的M10 中心螺孔，安裝一鎖緊螺釘保護(hù)油道。

3.2 軸的強(qiáng)度校核

該泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3000r/ min，額定輸出功率為178.6kW，最大輸出功率為199.2kW。泵的主動(dòng)螺桿與電機(jī)之間通過(guò)靠背輪和彈性膜片聯(lián)軸器連接。該泵采用雙軸流向布局提供了軸向液力平衡設(shè)計(jì)。所以泵的主動(dòng)和從動(dòng)螺桿均只受扭矩作用且大小相等,無(wú)脈動(dòng)循環(huán)壓力。主動(dòng)螺桿和從動(dòng)螺桿均采用材質(zhì)為35CrMo 的實(shí)心棒料加工而成，軸承軸頸直徑為65mm，靠背輪處軸徑為55mm，鍵槽寬16mm，深6mm, 長(zhǎng)85mm。加工后的載荷分布及應(yīng)力集中部位可知加工完成后軸的危險(xiǎn)截面在主動(dòng)螺桿驅(qū)動(dòng)端A- A 與軸承軸頸B- B 處，現(xiàn)對(duì)這兩處進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.2.1 空心軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算

空心軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算如式（1）所示。

軸的材料為35CrMo，調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]表5- 1- 1 查 得：σb=750MPa；表5- 1- 19 查 得：A=97，α=0.1。所以根據(jù)式（1）可求得dmin=39.28mm。

因?yàn)榻孛鍭- A 處安裝單鍵連接的靠背輪，所以應(yīng)將求得的最小軸徑增大5%。

即dmin' =dmin（1+5%）=41.244mm＜55mm,所以該軸軸向鉆完直徑為6mm 的油孔后強(qiáng)度仍滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核

疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核如式（2）—（4）所示。

式中：Sσ——只考慮彎矩作用時(shí)的安全系數(shù)；

Sτ——只考慮扭矩作用時(shí)的安全系數(shù)；

Sp——按疲勞強(qiáng)度計(jì)算的許用安全系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]表5- 1- 26 得Sp=1.6；

σ-1——為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的材料彎曲疲勞極限，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]表5- 1- 1 得350MPa；

τ-1——對(duì)稱循環(huán)應(yīng)的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]表5- 1- 1 得200MPa；

Kσ、Kτ——彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)，具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]表5- 1- 30 得橫孔處Kσ=2.05，Kτ=1.85，配合處Kσ=2.73，Kτ=1.96，由表5- 1- 32 得環(huán)槽處Kσ=1.77，Kτ=1.52，故均取配合處；

β——表面質(zhì)量系數(shù)，具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]表5- 1- 36 得；

ψσ、ψτ——材料拉伸和扭轉(zhuǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù), 具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]表5- 1- 33 得ψσ=0.34，ψτ=0.21；

εσ、ετ——彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)的尺寸影響系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]表5- 1- 34，得εσ=0.68，ετ=0.74；

σα、σm——彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]表5- 1- 25，可得σα。因?yàn)樵撦S裝有彈性聯(lián)軸器，由于安裝誤差和彈性元件的不均勻磨損，將會(huì)使軸及軸承受到附加載荷M' =K'T，K' 為系數(shù)，查表5- 1- 23 得K' =0.07；為傳遞扭矩，經(jīng)計(jì)算得T=634.12N·m；Z為軸危險(xiǎn)截面的抗彎截面系數(shù)，查表5- 1- 27 得軸向油孔截面處Z≈26.959cm3，所以油孔截面處σα≈1.647MPa；橫孔截面處Z≈166.944，所以橫孔截面處σα≈0.266MPa，σm=0；τα、τm——扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，具體數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]表5- 1- 25 可得τα。Zρ為軸危險(xiǎn)截面的抗扭截面系數(shù)，查表5- 1- 27 得軸向油孔截面處Zρ=53.918，所以油孔截面處τα≈11.761MPa；橫孔截面處Zρ≈339.712，所以橫孔截面處τα≈1.867MPa，τm=0。

由式（2）—（4）計(jì)算可得油孔處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)：Sσ≈127.192，Sτ≈13.027,S≈12.959＞Sρ；橫孔處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)：Sσ≈787.539，Sτ≈82.065，S≈81.62＞Sρ。

由上述可知，計(jì)算安全系數(shù)均大于許用值，故軸的疲勞強(qiáng)度足夠。

3.2.3 靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核

靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核公式見式（5）—（7）。

式中：σS——材料的拉伸屈服點(diǎn)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]表5- 1- 1，得σS=550MPa；τS——材料的扭轉(zhuǎn)屈服點(diǎn)，一般取（0.55～0.62）σS，此處取0.6σS；Mmax,Tmax——軸危險(xiǎn)截面上的最大彎矩和最大扭矩，N·mm。

所以，按式（5）—（7）計(jì)算可得油孔處?kù)o強(qiáng)度安全系數(shù)：SSσ≈166.97，SSτ≈14.03，SS≈13.98＞SSρ；橫孔處?kù)o強(qiáng)度安全系數(shù)：SSσ≈1033.83，SSτ≈88.38,SS≈88.06＞SSρ。

由上述可知，計(jì)算安全系數(shù)均大于許用值，故軸的靜強(qiáng)度足夠。

3.3 液壓泵打壓壓力計(jì)算

式中：r1——滾動(dòng)軸承內(nèi)圈的外半徑基本尺寸，mm；

r2——結(jié)合半徑，mm；

r3——軸的內(nèi)半徑基本尺寸，mm；

v1——滾動(dòng)軸承內(nèi)圈的泊松比；

v2——軸的泊松比；

E1——滾動(dòng)軸承內(nèi)圈的彈性模量，MPa；

E2——軸的彈性模量，MPa；

Ymax——配合實(shí)際最大過(guò)盈量。所以，由式（8）可得：P≈35.66MPa。

4 結(jié)論

經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化采用液壓拆卸技術(shù)后，利用液體的不可壓縮的特性去拆卸軸承，將帶壓的液壓油沿軸圈油槽均勻分布，使得軸承內(nèi)圈受力均勻，拆卸省力，原油外輸泵主、從軸及其相關(guān)部件也得到了充分保護(hù)。拆卸下來(lái)的軸承沒(méi)有器質(zhì)性損壞，還可以繼續(xù)使用，節(jié)省了備件采購(gòu)費(fèi)用，一舉多得。且該方法適用范圍廣，即使在對(duì)熱工作業(yè)要求嚴(yán)格的油氣田作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也可以拆卸軸承，大大縮短了維修時(shí)間，提高了維修效率，保證了維修質(zhì)量。