螺桿泵驅動裝置光桿防飛結構優化設計

楊偉民，孫亮，孫雙

（1.大慶油田水務公司，黑龍江 大慶163458；2. 中石化石油工程建設有限公司，北京100101；3.大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江 大慶163311）

0 引 言

螺桿泵采油作為一種有效地舉升原油的工藝技術，其應用已日趨廣泛，同抽油機和潛油電泵等采油設備相比，它具有體積小、安裝方便、投資少、泵效高和能耗低等明顯優勢，特別是在稠油井、高含砂井、高含氣井及聚合物驅等井上使用更能表現出良好的適應性。但是目前井上普遍應用的螺桿泵地面驅動裝置[1]的反轉剎車控制部分，無論是棘輪棘爪機械剎車，還是鉗盤制動液壓剎車，亦或是能耗電阻電磁剎車，在螺桿泵停抽檢修或意外停電的情況下，在抽油桿柱存儲的彈性勢能及油管內液柱壓差的雙重作用下，抽油桿柱反向加速轉動，此時若驅動裝置的反轉剎車控制部分一旦失效，高速旋轉產生的離心力很容易將方卡子[2]和光桿從上支撐套甩出，不但會對采油系統造成破壞，還會對現場操作人員及周圍的建筑物造成嚴重損傷。

1 驅動裝置方卡子及光桿連接結構

螺桿泵地面驅動裝置方卡子（如圖1）是傳遞驅動裝置轉矩、承載整個桿柱載荷的專用裝夾工具，為兩片式對稱結構，對合后由螺栓緊固在井口光桿上。方卡子內部設計有豎牙和橫牙，安裝時豎牙方向在上端，豎牙主要用于給整個光桿、抽油桿柱采油系統傳遞轉矩，方卡子下端為橫牙，橫牙主要用于承載整個抽油桿柱及井液的重量。下端U形長槽卡在驅動裝置上支撐套（如圖2）上，方卡子通過4條螺栓與光桿緊固在一起，方卡子和上支撐套間無連接固定裝置。

圖1 方卡子

圖2 上支撐套

作業時，方卡子安裝于螺桿泵地面驅動裝置（如圖3）上端，用于將驅動裝置產生的旋轉動力通過光桿傳遞給抽油桿柱，帶動井下螺桿泵旋轉，依靠螺桿泵容腔的漸進效能，把井液舉升到地面。

2 結構改進設計

圖3 驅動裝置結構示意圖

原有結構的最大缺點是方卡子和上支撐套間無連接固定裝置，驅動裝置停機檢修作業或意外停電時，一旦反轉剎車控制失效，抽油桿柱高速旋轉產生的離心力很容易將方卡子和光桿從上支撐套甩飛，為避免這種事故的發生，通過對驅動裝置連接結構分析，有針對性地對方卡子和上支撐套結構進行優化改進設計[3]，將方卡子與上支撐套設計成緊固連接結構，為了防止方卡子飛出，在方卡子上增加連接裝置，方卡子兩端各鉆一螺栓孔M12（如圖5），并在上支撐套上端兩側銑扁處設計4個長槽4×16×26（如圖7），長槽結構主要是便于防脫螺栓定位及防滑脫，為防止改后的上支撐套兩側原M10螺紋孔過長不便于現場安裝，將M10螺紋孔設計成階梯孔形狀。設計4條高強度防脫螺栓（如圖8），材質為35CrMo，將方卡子與上支撐套通過防脫螺栓牢固連接在一起，同時為防止防脫螺栓前端擠壓使螺紋牙型變形，將防脫螺栓前端設計成光軸結構，這樣防脫螺栓不但安裝拆卸方便，而且不易損壞。改進后方卡子與上支撐套裝配圖如圖9所示。采取這種結構設計后，現場應用能夠完全避免方卡子與光桿飛出，減少傷害事故發生，大大提高了螺桿泵驅動裝置的安全性。

圖4 原方卡子

圖5 改進后方卡子

圖6 原上支撐套

圖7 改進后上支撐套

圖8 防脫螺栓

3 防脫螺栓力學計算

通過對采油井口的結構分析，螺桿泵地面驅動裝置正常運轉時，井口壓力為1 MPa左右，洗井時壓力最大，油套環空壓力可達P=10 MPa，按照光桿直徑φ38 mm計算方卡子和上支撐套間的防脫螺栓受力情況[4]：

螺栓機械性能等級為12.9；螺栓屈服強度σs=1080 MPa；受剪直徑（螺栓小徑）d0=10.106 mm；受擠壓高度δ=6 mm；受剪面個數m=4；許用擠壓強度[σp]=σs/1.25=864 MPa；許用抗剪強度[τ]=σs/2.5=432 MPa；橫向載荷[FA′]=P·S=10×π×382÷4=11341.15 N；擠壓強度σp=FA′/(d0·δ)=11341.15÷(10.106×6)=187 MPa；抗剪強度τ=FA′/[m·(π/4)·d0]=11341.15÷[4×(π/4)×10.106]=357.21 MPa。

校核計算結果：σp＜[σp]；τ＜[τ]。通過計算驗證，防脫螺栓力學性能符合要求。

4 現場應用

相比原有方卡子和上支撐套連接結構，此優化設計在保證強度的同時，增加了方卡子和上支撐套間的限位裝置，完全避免了驅動裝置反轉剎車控制失效時方卡子及光桿甩飛情況的發生，為螺桿泵驅動裝置現場安全應用提供有力保障。截止到2019年底，采用此種設計的地面驅動裝置現場應用200余套，實現產值760萬元，現場零事故發生，得到操作人員的高度認可。

5 結 論

通過現場實際應用，改進設計后的地面驅動裝置，相比原有上支撐套和方卡子連接結構，具有結構簡單、操作方便的特點，使用安全、可靠性高，現場應用效果良好，為螺桿泵地面驅動裝置在油田的大批量推廣應用奠定了堅實基礎。

圖9 改進后方卡子與上支撐套裝配圖