頁巖氣多級(jí)離心泵軸承失效分析及對(duì)策

田國強(qiáng) 田心寧

（中國石油西南油氣田公司a.蜀南氣礦；b.川中油氣礦）

四川長寧區(qū)塊頁巖氣開采示范基地自2013年正式建設(shè)以來，鉆井壓裂規(guī)模和頁巖氣產(chǎn)量都在快速增長， 隨之產(chǎn)生的返排液量更是巨增，這給各個(gè)生產(chǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)供水泵站造成了很大的工作壓力。 目前，該區(qū)塊頁巖氣201 井區(qū)和209 井區(qū)的鉆井壓裂轉(zhuǎn)供水泵站已經(jīng)安裝了近170 臺(tái)多級(jí)離心泵（DP 型和DG 型自平衡多級(jí)離心泵）。這些多級(jí)離心泵的主體材料為不耐腐蝕的鑄造碳素鋼，采用機(jī)械密封方式。 多級(jí)離心泵驅(qū)動(dòng)端采用單列向心滾柱軸承， 不承受軸向力作用，當(dāng)軸承運(yùn)行溫度低于95℃時(shí)，軸承不易損壞，更換頻率較低； 非驅(qū)動(dòng)端采用一對(duì)接觸角為40°的單列向心滾動(dòng)球軸承，背向安裝，正常情況下能夠承受較小的軸向殘余力，采用潤滑脂（黃油）潤滑，軸承和潤滑脂采取自然冷卻方式降溫。 然而在長期運(yùn)行過程中，軸承摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)在密封腔內(nèi)集聚從而引起軸承溫度持續(xù)升高，導(dǎo)致潤滑脂因高溫頻繁失效。 另外，由于軸承溫度持續(xù)升高，造成材料強(qiáng)度和硬度逐漸下降，導(dǎo)致軸承頻繁燒毀。 為此，有必要對(duì)四川長寧區(qū)塊頁巖氣多級(jí)離心泵軸承失效形式和原因進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的對(duì)策。

1 多級(jí)離心泵技術(shù)特點(diǎn)

DP 型和DG 型自平衡多級(jí)離心泵最主要的技術(shù)特點(diǎn)是其前半段出水經(jīng)旁路管進(jìn)入末端，再從中體段排出，這樣前半段的正葉輪組產(chǎn)生的推力與后半段的反葉輪組產(chǎn)生的推力大小相等、方向相反， 理論上這兩個(gè)方向的推力可以抵消，多級(jí)離心泵軸向殘余應(yīng)力為零，軸承不承受軸向應(yīng)力，解決了軸向力不平衡的問題，避免了葉輪和軸承的摩擦。 但是在實(shí)際的頁巖氣返排液轉(zhuǎn)供水過程中，由于眾多原因，多級(jí)離心泵的軸向推力難以達(dá)到自平衡，這使得運(yùn)行中的軸承總是處于軸向受力狀態(tài)。

2 設(shè)備現(xiàn)狀

上海東方泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司的設(shè)備出廠技術(shù)文件指出，四川長寧區(qū)塊頁巖氣使用的自平衡多級(jí)離心泵適用于輸送不含固體顆粒、溫度低于80℃的清水或物理化學(xué)性質(zhì)類似于清水的液體。 然而，由于我國頁巖氣鉆井壓裂工藝技術(shù)的需要，根據(jù)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況要向壓裂液添加一定量的酸性試劑和石英砂，因此頁巖氣排水采氣階段產(chǎn)生的返排液就具有腐蝕性和磨損性，導(dǎo)致設(shè)備管道腐蝕磨損穿孔現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，與此同時(shí)，多級(jí)離心泵葉輪高速旋轉(zhuǎn)也加劇了返排液對(duì)葉輪、流道等部件的腐蝕和磨損（圖1）。

圖1 葉輪的腐蝕磨損情況

四川長寧區(qū)塊頁巖氣基地建設(shè)規(guī)模較大，鉆井壓裂工作進(jìn)度較快， 頁巖氣產(chǎn)能不斷提升，點(diǎn)多面廣，各鉆井平臺(tái)轉(zhuǎn)供水泵站的設(shè)備長期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致多級(jí)離心泵故障頻繁，設(shè)備故障數(shù)量較大，維修任務(wù)繁重，現(xiàn)有設(shè)備維修力量無法滿足正常生產(chǎn)要求。 在眾多設(shè)備問題中，因軸承溫度超標(biāo)而導(dǎo)致的設(shè)備失效是多級(jí)離心泵最頻繁的故障。 正常情況下軸承的使用壽命是20 000～40 000h， 然而在實(shí)際生產(chǎn)中往往不足2 000h 就需要更換，甚至一周一換，使用時(shí)間遠(yuǎn)達(dá)不到軸承的正常使用壽命。 同時(shí)，多級(jí)離心泵運(yùn)行潤滑管理制度要求， 在設(shè)備連續(xù)運(yùn)行120h 后需要對(duì)軸承進(jìn)行一次潤滑脂加注，但是在實(shí)際運(yùn)行中往往每24h 就要進(jìn)行潤滑脂加注，而且在加注時(shí)潤滑脂會(huì)由于軸承密封腔內(nèi)的高溫環(huán)境被擠出，從而造成潤滑脂的極大浪費(fèi)和環(huán)境污染。 另外，更換一對(duì)軸承需要消耗配件費(fèi)用和人工成本近1.5萬元，維修工作量大。

3 軸承的主要失效形式

經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，軸承的主要失效形式包括：

a. 疲勞破壞。 滾動(dòng)軸承工作過程中，滾動(dòng)體相對(duì)內(nèi)圈（或外圈）不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，因此滾動(dòng)體與滾道接觸表面承受變應(yīng)力。 此應(yīng)力近似于載荷按脈動(dòng)循環(huán)變化， 由于脈動(dòng)循環(huán)接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，在滾動(dòng)體或滾道的表面下一定深度處會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，繼而擴(kuò)展到接觸表面，形成疲勞點(diǎn)蝕，致使軸承無法正常工作。 通常，疲勞點(diǎn)蝕是滾動(dòng)軸承的主要失效形式。

b. 永久變形。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速很低或者間歇擺動(dòng)時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞。 但是當(dāng)有很大的靜載荷或沖擊載荷作用時(shí)，會(huì)使得軸承滾道和滾動(dòng)體接觸處產(chǎn)生永久變形 （滾道表面形成變形凹坑）， 從而導(dǎo)致軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和噪聲，致使軸承無法正常工作。

c. 由于操作使用和維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)導(dǎo)致的軸承或密封潤滑不良、軸承溫度過高等，會(huì)造成軸承強(qiáng)度下降從而失效。

4 多級(jí)離心泵軸承失效原因分析

四川長寧區(qū)塊頁巖氣鉆井壓裂平臺(tái)轉(zhuǎn)供水泵站多級(jí)離心泵不存在超負(fù)荷運(yùn)行情況，但是原非驅(qū)動(dòng)端軸承密封潤滑冷卻結(jié)構(gòu)（圖2）存在不合理性，潤滑冷卻效果不佳，導(dǎo)致多數(shù)設(shè)備在運(yùn)行一年后軸承溫度逐步上升，高達(dá)140～180℃。

圖2 原非驅(qū)動(dòng)端軸承密封潤滑冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

觀察發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在運(yùn)行過程中遠(yuǎn)無法達(dá)到軸承溫度不大于95℃的技術(shù)要求。 通過多次對(duì)自平衡多級(jí)離心泵解體檢修并分析，確認(rèn)軸承潤滑冷卻不良是導(dǎo)致軸承溫度超高而失效的直接原因：

a. 為了保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源，返排液會(huì)多次重復(fù)循環(huán)利用，即轉(zhuǎn)供水泵站用多級(jí)離心泵將返排液轉(zhuǎn)送到鉆井平臺(tái)作鉆井壓裂液用。 因此，多級(jí)離心泵內(nèi)部構(gòu)件受腐蝕/磨損嚴(yán)重，尤其是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的正葉輪和反葉輪的腐蝕和磨損情況尤為突出，這就導(dǎo)致正葉輪組與反葉輪組產(chǎn)生的推力方向相反，大小卻不相等，兩者無法完全抵消，進(jìn)而產(chǎn)生了較大的軸向殘余應(yīng)力。 軸承承受了較大的殘余應(yīng)力作用后摩擦加劇造成溫度快速上升，超過溫度極限后就會(huì)導(dǎo)致軸承硬度、強(qiáng)度下降從而損壞。

b. 自平衡多級(jí)離心泵驅(qū)動(dòng)端采用的是一個(gè)單列向心滾柱軸承，軸向不受力且不會(huì)產(chǎn)生超溫問題。 非驅(qū)動(dòng)端軸承采用的是潤滑脂潤滑方式，軸承壓蓋密閉，通過軸承座和軸承壓蓋表面自然散熱實(shí)現(xiàn)自然冷卻降溫。 這種潤滑密封結(jié)構(gòu)使得加油保養(yǎng)困難、操作不便，軸承和潤滑脂散熱效果不佳，潤滑脂容易損耗從而導(dǎo)致“干油缺油”燒毀軸承。 這是多級(jí)離心泵非驅(qū)動(dòng)端軸承熱傳導(dǎo)散熱效果不佳導(dǎo)致軸承溫度超高的重要原因。 針對(duì)這種情況，若能改變頁巖氣返排液的化學(xué)性質(zhì)和物理特性，消除返排液的腐蝕性和磨損性，那么問題就能迎刃而解，然而在當(dāng)前國內(nèi)頁巖氣開采技術(shù)條件下此方法很難實(shí)現(xiàn)。 因此，考慮從改善軸承散熱降溫效果、改善軸承潤滑效果等方面進(jìn)行技術(shù)改造， 使軸承產(chǎn)生的熱量迅速被帶走，確保軸承運(yùn)行溫度不超標(biāo)，提高軸承的使用壽命。

5 改進(jìn)措施及效果

5.1 改進(jìn)措施

多級(jí)離心泵非驅(qū)動(dòng)端軸承密封潤滑冷卻方式的改進(jìn)措施為：

a. 改變軸承潤滑劑類型， 即選擇N320 齒輪潤滑油替代潤滑脂。 在相同環(huán)境和技術(shù)條件下N320 齒輪潤滑油的潤滑性和冷卻性都要優(yōu)于潤滑脂，一方面，使用N320 齒輪潤滑油可以將軸承運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走以達(dá)到降低軸承溫度的目的；另一方面，N320 齒輪潤滑油良好的潤滑性可以更好地改善軸承潤滑效果，降低軸承運(yùn)動(dòng)摩擦生熱的程度。 只要解決N320 齒輪潤滑油的儲(chǔ)存密封和冷卻問題就可以確保多級(jí)離心泵在運(yùn)行過程中軸承不缺油，從而提高軸承的使用壽命。

b. 改變軸承兩端壓蓋潤滑密封結(jié)構(gòu)形式，即對(duì)多級(jí)離心泵非驅(qū)動(dòng)端軸承潤滑冷卻工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造（圖3）。一方面，通過增大潤滑油儲(chǔ)存容積面積，提高潤滑油散熱效率，從而降低潤滑油和軸承溫度。 將原軸承后端壓蓋加長使之能夠儲(chǔ)存足夠的保存有潤滑油的儲(chǔ)油圓筒，以保證儲(chǔ)油圓筒的散熱面積足夠大，并在端面安裝透明有機(jī)玻璃以便于觀察控制潤滑油情況。 另一方面，將軸端軸承壓蓋潤滑油密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為50mm 長（三道回油環(huán)）的密封槽，確保運(yùn)行中潤滑油不被甩出密封腔。

圖3 改造后的多級(jí)離心泵非驅(qū)動(dòng)端軸承潤滑冷卻工藝結(jié)構(gòu)示意圖

c. 儲(chǔ)油圓筒內(nèi)放置6～10 圈由直徑為10mm的紫銅管冷彎制成的圓形盤管，使泵站箱式變電站常開電器儀表溫度控制空調(diào)產(chǎn)生的冷疑水（低溫清潔）流過紫銅盤管并就地排放，冷凝水迅速帶走潤滑油熱量進(jìn)而達(dá)到降低潤滑油和軸承溫度的目的。

5.2 使用效果

通過對(duì)中國石油西南油氣田公司四川長寧區(qū)塊頁巖氣201 井區(qū)H5 轉(zhuǎn)供水泵站兩臺(tái)500kW的DP280-65X6 型多級(jí)離心泵和H10 轉(zhuǎn)供水泵站兩臺(tái)900kW 的DP280-65X10 型多級(jí)離心泵進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)際使用效果表明，軸承潤滑冷卻效果良好， 非驅(qū)動(dòng)端軸承運(yùn)行溫度從145.8、176.4℃下降到了85℃以下，完全滿足軸承溫度技術(shù)要求，保證了設(shè)備的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語

頁巖氣作為我國的重要清潔能源，未來會(huì)有大規(guī)模的勘探與開采。 由于我國頁巖氣開采工藝技術(shù)尚處于初始階段，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)還會(huì)繼續(xù)采用壓裂法工藝，故返排液的腐蝕性和磨損性必然存在，這就導(dǎo)致頁巖氣鉆井壓裂和生產(chǎn)過程中的返排液對(duì)多級(jí)離心泵產(chǎn)生的腐蝕和磨損不可避免。 一方面，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇耐腐蝕性材料的多級(jí)離心泵作為返排液轉(zhuǎn)供設(shè)備，減少由葉輪腐蝕導(dǎo)致的軸承超溫失效；另一方面，通過筆者提出的3 項(xiàng)改進(jìn)措施對(duì)現(xiàn)有頁巖氣返排液轉(zhuǎn)供水多級(jí)離心泵非驅(qū)動(dòng)端軸承的密封潤滑冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使軸承運(yùn)行溫度能夠得到有效控制，延長軸承使用壽命，降低設(shè)備故障頻率，為頁巖氣的順利鉆井壓裂和連續(xù)生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。