頁巖氣多級離心泵軸承失效分析及對策

田國強 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）

四川長寧區塊頁巖氣開采示范基地自2013年正式建設以來，鉆井壓裂規模和頁巖氣產量都在快速增長， 隨之產生的返排液量更是巨增，這給各個生產平臺的轉供水泵站造成了很大的工作壓力。 目前，該區塊頁巖氣201 井區和209 井區的鉆井壓裂轉供水泵站已經安裝了近170 臺多級離心泵（DP 型和DG 型自平衡多級離心泵）。這些多級離心泵的主體材料為不耐腐蝕的鑄造碳素鋼，采用機械密封方式。 多級離心泵驅動端采用單列向心滾柱軸承， 不承受軸向力作用，當軸承運行溫度低于95℃時，軸承不易損壞，更換頻率較低； 非驅動端采用一對接觸角為40°的單列向心滾動球軸承，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。 然而在長期運行過程中，軸承摩擦產生的熱量會在密封腔內集聚從而引起軸承溫度持續升高，導致潤滑脂因高溫頻繁失效。 另外，由于軸承溫度持續升高，造成材料強度和硬度逐漸下降，導致軸承頻繁燒毀。 為此，有必要對四川長寧區塊頁巖氣多級離心泵軸承失效形式和原因進行分析并提出相應的對策。

1 多級離心泵技術特點

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

2 設備現狀

上海東方泵業（集團）有限公司的設備出廠技術文件指出，四川長寧區塊頁巖氣使用的自平衡多級離心泵適用于輸送不含固體顆粒、溫度低于80℃的清水或物理化學性質類似于清水的液體。 然而，由于我國頁巖氣鉆井壓裂工藝技術的需要，根據不同的地質結構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生的返排液就具有腐蝕性和磨損性，導致設備管道腐蝕磨損穿孔現象經常出現，與此同時，多級離心泵葉輪高速旋轉也加劇了返排液對葉輪、流道等部件的腐蝕和磨損（圖1）。

圖1 葉輪的腐蝕磨損情況

四川長寧區塊頁巖氣基地建設規模較大，鉆井壓裂工作進度較快， 頁巖氣產能不斷提升，點多面廣，各鉆井平臺轉供水泵站的設備長期高負荷運轉，導致多級離心泵故障頻繁，設備故障數量較大，維修任務繁重，現有設備維修力量無法滿足正常生產要求。 在眾多設備問題中，因軸承溫度超標而導致的設備失效是多級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， 然而在實際生產中往往不足2 000h 就需要更換，甚至一周一換，使用時間遠達不到軸承的正常使用壽命。 同時，多級離心泵運行潤滑管理制度要求， 在設備連續運行120h 后需要對軸承進行一次潤滑脂加注，但是在實際運行中往往每24h 就要進行潤滑脂加注，而且在加注時潤滑脂會由于軸承密封腔內的高溫環境被擠出，從而造成潤滑脂的極大浪費和環境污染。 另外，更換一對軸承需要消耗配件費用和人工成本近1.5萬元，維修工作量大。

3 軸承的主要失效形式

經過檢查發現，軸承的主要失效形式包括：

a. 疲勞破壞。 滾動軸承工作過程中，滾動體相對內圈（或外圈）不斷地轉動，因此滾動體與滾道接觸表面承受變應力。 此應力近似于載荷按脈動循環變化， 由于脈動循環接觸應力的反復作用，在滾動體或滾道的表面下一定深度處會產生疲勞裂紋，繼而擴展到接觸表面，形成疲勞點蝕，致使軸承無法正常工作。 通常，疲勞點蝕是滾動軸承的主要失效形式。

b. 永久變形。當軸承轉速很低或者間歇擺動時，一般不會產生疲勞損壞。 但是當有很大的靜載荷或沖擊載荷作用時，會使得軸承滾道和滾動體接觸處產生永久變形 （滾道表面形成變形凹坑）， 從而導致軸承在運轉中產生劇烈振動和噪聲，致使軸承無法正常工作。

c. 由于操作使用和維護保養不當導致的軸承或密封潤滑不良、軸承溫度過高等，會造成軸承強度下降從而失效。

4 多級離心泵軸承失效原因分析

四川長寧區塊頁巖氣鉆井壓裂平臺轉供水泵站多級離心泵不存在超負荷運行情況，但是原非驅動端軸承密封潤滑冷卻結構（圖2）存在不合理性，潤滑冷卻效果不佳，導致多數設備在運行一年后軸承溫度逐步上升，高達140～180℃。

圖2 原非驅動端軸承密封潤滑冷卻結構示意圖

觀察發現，設備在運行過程中遠無法達到軸承溫度不大于95℃的技術要求。 通過多次對自平衡多級離心泵解體檢修并分析，確認軸承潤滑冷卻不良是導致軸承溫度超高而失效的直接原因：

a. 為了保護環境和節約能源，返排液會多次重復循環利用，即轉供水泵站用多級離心泵將返排液轉送到鉆井平臺作鉆井壓裂液用。 因此，多級離心泵內部構件受腐蝕/磨損嚴重，尤其是高速運轉的正葉輪和反葉輪的腐蝕和磨損情況尤為突出，這就導致正葉輪組與反葉輪組產生的推力方向相反，大小卻不相等，兩者無法完全抵消，進而產生了較大的軸向殘余應力。 軸承承受了較大的殘余應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導致軸承硬度、強度下降從而損壞。

b. 自平衡多級離心泵驅動端采用的是一個單列向心滾柱軸承，軸向不受力且不會產生超溫問題。 非驅動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現自然冷卻降溫。 這種潤滑密封結構使得加油保養困難、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致“干油缺油”燒毀軸承。 這是多級離心泵非驅動端軸承熱傳導散熱效果不佳導致軸承溫度超高的重要原因。 針對這種情況，若能改變頁巖氣返排液的化學性質和物理特性，消除返排液的腐蝕性和磨損性，那么問題就能迎刃而解，然而在當前國內頁巖氣開采技術條件下此方法很難實現。 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行技術改造， 使軸承產生的熱量迅速被帶走，確保軸承運行溫度不超標，提高軸承的使用壽命。

5 改進措施及效果

5.1 改進措施

多級離心泵非驅動端軸承密封潤滑冷卻方式的改進措施為：

a. 改變軸承潤滑劑類型， 即選擇N320 齒輪潤滑油替代潤滑脂。 在相同環境和技術條件下N320 齒輪潤滑油的潤滑性和冷卻性都要優于潤滑脂，一方面，使用N320 齒輪潤滑油可以將軸承運動摩擦產生的熱量及時帶走以達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，降低軸承運動摩擦生熱的程度。 只要解決N320 齒輪潤滑油的儲存密封和冷卻問題就可以確保多級離心泵在運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構形式，即對多級離心泵非驅動端軸承潤滑冷卻工藝結構進行改造（圖3）。一方面，通過增大潤滑油儲存容積面積，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存足夠的保存有潤滑油的儲油圓筒，以保證儲油圓筒的散熱面積足夠大，并在端面安裝透明有機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構設計為50mm 長（三道回油環）的密封槽，確保運行中潤滑油不被甩出密封腔。

圖3 改造后的多級離心泵非驅動端軸承潤滑冷卻工藝結構示意圖

c. 儲油圓筒內放置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產生的冷疑水（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而達到降低潤滑油和軸承溫度的目的。

5.2 使用效果

通過對中國石油西南油氣田公司四川長寧區塊頁巖氣201 井區H5 轉供水泵站兩臺500kW的DP280-65X6 型多級離心泵和H10 轉供水泵站兩臺900kW 的DP280-65X10 型多級離心泵進行技術改造，實際使用效果表明，軸承潤滑冷卻效果良好， 非驅動端軸承運行溫度從145.8、176.4℃下降到了85℃以下，完全滿足軸承溫度技術要求，保證了設備的長周期穩定運行。

6 結束語

頁巖氣作為我國的重要清潔能源，未來會有大規模的勘探與開采。 由于我國頁巖氣開采工藝技術尚處于初始階段，在相當長的時間內還會繼續采用壓裂法工藝，故返排液的腐蝕性和磨損性必然存在，這就導致頁巖氣鉆井壓裂和生產過程中的返排液對多級離心泵產生的腐蝕和磨損不可避免。 一方面，工程設計時應選擇耐腐蝕性材料的多級離心泵作為返排液轉供設備，減少由葉輪腐蝕導致的軸承超溫失效；另一方面，通過筆者提出的3 項改進措施對現有頁巖氣返排液轉供水多級離心泵非驅動端軸承的密封潤滑冷卻結構進行改造，使軸承運行溫度能夠得到有效控制，延長軸承使用壽命，降低設備故障頻率，為頁巖氣的順利鉆井壓裂和連續生產創造有利條件。