新型潛油電泵軸承支持架拆裝裝置的研究與應用

劉洪靜 強俊麗 宮艷紅 白花梅 李雷 趙帥

（中國石油大港油田公司第三采油廠）

1 概述

我國大部分油田目前均處于開發的中后期，潛油電泵作為重要的開采設備，在油田機械采油方面應用非常廣泛，由于潛油電泵內部結構相對復雜，在井下運轉中長期處于高速、高壓、高溫環境，且介質中含有硫化物等腐蝕性物質，故潛油電泵運行時易發生葉輪堵塞、磨損、腐蝕、泵卡等故障，造成電泵機組運行不穩定，影響油田開采效率和經濟效益[1-2]。因此需要檢電作業對潛油電泵進行維修，查找造成故障的原因，有針對性地提出解決辦法。

潛油電泵維修時需要先將軸承支持架從泵殼的兩端拆卸下來。軸承支持架包括同軸的外環和內環，且外環和內環之間通過位于外環和內環之間的連接筋連接，外環通過外壁上的外螺紋與泵殼內壁上的內螺紋嚙合進行螺紋連接[3]。傳統方法是員工用自制拆卸工具包括手持桿和軸向間隔布置于手持桿的端部的多個插接板，使用時，將多個插接板分別插入軸承支持架的外環和內環中，使插接板和連接筋交替間隔，這樣技術人員擰動手持桿時，插接板的側壁會抵住連接筋，帶動軸承支持架在泵殼內轉動，以拆卸軸承支持架。但由于潛油電泵長時間在井下工作，結垢、腐蝕、磨損現象嚴重，拆卸時旋扭力增大，給拆裝檢修工作帶來了很大的困難，經常要借助加力工具配合使用，而且潛油電泵本身較重，拆卸時需要較多人員配合[4]，且由于拆裝數量較多，工作量巨大，人工拆裝工作效率低下的同時，也增加勞動強度、風險隱患。蔡健文[5]提出了一種整體結構合理穩定、軸距可變的多螺母拆裝裝置，提高了螺母的裝配時間，減輕了從業人員的勞動強度。方俊俊[6]研制的銹蝕螺母快速拆卸工具，能迅速解決螺絲銹蝕無法拆除，狹小空間操作困難等問題，減少勞動強度，降低操作風險。董柱祥[7]發明的工作輥軸承座快速拆卸裝置，包括換輥臺架、兩個液壓小車、四個平行設置的軌道和儲輥臺架，結構簡單，維修方便，有效提高了生產效率。潘彪等[8]人發明的工作輥軸承座拆裝裝置，通過將大車行走電動機的制動方式優化為變頻器與抱閘共同工作，解決了大車定位精度不準的問題，使定位精度得到改善。顧家友等[9]研發基于PLC 和組態的智能電動擰緊系統，PLC 控制馬達電動機轉動，自動低速擰緊，PLC 數據傳輸到上位機中顯示處理，同時用戶也可以在上位機界面設置各種控制參數，能夠控制扭矩使得擰緊更精準，安全性能高，操作簡便易行。付春嬋等[10]研發的矯直機輥套拆裝方法的改進是在矯直機固定底座上設計雙液壓缸翻轉裝置，輥套裝配安裝采用液壓預緊，碟簧回松的方法拆裝輥套。由于上述技術不能綜合應用于油氣開發領域，借鑒了智能電動擰緊系統及狹小空間操作的成功經驗，研發了軸承支持架的拆裝裝置，主要由移動平臺、固定平臺、移動小車、啟動柜、電動機、減速機等組成，經現場規模應用，單泵軸承支持架拆卸時間由60 min 降至20 min 以內，累計創效42.6 萬元，實現了提高效率與安全操作的目的。

2 潛油電泵軸承支持架拆裝裝置設計

2.1 設計依據

PLC 控制是目前生產生活中逐漸普及的方式，這一技術具有便于開發、抗干擾能力強等優點。啟動柜控制電動機，它是利用通電線圈在磁場中受力轉動的原理制成。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止；電動機再將電能轉化為機械能，減速機設備用來控制機械手正轉、反轉，帶動機械手正反運轉，實現工作的完成。

2.2 結構設計

潛油電泵軸承支持架拆裝裝置主要由移動平臺、固定平臺、移動小車、啟動柜、電動機、減速機、安全護罩、機械手組成。移動平臺由移動小車、啟動柜、電動機、減速機、安全護罩和機械插手組成；移動小車設有工作臺，在工作臺的一端設有扶手，四個支腳裝有輪子，可以自由移動。可移動快速軸承支持架拆卸裝置示意圖見圖1。

圖1 可移動快速軸承支持架拆卸裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of dismantling device of removable quick bearing support frame

啟動柜包括配電箱、電源開關、設備儀表控制保險、轉速表較準、反饋量調節、正轉按鈕、停止按鈕、反轉按鈕、轉速旋鈕、轉速顯示儀。啟動柜為常用電路配電箱，采用變頻控制，正轉按鈕、反轉按鈕和停止按鈕位于電源開關的下方，用于控制機械手轉動方向和停止作用，設備儀表控制保險、轉速表較準、反饋量調節位于電源開關的上方，轉速按鈕和轉速顯示儀位于電源開關的左邊，用來顯示和控制機械手速度。

機械手包括固定筒、活動爪、連接桿、連接筒、連接嘴、彈簧、卡銷、卡桿、插手組成固定筒由連接桿、連接筒、連接嘴和彈簧組成，三者均為圓柱形管狀體且軸線重合，連接嘴的端面向連接筒方向，沿軸線在連接嘴和連接筒內壁上由車床加工出長方形深槽。彈簧采用壓縮彈簧，置于連接筒內；活動爪由卡銷、卡桿和插手組成。卡桿位于活動爪的最下部，卡桿為圓柱形管狀體，桿體上有一通孔，卡銷穿過通孔，二者間隙配合且軸線垂直。卡銷和卡桿插入連接嘴、連接筒內部的卡槽內，通過壓縮連接筒內的彈簧，卡在卡槽內。插手與卡桿相連，在插手端面，沿軸線由車床加工出‘+’字形的長方形槽，插手前臂被切割成圓弧形四部分。卡桿與插手二者軸線重合。機械手示意圖見圖2。

圖2 機械手示意圖Fig.2 Schematic diagram of manipulator

2.3 使用條件

可移動快速拆卸軸承支持架裝置用于潛油電泵軸承支持架的拆裝，啟動柜電源為常用220 V 電壓，轉速可將根據軸承支持架拆卸的難易程度進行調節；固定平臺只提供固定潛油電泵作用，不提供力，使用時將移動平臺的機械手與固定平臺的軸承支持架軸線對中，插手插入軸承支持架4 個孔內，將移動平臺上的安全罩扣牢，反轉按鈕卸松，正轉按鈕為上緊，OFF 為停止，采用PLC 變頻控制設備實現了快速拆裝軸承支持架操作。

3 現場應用

3.1 現場實施步驟

潛油電泵軸承支持架拆裝裝置可拆卸各種泵徑的軸承支持架，使用時移動平臺與固定平臺軸線對中。

具體實施步驟如下：

步驟1：將安裝有軸承支持架的潛油電泵至于固定支架上；

步驟2：將移動平臺推至固定平臺的正前方；步驟3：打開安全護罩，將機械手對準潛油電泵，將插手插入軸承支持架的四個插孔內；

步驟4：蓋好安全護罩，將啟動柜接通電源；

步驟5：將啟動柜的電源開關按至ON 開的狀態，按下反轉按鈕，電動機啟動，帶動減速機、機械手一起轉動，將軸承支持架卸松；

步驟6：按下停止按鈕，電動機停止轉動，將電源開關按至OFF 關的狀態，電源切斷；

步驟7：安裝軸承支持架時，將機械手對準潛油電泵，將插手插入到軸承支持架的四個插孔內；

步驟8：將啟動柜的電源開關按至開的狀態，按下正轉按鈕，電動機啟動，帶動減速機、機械手一起轉動，軸承支持架安裝完成；

步驟9：按下停止按鈕，電動機停止轉動，將電源開關按至關的狀態，電源切斷；

步驟10：轉速顯示儀顯示電動機每分鐘旋轉速度，通過旋轉轉速旋鈕，可對電動機旋轉速度進行控制調節。

3.2 現場試驗效果

1）潛油電泵軸承支持架拆裝裝置，應用了自動控制裝置，能夠準確的拆卸、安裝軸承支持架，自動拆卸軸承支持架效果良好，操作人員較原來減少4 人，工作效率提高66.7%。

2）移動平臺采用了“動態+靜態”相結合的方式，利用移動小車解決了人工對中難的問題，機械手和軸承支持架能夠準確定位，有效降低員工在搬運潛油電泵時存在的安全隱患。

3）借鑒應用PLC 控制機理，通過轉速顯示屏顯示速度，轉速調節器控制電動機轉速，調節頻率來實現轉速的調節，實現不同規格軸承支持架的拆裝，拆卸平均時間降低40 min，優質率達到100%。現場試驗效果統計見表1。

表1 現場試驗效果統計Tab.1 Statistics of field test effect

3.3 效益分析

1）經濟效益。潛油電泵軸承支持架拆裝裝置應用后，拆卸的時間由60 min 縮短到了20 min，降低了勞動強度，達到提質增效的目的。操作人員減少4 人，人工成本有效降低，減少因人工暴力拆裝造成的潛油電泵配件損壞，累計創效42.6 萬元。

2）社會效益。“安全是最大的經濟效益”，通過使用潛油電泵軸承支持架拆裝裝置，有效提升了軸承支持架拆裝過程中的安全操作系數，可迅速完成對軸承支持架的拆裝操作，解決了因軸承支持架腐蝕拆卸難的隱性安全問題，降低了勞動強度，減少不規范操作，提高了現場操作安全系數，在相同領域具有一定的推廣性。

4 結論

1）潛油電泵軸承支持架拆裝裝置采用PLC 控制電動機，經皮帶傳動連接減速機實現降速，獲得合適的旋轉速度來帶動機械手的轉動，從而實現軸承支持架的拆裝。

2）該裝置具有安裝方便、移動快捷、組裝靈活、易于操作的特點，移動平臺與固定平臺配合使用，有效提高一線潛油電泵維修人員工作效率。

3）該裝置安全性能強，固定平臺穩定牢靠，鎖緊固定后，消除物體打擊、砸傷等操作風險，勞動強度明顯降低，操作人員由6 人降至2 人，有效提高設備維修效率。