（机械工程专业论文）游梁式抽油装置的故障分析与概率计算.pdf

摘要 目前，国内采用的抽油装置依然以游梁式抽油装置为主，本文通过对游梁式抽油装 置总体结构的分析，针对游梁式抽油装置的地面装置、抽油杆、抽油泵三部分，讨论其 可能导致失效的基本形式及原因，并对游梁式抽油机进行了危险性分析。进而，通过对 游梁式抽油装置失效原因的总结，合理建立抽油杆、地面装置及抽油泵的事故树，并进 行定性分析，找出抽油杆、地面装置及抽油泵失效事故树的最d , 害- u 集和最小径集，从而 确定影响各部分失效的重要事件以及避免各部分失效的基本事件的组合。根据最4 , 害- f j 集 建立相应的等效事故树，以采油厂故障数据为依据，进行定量分析，找出抽油装置发生 故障的基本概率，并通过概率重要度和结构重要度的计算来确定所有基本事件中的主要 原因和次要原因。结合等效事故树和各基本事件的概率重要度、结构重要度，提出对游 梁式抽油装置失效的防范措施，以达到降低故障率和减少危险伤害的目的。 关键词：游梁式抽油装置，游梁式抽油机，抽油杆，抽油泵，故障诊断，危险 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i nc h i n ab e a mp u m p i n gu n i ti ss t i l lu s e da sm a i np u m p i n gu n i t ，t h i sp a p e r d i s c u s s e sb a s i cf o r ma n dc a u s e st h a tc o u l dl e a dt oi t sf a i l u r e ，a n dc o n d u c t sr i s ka n a l y s i so f b e a mp u m p i n gu n i t ，a n a l y z i n gt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fb e a mp u m p i n gu n i t ，b a s e do nt h r e e p a r t so fb e a mp u m p i n gu n i tt h eg r o u n di n s t a l l a t i o n ，s u c k e ra n dr o dp u m p f u r t h e r m o r e ， t h r o u g ht h es u m m a r yo ft h ec a u s e sf o rf a i l u r eo fb e a mp u m p i n gu n i t ，b u i l dt h ef a u l tt r e eo f s u c k e r ，g r o u n di n s t a l l a t i o na n dr o dp u m p ，a n dc o n d u c tq u a l i t a t i v ea n a l y s i st oi d e n t i f ym i n i m a l c u ts e t sa n dm o s tt r a i l ss e to ft h ef a u l tt r e eo fs u c k e r ，g r o u n di n s t a l l a t i o na n dr o dp u m p ，t o d e t e r m i n ei m p o r t a n te v e n t st h a ti m p a c tv a r i o u sp a r t sf a i la n dac o m b i n a t i o no fb a s i ce v e n t s t h a ta v o i dt h ev a r i o u sp a r t sf a i l a c c o r d i n gt ot h em i n i m u mc u ts e te s t a b l i s ht h ee q u i v a l e n t f a u l tt r e e ，b a s e do nf a i l u r ed a t ao fo i le x t r a c t i o np l a n t ，c o n d u c tq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s ，t o i d e n t i f yt h eb a s i cp r o b a b i l i t yo fp u m p i n ge q u i p m e n tf a i l u r e ，a n dd e t e r m i n ep r i m a r ya n d s e c o n d a r yc a u s e sf o ra l lt h eb a s i ce v e n t sc a l c u l a t i n gp r o b a b i l i t yi m p o r t a n c ed e g r e ea n d s t r u c t u r ei m p o r t a n c ed e g r e e c o m b i n i n ge q u i v a l e n tf a u l tt r e ea n dp r o b a b i l i t yi m p o r t a n c e d e g r e ea n ds t r u c t u r ei m p o r t a n c ed e g r e eo fa l lt h eb a s i ce v e n t s ，p r e s e n tp r e v e n t i v em e a s u r e st o f a i l u r eo ft h eb e a mp u m p i n gu n i t ，s oa st om i n i m i z et h ef a i l u r er a t ea n dr e d u c et h er i s ki n j u r y k e yw o r d s ：b e a ms w a b ，b e a mu n i t ，s u c k e rr o d ，r o dp u m p ，f a i l u r e ，i n j u r y i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：二复丝日期：加一年 月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：墨蕈 指导教师签名：鼋 日期： o 年，月，日 日期：z 口i 睁z 月f 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 抽油装置概述 第一章绪论弟一早 三；百了匕 石油能源的开发和利用是全世界关注的焦点，并已成为各个国家经济发展水平的重 要标志。油气开采技术水平的高低决定了石油资源是否能够持久保证。而由于开采环境 的复杂性和多样性决定了油气开采技术需要快速发展。在初期，通过简单的自喷采油法 开采较浅的储油层，所产石油的粘度很小，同时还不含有腐蚀性介质和水。随着社会对 石油能源需求量的不断增加，浅油层的油量已经不能满足需要，进而开发深油层。有杆、 无杆抽油装置、强注强采等技术的出现，满足了深井油层开发的需要。当油层压力较低 时，油液难以喷出地面，此时通常会采用人工举升的采油方式，也称为机械采油法【1 1 。 常见的机械抽油设备见图1 1 所示( 带幸号的为新型节能机械采油设备) 。 机械采油常用设备 i 育扦裂变l 一二= 匕帚 黼i 【蓑嚣藐 i 黼蟪杆暮il 挂油讥il 幕面甄。 黼li 黼ll 萁他i 【豁ll 蠹翥亵 l 藩螽蔬 幽 广_ ：= = = | _ 骊湖i 黼l 翼 径 变 筵 游 鬃 平 簧 抽 靖 韧。 翦 置 蓄 柄 平 智 抽 钠 钒 后置式机铖 平衡抽油机 摆 霎 辨 浆 平 衡 抽 油 机 蓼 双 萎 潜 羹 捕 虢 羹 鬓 薷 钒 图1 1常用机械采油设备 f i 9 1 1 c o m m o nm e c h a n i c a lo i lp r o d u c t i o ne q u i p m e n t 甜l，j 一矮形抽媲机 一 第一章绪论 游梁式抽油装置是最常用的机械采油设备，属于有杆抽油装置。此类游梁式抽油装 置由地面装置、井下部分和中间部分组成。其中，地面装置即游梁式抽油机，它的组成 包括电动机、四连杆机构、减速箱等；井下部分即抽油泵；中间部分即抽油杆【2 】。游梁 式抽油装置的基本工作流程为：通过电动机提供动力带动皮带和减速器，使曲柄作匀速 圆周运动，曲柄通过连杆带动游梁以中央轴承为支点，做往复垂直运动，带动游梁前端 驴头悬点连接抽油杆柱、油泵柱塞做上下往复直线运动。当柱塞上行时，将柱塞之上的 液体排入输油管线，将泵外的液体吸入泵内；柱塞下行时，将柱塞之下油泵内的液体吸 入柱塞之上的油管内，周而复始地工作，进而采出原油【引。游梁式抽油装置示意图见图 1 2 。 j ； 图1 - 2 游梁式抽油装置的示意图 f i g l - 2b e a m - p u m p i n gu n i to ft h ed i a g r a m 1 电动机 2 减速器3 一四连杆机构 卜抽油杆柱5 油管 6 套管7 抽油泵 8 游动阀9 一固定阀 1 2 我国抽油装置现状及发展 虽然石油机械的制造水平在不断提高，各种新型的抽油装置的开发和推广应用也取 得了新的进展，但有关资料表明，当前我国抽油机井约占机械油井总数的9 0 以上，依 然是以游梁式抽油装置为主1 4 j 。由于其具有结构简单、管理方便、操作和维修容易等特 点，在今后一定时期内，仍将在我国机械采油中占重要地位。此类抽油装置基本上满足 了陆地石油开发的需要。 游梁式抽油机的主要缺点是不容易实现长冲程、低冲次的要求，难以满足稠油井、 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 深抽井和含气井采油的需要。同时由于在各油田得到广泛使用，它的电能消耗要占到油 田用电总量的2 0 2 5 。可以说我国抽油机与国际先进水平的差距也主要体现在新型节 能抽油机发展缓慢，长冲程抽油机的发展速度不能适应采油作业这两方面。因此为了节 能增产，满足深抽井、稠油井和多气井的开采要求，追赶技术潮流，改造现有常规游梁 式抽油机，加速研制各种新型节能游梁式抽油机和各类长冲程无游梁式抽油机业已成为 趋势【5 1 。可以预见游梁式抽油机在节能基础上的发展方向是【6 8 】： ( 1 ) 通用化和个性化：抽油机的机型、零部件实行统一规范，特别是底座、预埋件。 品种多样化，产品成系列，有标准。使用科学，各项参数合理分配，对特殊油田区块特 殊对待，研究使用特殊工况抽油机。 ( 2 ) 实现智能控n - 也就是油井有多少油就抽多少，悬点载荷能够自动调整到实际配 重。抽油机要节能，必须保证平衡和降低无效能耗。智能化就是通过电子装置和机械方 式来实现。 ( 3 ) 符合人机工程学原理：发挥“人机境 的整体效用。抽油机的设计要符 合人的习惯，实现本质安全化。 1 3 常用监测及诊断方法 游梁式抽油装置大多由减速器、四连杆机构、电动机、电器控制箱等部件组成，是一 个典型的旋转机械系统，可用温度、振动、油液分析及电参数监测法诊断抽油机各部件的 运行状态，如下1 9 】： ( 1 ) 温度诊断：可采用红外测温仪、红外热成像技术、p t l 0 0 0 铂电阻测温传感器等方 式诊断出可能存在的电气故障及隐患。 ( 2 ) 振动诊断：以机械冲击、振动、模态参数和机械导纳为检测目标，通过对多个测 点位置振动信号的测定，来检测抽油机装置运行是否正常，以额定允许值为标准，超出的 量值越大，则表示故障严重程度越大。 ( 3 ) 油液分析：通过分析抽油机齿轮减速器润滑油的老化变质及磨粒、铁粉含量等各 项指标，能够及时发现其故障隐患。实际中，一般通过测量润滑油液电阻值来诊断减速器 的磨损及运行状态。 ( 4 ) 电气诊断：通过分析电流谱，判断电机的运行状态，从而作出诊断。实际中，一 般通过将电流传感器安装在电机的主回路上，用以提取和分析电机定子线圈的输入电流 信号。 第一章绪论 由于游梁式抽油装置的设备使用延伸到地下，工况恶劣、复杂，故障率极高。因此 对装置的状态监测和故障诊断要求很高，通过常期的实践和研究，总结方法如下： ( 1 ) 地面示功图分析法 利用油杆动力仪绘制油杆载荷与位移的关系曲线地面示功图，然后对示功图进 行解释，判断采油设备的工作状态。 ( 2 ) 井下示功图诊断法 将抽油泵与井下动力仪连接，同时下入井内，实时测量抽油泵地下示功图。 ( 3 ) “五指动力仪”法 具体方法是，依靠具有丰富经验的技术人员，用手握住抽油杆，感觉在抽油杆上下 运动过程中所产生的变化，来判断抽油装置此时的工作状态。 ( 4 ) 计算机诊断法 以抽油泵作为信号发送装置，以抽油杆作为动态信号的传输装置，将泵的运行状态 以应力波形式传递到地上的地面动力仪。根据此原理，建立带阻波动方程，并以油杆动 载荷及位移作为边界条件来求解，从而得到油杆任意截面的位移和载荷信号，并绘出所 需截面及采油泵的示功图，通过采油人员来进行分析和判断抽油装置的工作状态。 ( 5 ) 人工智能诊断技术 人工智能研究是如何应用计算机来模拟人的思维和行为，既由机器来完成某些与人 类相关的活动( 如判断、推理及学习等) 。将人工智能的推理和方法应用于设备的故障 诊断，发展智能化的故障诊断技术已经成为技术发展的主流【1 0 1 。 当游梁式抽油装置出现抽油机三相电压、有功功率、电流、功率因数、日用电量、 井口压力及温度、油杆断脱或卡死等故障发生时，利用现场测控单元检测并发出报警信 息。利用g p r s 数据传输系统与监控中心计算机网络系统建立连接，进行数据交互，同 时，现场的测控单元可直接通过信号指令的方式控制抽油装置的负荷超限停机和定时启 动。对抽油装置的日常工作状况、累计开机和停机时间实现自动记录并保存。并可针对 抽油机和配置电机型号、冲程、线路名称、报警上、下限、油井参数及状况等历史数据 进行编辑和浏览。并能对新开井、停产井、作业井的数据进行添加、删除及修改。能够 实时反应示功图、功率图显示及电流、电压、温度、压力等参数的动态变化趋势，并与 历史数据作出分析对比。通过应用g i s 地理信息管理系统，可对整个油田油井的工作状 况进行直观形象的反映【1 1 】。 国内在状态监测和故障诊断方面仍然处于初级发展阶段。大部分油田还使用动力仪 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 测量地面示功图，并通过查阅对照标准示功图来判断装置的工作状况。人力、物力浪费 巨大，同时准确率不高。虽然在人工智能诊断方法上也做了大量的研究工作，但是效果 不是很好，和实际要求相差很远。在我国油田当中，对油井的井下工况与井下设备的监 测与诊断主要集中在两个方面：一方面是对运行的工况进行诊断，主要是指悬点载荷、 减速器扭矩、电动机功率和电流等参数的定期检测，以及平衡情况的检查：另一方面是 对各运转零件的润滑与磨损情况，以及各主要受力零件故障隐患的诊断。游梁式抽油装 置虽然结构简单、制造容易且维修简便，但是由于工作环境的恶劣，故障率很高。作为 生产中的核心设备，根据以往资料对游梁式抽油装置进行故障分析与概率计算，对其设 计、生产、使用、维护、维修等各个环节都有着重要意义。 在论文中，我们将分两种情况对抽油装置进行分析：一方面是主要的故障形式，结 果是影响了生产；另一方面是抽油机存在的危险因素，即可能造成对人的伤害，进而影 响生产。对游梁式抽油装置主要失效形式及原因的分析后，我们还会选用事故树分析 ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 法对游梁式抽油装置的故障在一定条件下进行逻辑推理，作层层 深入的分析，表达系统内各事件问的内在联系，并指出单元故障与系统事故之间的逻辑 关系，以找出系统的薄弱环节。f t a 是安全系统工程中常用的一种方法，常用于进行故 障诊断、分析系统的薄弱环节，指导系统的安全运行和维修，实现系统的优化设计。这 种方法把系统可能发生的某种事故与导致事故发生的各种原因之间的逻辑关系用树形 图表，通过对事故树的定性与定量分析，找出事故发生的主要原因，为确定安全对策提 供可靠依据，以达到预防事故发生的目的。对于抽油装置的危险分析主要是游梁式抽油 机。由于伤害的主体是人，而人的不确定性因素很多，进行定量的分析十分困难，我们 只对其进行定性分析。 第二章游梁式抽油装置故障分析及危险分析 第二章游梁式抽油装置故障分析及危险分析 2 1 游梁式抽油机主要失效形式及原因 2 1 1 抽油机的结构组成 有杆深井泵主要以抽油机为采油设备。游梁式抽油机主要由曲柄机构、连杆、游梁、 动力设备、减速箱和辅助装置等部分组成。工作时高速运转的动力装置通过皮带和减速 箱将运动传给曲柄轴，并带动其低速旋转，曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动， 挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动f 1 2 】。游梁式抽油机结构简图见图2 1 所 示。 挪 图2 - 1 游梁式抽油机结构简图 f i 9 2 - l s c h e m a t i cd i a g r a mo fb e a mp u m p i n gu n i t l 刹车装置卜电动机3 一减速箱皮带轮 4 一减速箱 5 输入轴 6 一中间轴7 输出轴8 一曲柄9 一连杆轴l o 一支架 1l 一曲柄平衡块 1 2 连杆 1 3 一横梁轴 1 4 横梁 1 5 一游梁平衡块 1 6 一游梁1 7 一支架 1 8 一驴头 1 9 悬绳器2 0 一底座 2 1 2 抽油机易损件【1 3 】 ( 1 ) 传动带与传动轮：传动轮由传动带决定，而传动带又分为三角带和窄v 联组带 两种。三角带需要根据传递功率的不同选择不同尺寸。窄v 联组带由于截面横向尺寸比 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 三角带的截面横向尺寸小，所以在传递相同功率条件下，减少了电动机或减速器的轴伸 长度和直径，改善了轴的受力状况。 ( 2 ) 曲柄销总成：曲柄将力矩传递给连杆是通过曲柄销总成来完成的，曲柄销总成在 整个抽油机零部件中是一个受载荷比较大的关键受力件，因此对曲柄销总成里的几个主 要零件都有特殊的条件和要求。在接触不良的情况下，曲柄销的可靠度是非常低的，再 加上一些随机因素，如抽油机刹车时机身的抖动及井下压力情况的突变等，很容易导致 曲柄销的断裂失效。曲柄销的断脱，不仅使游梁翻转、连杆蹩弯，严重者可能砸毁井口 装置以及造成人身伤亡。 ( 3 ) 中央轴承座与横梁轴承座：中央轴承座分为通孔式和台阶孔式。通孑l 式的加工工 艺好，便于生产加工，安装拆卸简单，装配工艺性也好，但所受的轴向载荷有两端的轴 承盖承担，需要提高强度规格。横梁轴承座实现横梁与游梁之间的力矩的传递和抽油机 在运转过程中，连杆横梁与游梁之间的角度变化。可见它承担了全部的输出力矩，受力 的情况也非常复杂，必须对其安装联接的结构形式十分注意。 ( 4 ) 吊绳：吊绳挂装在驴头上端。驴头上行摆动时，吊绳上行并盘于驴头圆弧面上， 下行摆动时候，吊绳则逐步释放为直线。在这个过程中，驴头实际圆弧面半径与回转中 心确定的回转半径的误差，驴头实际圆弧面形状与理想半径圆弧面形状的误差以及驴头 与游梁装配后其圆弧面的圆心与抽油机实际回转中心的误差，都会影响和造成吊绳悬点 投影的误差，从而影响采油生产。吊绳是井口载荷的主要承重件，必须保证有足够的强 度。同时又要不断地完成直线与圆周运动的转换，吊绳的材料要有良好的柔韧性，以确 保耐用、安全、可靠。 2 1 3 抽油机的主要失效形式及原因 根据抽油机的结构特点及发生故障的事故统计，按照从电动机到井口的顺序，可以 分成电动机损坏、传动带损坏、减速箱损坏、横梁尾轴组合件损坏、游梁中轴组合件损 坏、支架损坏、驴头损坏、吊绳损坏等f 1 4 - 15 1 。 ( 1 ) 由于工作环境恶劣，电动机的故障率很高，主要的原因就是抽油机不平衡、载荷 过重和雨水从接线盒进去发生渗漏。因此要注意抽油机调平衡，对接线盒处加封密封带。 ( 2 ) 传动带损坏，主要发生在抽油机使用的普通三角皮带。其原因有磨损和疲劳断裂。 皮带传动容易松弛，松弛造成打滑( 特别是下雨天) ，打滑产生高温，造成快速磨损。 ( 3 ) 减速箱是抽油机最关键的部位，工作时承受较大的扭矩和转速。减速箱的故障 第二章游梁式抽油装置故障分析及危险分析 有输入轴窜动、输出轴断裂、齿轮损坏。输入轴窜动的原因有整机平衡不良、轴的刚度 不足等；输出轴断裂的原因有抽油机有冲击现象，轴的工艺方面存在缺陷；齿轮的损坏 分为齿断裂和齿磨损。齿断裂的原因是齿轮强度不够、抽油机存在冲击现象。齿磨损的 原因是润滑不良、齿轮精度差。同时还有可能出现轴端漏油、箱体开裂等问题。减速箱 平时要注意润滑。结合油田实际情况，减速箱漏油有多种方式，包括主动、从动轴头的 密封处漏油，沿减速器底部的放油孔处漏油，沿减速器上面的视孔盖处漏油，沿减速器 合箱面处漏油，尤其是主动轴密封圈处漏油最为严重。部分减速器利用内胀式刹车机构， 常会出现主动轴装刹车轮一侧比另一侧漏油更严重的现象。 根据油田现场调研情况，减速器齿轮损坏的常见故障有断齿、齿轮磨损、齿面点蚀 和剥落等。断齿的一般原因为减速器齿轮载荷过大。减速器齿轮的接触疲劳强度不足是 导致齿轮表面发生点蚀和剥落的主要原因。在渐开线齿轮中，长时间运转使其齿面部位 产生细微裂痕，疲劳裂痕位置润渗入润滑油，工作情况下齿轮反复啮合，导致裂纹不断 延伸和扩展，而润滑油不断充满裂痕深处，最终导致小块金属层剥落而离开齿面。齿高 中间部位的一定宽度和齿长范围内是齿面点蚀和剥落发生的主要部位【1 6 1 。 一般来讲，中间轴上的从动齿轮与轴紧固不牢，或者由于断齿从而导致输入轴失去 轴向约束，都有可能是产生串轴的主要原因。在现场实际传动中，从动齿轮与中间轴之 间的过盈量不够会导致从动齿轮相对中间轴产生轴向串动，进而使输入轴发生轴向串 动。 ( 4 ) 抽油机曲柄销是联接曲柄与连杆机构，并负责传递运动和动力的重要部件。曲 柄销通过螺纹拧紧力与曲柄过盈配合联接一端，而另一端则是通过轴承与连杆联接。从 现场收集的资料可知，曲柄销的主要失效形式为曲柄销磨损、断裂和脱扣【l7 1 。曲柄销的 磨损较为常见，主要是由于螺母松动和锥面接触不良造成的。通过对采油厂现场数据了 解，所有经过大修的抽油机都具备微动磨损特征，观察发现有红棕色粉末存在锥套和曲 柄销之间【1 引。曲柄销断裂相比较磨损形式更为常见，主要是由于强度不够加上螺母安装 的不合适造成的。锥面中部台阶处以及螺纹根部倒角处和锥面小端是主要的断裂部位。 在对采油厂的实际调查中发现，脱扣在曲柄销三种失效形式中最为常见，其主要原因是 自紧式螺母上反扣、螺母预紧力不够，螺母与螺纹间及锥面与锥套松动引起的【l 9 1 。 ( 5 ) 横梁和尾轴组合件损坏，主要有轴承滚子破碎和与游梁联接的螺栓断裂。尾轴 承有调心作用，由于承受了大作用力，如果润滑不足或强度不足，都容易使滚子破碎。 联接螺栓断裂主要是由于加工装配误差、焊接残余应力等引起的。 8 中国石油大学( 华东) - v 程硕士学位论文 ( 6 ) 游梁、中央轴承座组合件损坏包括中央轴承滚子破碎、游梁开裂。滚子破碎是由 于润滑不良或强度不够。而游梁开裂主要是生产问题。 ( 7 ) 机架损坏包括支架弯曲和底座损坏。支架弯曲主要是支架后腿弯曲，原因主要是 加工装配误差、焊接残余应力、压杆失稳。底座在制造、吊装、运输过程中，两根纵梁 可能产生变形。底座翘曲变形后部分向上翘曲，安装固定后不能与基础真正接触，那么 压杠或基础对这一段不产生作用力或作用力较小。大型抽油机底座度较大，所需安装基 础的面积也较大，为使安装运输方便，基础般做成两块或两块以上的钢筋混凝土预 制件，基础置于按规定制作的地基上。但有时地基做得不平或地基仅仅是用松土平整而 成，因抽油机的全部载荷均由支架承受、所以底座前面部分对基础压力大，而后而部分 对基础压力小( 有时甚至为负值) 、则前面的一块基础就易下陷、几块基础就不在同一个 平而上。底座与基础之问的固定是用地脚螺柱直接固定或用压杠固定。压杠对底座的拉 力或基础对底座的支承力能避免产生较大的内力或内力为零。假若压杠松脱、基础仅对 底座产生一个支承力，这也足以导致其疲劳破坏。 ( 8 ) 其他如驴头损坏、吊绳损坏都会直接导致抽油机不能正常运转【2 0 j 。 以上是游梁式抽油机常见的失效形式及原因，其中尾轴、中轴、曲柄销都是四连杆 机构的关键接点和易损点，由于承受重载而且相对转动，如果轴承润滑不良，滚子就会 破碎。 2 2 抽油杆的主要失效形式分析 2 2 1 抽油杆的结构 抽油杆起着承载和传递动力的作用，上端与抽油机驴头下部的光杆相连接，下端与 抽油泵柱塞相联接。从外形来看是一种具有圆形断面两头镦组的金属杆件，镦粗部分有 联接螺纹和打扳手用的方形断面。抽油杆接箍两端带有丝扣，可以根据需要将不同直径 的抽油杆组合起来。 2 2 2 抽油杆的主要故障原因 抽油机工作时，抽油杆柱受力状态不断变化。柱塞上行时，抽油杆一般处于受拉状 态，而下行时，由于液流通过游动阀，对柱塞产生向上的流动阻力，同时还有向上的摩 擦阻力，并且泵径越大，原油越稠，泵冲次越高，这种阻力越大。抽油杆的受力的状态 易出现上部受拉，下部受压，处于受压位置的某根抽油杆可能产生过大的纵向弯曲，从 9 第二章游梁式抽油装置故障分析及危险分析 而造成抽油杆柱的断裂或脱扣事故。具体分析造成抽油杆故障原因有以下几点【2 1 】： ( 1 ) 杆管偏磨。抽油杆上下运动的每个冲程分解为上冲程和下冲程，整个过程中，井 内产生的液柱压力以载荷的形式作用在柱塞上。由于液柱载荷的作用，上冲程时油管收 缩，而下冲程时油管伸长，导致油管弯曲，进而使得杆管之间产生偏磨。最终导致抽油 杆脱扣或断裂现象发生。在施工过程的管柱组配中，一般采用封隔器与抽油泵相结合的 方式，而封隔器与抽油泵之间的距离比较近，当封隔器座封压力过大时，会造成油管弯 曲，在抽油杆上下冲程的运动中，抽油杆节箍会与弯曲的油管内壁产生摩擦，长时间会 最终导致抽油杆节箍严重偏磨而发生断裂或脱扣现象【2 2 1 。 ( 2 ) 腐蚀疲劳。腐蚀疲劳裂纹多在材料表现形成，在循环应力及腐蚀介质的共同作用 下产生。抽油杆长期受到井内液体的腐蚀，在局部形成蚀坑，相应位置处容易产生应力 集中，进而形成裂纹。这些裂纹在抽油杆上下冲程往复运动的过程中，迅速扩大，最终 导致抽油杆断裂或脱扣。 ( 3 ) 设计不当。杆柱设计不合理也会导致部分抽油杆断脱。主要有两方面的表现，一 是抽油杆过期使用，负荷过大，超出其疲劳极限而发生断裂；二是在深井作业过程中， 一般采用多级抽油杆柱的组合，同时由于井下工况相对复杂，造成底部抽油杆受压弯曲， 弯曲部位的凸侧面所产生了附加拉应力，而附加拉应力的叠加使得应力幅度增大，进而 使得潜在的危险更大f 2 3 】。 ( 4 ) 制造缺陷。材料缺陷或热处理质量不符合要求；螺纹加工质量差，台肩端面与外 螺纹中心线的垂直度误差大，抽油杆台肩侧面与接箍端面接触不紧密。 ( 5 ) 运输和使用抽油杆时处理不当。抽油杆在运输、储存和使用过程中可能受到人为 的机械损伤，如杆体表面被擦伤或碰伤而出现凹坑、刻痕等。抽油杆服役时，这些表面 缺陷就会因局部应力集中而形成疲劳源，导致疲劳断裂【2 4 1 。 2 3 抽油泵的主要失效形式分析 2 3 1 抽油泵结构及易损件【1 3 】 抽油泵相当于单作用柱塞泵的液力端，适用于深井、超深井、高产井和多油层并中 提取原油。根据不同的井况条件，如含气、含砂、原油稠度大，我们需要采用不同类型 的抽油泵，同时柱塞、阀及泵筒等结构型式也各不相同。基本的抽油泵主要有三类：管 式泵、杆式泵、套管泵。他们都是由工作筒、柱塞、进油阀、出油阀等组成。区别仅在 于工作筒的安装方式。主要的易损件是柱塞和泵阀。 l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 3 2 抽油泵的主要故障原因 目前，随着油田不断开发，部分区块的油井出现供液不足的现象，深井越来越多， 生产管柱组配形式多样化，油管和抽油杆偏磨形势严重，抽油泵工作环境越发恶劣。油 井供液差造成沉没度不够，泵内不能被井液完全充满，导致液击与气蚀现象产生。同时， 产出的油液存在较高的腐蚀性，且矿化度高。现在，各大油田基本均已进人了高含水期 的开发阶段，以胜利油田为例，部分区块的综合含水率甚至高达9 0 以上，过高的含水 率增大了摩擦系数，加快了磨损，大幅降低了井液润滑性能。对比油田开发初期，目前 地层出砂严重，对井下设备造成一定程度的损害。同时，由于原油粘度较大，地层中原 油含蜡率不断上升，油杆结蜡严重，增大了摩擦阻力，加重了抽油装置的工作负荷f 2 5 1 。 综上所述，目前抽油泵的工作环境日趋恶劣，其零部件的失效也愈加频繁，抽油泵 存在的主要故障情况如下： ( 1 ) 磨损。泵筒与柱塞是抽油泵的两个核心部件，两者构成移动摩擦副，摩擦副间的 正常磨损是不可避免的。 ( 2 ) 砂磨、砂卡、砂埋。目前地层出砂情况日趋严重，柱塞和泵筒产生磨损现象，一 般有杆抽油泵不具备防砂能力，固定阀会被砂粒堵塞，导致油砂堵塞抽油泵的泵筒而产 生泵卡现象。当然，目前结合实际工作情况可以选择使用相应合理的防砂泵及防砂工具。 但此类技术并不完善，因此，首要任务是研究和设计防砂结构。抽油泵长期工作，阀球 与阀座开启和关闭频率较高，由冲击和振动导致密封不严，最后损坏失效。 ( 3 ) 腐蚀。井内液体具有酸性腐蚀和碱性腐蚀，会造成柱塞和泵筒以及其他相关工作 部件的严重腐蚀，可能会多处穿孔的现象。 ( 4 ) 抽油泵断脱【2 引。油井的井眼为细长结构，则井下装置在径向方向尺寸受限，轴向 尺寸空间充足。通过抽油杆将抽油泵上游动阀罩的上方联接，经柱塞联接下方，游动阀 内装阀座与出油阀球。由于井眼尺寸的限制导致阀罩外径径向尺寸不能过大，而同时并 内油液的流量也限制了阀罩内径尺寸不能过小，否则会引起液击，而阀罩圆周方向的出 油槽承载面积小，所受到的应力集中大。在实际的工作中发现上游动阀罩的油槽顶部发 生断裂的情况最为常见，所以应加大上游动阀罩的结构和尺寸的优化，降低受力度。由 于尾管轴向力作用，导致抽油泵的固定阀产生脱落现象，并且可能会使上下游动阀罩螺 纹脱扣。脱扣现象多发生在上游动阀罩位置处，通过对游动阀罩受力分析可以得出，力 矩作用会使滑杆和上游动阀罩的连接点连接不紧密，导致滑杆和上游动阀罩脱离。在油 井生产过程中，抽油杆组合不匹配，使柱塞没有在工作筒内部工作运行，引起泵的上接 第二章游梁式抽油装置故障分析及危险分析 头与上阀罩发生刮碰，导致上游动阀罩脱扣下游动阀罩在上行过程中一般不承受外力作 用，很少会出现脱扣现象，但防冲距若调整不合理会造成碰泵现象，依然会导致下游动 阀罩破裂或脱扣【27 1 。 ( 5 ) 泵漏。最普通的情况就是固定阀座下端面和外侧密封不严而造成刺漏。如果固 定阀座材质的硬度、耐磨性及抗腐蚀性较差会造成固定阀座受刺造成泵漏。也有可能是 压紧接箍的粘接工艺和螺纹加工技术上存在问题。设计制造上的缺陷也会导致泵漏。 2 4 游梁式抽油机的危险分析 游梁式抽油装置处于野外工作环境，在运行过程中，把电能转换为动能形式，通过 抽油装置的往复运动带动抽油泵抽油，在运行过程中，配电箱以及整个抽油装置均有可 能出现漏电并引起危险，另外，平衡块及其他运动部件亦会产生碰伤危险等；在日常对 抽油机的维护和保养过程中，潜在触电、高空坠落、机构伤害及高空落物等安全隐患。 为此，要对游梁式抽油装置进行风险辨识和危险评价，在最大程度上避免造成事故【2 8 1 。 如下对游梁式抽油机的事故类别进行分析2 9 】： 2 4 1 机械伤害 平衡块运行过程中产生的危险：在抽油机的左右两侧，即平衡块的运行范围内没有 安装防护网或其他一系列安全防护装置，此种情况下，抽油机左右两侧形成潜在的危险 区域，当作业人员进入危险区域或不按操作规程操作时，平衡块转动会导致人员伤亡事 故。 皮带运行过程中产生的危险：在抽油机电机的正常工作中，皮带将电机所产生的动 力传递给皮带轮，当作业人员进入到皮带及皮带轮的工作运行范围内时，若抽油机皮带 轮部位并没有安装相应的安全防护装置，会发生挤手事故，若工作服或头发缠进皮带轮， 则会发生绞伤等事故。 刹车失效产生的危险：目前油田常见的刹车装置主要以手拉式刹车为主，为满足维 修和作业要求，通过手拉式刹车装置将抽油装置的运行机构在预定位置处固定。若突然 出现刹车失灵现象，抽油机的运行机构会再次运转，导致现场人员产生伤亡。 悬绳器运行过程产生的危险：抽油机的悬绳器是毛辫子和光杆的是悬挂装置，当有 人员正在井口进行现场作业，没注意到悬绳器下落，在光杆连同悬绳器上下运动的过程 当中，悬绳器下行至较低位置时，就会发生伤亡事故。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 攀爬抽油机过程产生的危险：当作业人员需要对游梁等部位进行保养和维护检查 时，在攀爬抽油机的过程当中，若抽油机刹车不牢靠，或者抽油机未停，此时作业人员 会被转动的驴头碰伤而造成事故。 2 4 2 触电 电机运作时漏电产生的危险：当电机的绝缘部件损坏时，电机易发生漏电现象，当 现场人员触碰到带电部件时导致电伤事故，甚至导致死亡。 电机电缆漏电产生的危险：在野外的恶劣环境下，电机电缆容易发生老化或者破损 现象，导致漏电，当作业人员进入漏电区域范围内时，易发生电伤或死亡事故。 节电控制箱漏电产生的危险：抽油机节电控制箱与井场使用的配电变压器相连接， 当抽油机节电控制箱发生线路老化或者绝缘部件损坏并发生漏电时，会造成开关部分及 箱体带电，若现场作业人员触及时，即会发生电伤或死亡事故。 2 4 3 高处坠落 当现场作业人员在操作台高处及减速箱高处作业时，由于站立不稳容易导致操作人 员从高处坠落，而引发伤亡事故。另外，在作业人员操作时，使用的维修工具或操作台 及减速箱零件从高处坠落，砸到地面人员，从而引发伤亡事故。 第三章游梁式抽油装置失效定性分析 3 1 建树过程 第三章游梁式抽油装置失效定性分析 ( 1 ) 确定事故树顶事件 顶事件即对象事件。通过对事故报告进行分析，找出发生频率较多且影响最大、后 果最重的事故作为顶事件。游梁式抽油装置系统运行工作当中，“游梁式抽油装置失 效 影响最大、后果最严重，因此把它定义为顶事件。 ( 2 ) 顶事件分析 游梁式抽油装置的结构组成复杂，其中各部件的不协调配合或不良运转都会导致故 障产生，故障的表征和根源不一定完全一致，原因是故障发生时会产生并发症。通过分 析，认真查找发生故障的直接原因，并作为顶事件的输入事件。由于成因后果的多层次 性，从而形成一连串的因果链【3 0 1 。 ( 3 ) 输入事件分析 以输入事件作为下一级的顶事件进行分析，若能分解，则继续向下一级分解。 ( 4 ) 建树过程 重复上述各项步骤，逐级向下分解，直到不能分解或不必要再分解为止，最终找出 所有导致游梁式抽油装置发生故障的基本原因并分解为省略事件和基本原因事件。按照 一定的逻辑关系并相应采用一些规定的符号将所有事件联系到一起，绘制成反映因果关 系的树形图，即事故树。抽油装置失效事故树，可看作由抽油杆失效事故树、地面装置 失效事故树、抽油泵失效事故树组成【3 1 】。见3 1 组图。 图3 - 1 抽油装置失效事故树 f i 9 3 - 1 f a u l tt r e eo f t h ep u m p i n gu n i tf a i l u r e 图3 1 中以抽油装置失效作为顶事件，以符号 j 表示。通过或门奢连接三个输入 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 事件，即抽油杆失效、地面装置失效和抽油泵失效，由于输入事件作为中间事件可以继 续向下分解，因此以中间事件符号巴表示。或门连接的输入事件，表示至少一个输入 事件发生时，输出事件就会发生。由于每一个输入事件又可以进一步向下分解，且因果 链较为复杂，所以利用转接符号厶进一步分析，如图3 2 所示。 图3 2 抽油装置失效事故树 f i 9 3 2 f a u l tt r e eo ft h ep u m p i n gu n i tf a i l u r e 第三章游粱式抽油装置失效定性分析 抽油杆失效作为下一级输出事件，由或门圆连接三个输入事件，分别是断裂失效、 脱扣失效和变形失效。抽油杆失效既是抽油装置失效的输入事件，又是下一级的输出事 件。进一步针对三个中间事件( 断裂失效、脱扣失效和变形失效) 进行分解，由或门向 下连接出数个输入事件：以断裂失效作为下一级顶事件，由或门连接两个输入事件，分 别是接头公扣疲劳断裂和杆身或接头断裂；以脱扣失效作为下一级顶事件，由或门连接 出两个输入事件，分别是载荷影响和丝扣连接失效；以变形失效作为下一级顶事件，由 或门连接出两个输入事件，分别是杆管的磨损和使用及管理不当。通过图中可看出，由 于因果关系的复杂性，输出事件和输入事件的连接需通过逻辑门符号，若进一步向下分 析，某些输出事件和输入事件则有与门连接关系，说明此输出事件对应的所有输入事 件都发生时，输出事件才发生。以接头公扣疲劳断裂为输出事件分析，通过与门连接材 料性能、载荷影响、螺纹应力集中三个输入事件，只有当这三个事件全都发生，才会导 致接头公扣疲劳断裂的结果3 2 1 。图3 3 所示，以载荷影响作为下一级输出事件，通过与 门连接四个底事件，分别是抽汲速度、静载荷、振动载荷和冲击载荷。它表示导致事件 发生的最基本的或不能再向下分析的原因或缺陷事件，用圆形符号。表示为基本原因事 件。 图3 - 3 抽油装置失效事故树 f i 9 3 3 f a u l tt r e eo ft h ep u m p i n gu n i tf a i l u r e 以上一级输入事件疲劳破坏作为此级中间事件，通过与门连接三个输入事件，分别 是表面破坏、材料性能和载荷影响，若三个输入事件都发生时会导致疲劳破坏。期中表 面破坏和材料性能以及载荷影响作为中间事件又可进一步向下分解。最终得到基本原因 事件，如图3 4 所示。 1 6 中国石油火学( 华东) t 程硕士学位论文 图3 - 4 抽油装置失效事故树 f i 9 3 - 4 f a u l tt r e eo ft h ep u m p i n gu n i tf a i l u r e 以上级输入事件旋合面变形作为此级中间事件，通过与门连接两个输入事件，分 别是修井作业和井场管理。以修井作业为下级输出事件，则敲击搬运不当、不正确的 吊卡和使用工具不当这三个基本原因事件至少一个发生时都会引起旋和面变形。以井厂 管理为下一级事件，则不规则堆放加之搬运过程不合理会引起输出事件的发生，如图3 5 所示。 图3 5 抽油装置失效事故树 f j 9 3 - 5 f a u l tt r e eo ft h ep u m p i n gu n i tf a i l u r e 以上一级输入事件杆管的磨损作为此级输出事件，通过与门连接两个中间事 件，分别是井型和杆柱弯曲。以井型作为下一级输出事件，则通过或门连接出两个省略 事件，或称之为正常事件，分别是井身倾斜和井身弯曲。省略事件以符号表示，一 般属于正常情况下存在的事件，图3 - 6 所示。 1 7 第三章游梁式抽油装置失效定性分析 图3 6 抽油装置失效事故树 f i 9 3 6 f a u l tt r e eo f t h ep u m p i n gu n i tf a i l u r e 图3 7 所示，以上一级输入事件使用及管理不当作为此级输出事件，通过或门连接 四个基本原因事件，分别是弯曲杆下井、检测不利、卡泵后硬提杆和杆柱上部长期使用。 图3 8 所示，以地面装置失效为输出事件逐步分解所得事故树。根据地面装置失效事故 树可以清晰的了解导致地面装置失效的所有中间事件以及底事件。地面装置失效通过或 门连接三个中间事件，分别是内部机构失效、机壳外形损坏和其他部件损坏。其中内部 机构失效即是传动机构失效原因；机壳外形损坏即是抽油机外部主要部件失效。 图3 7 抽油装置失效事故树 f i 9 3 - 7 f a u l tt r e eo ft h ep u m p i n gu n i tf a i l u r e 1 8 中国石油大学( 华东) - 1 - 程硕上学位论文 图3 - 8 抽油装置失效事故树 f i 9 3 - 8 f a u l tt r e eo f t h ep u m p i n gu n i tf a i l u r e 图3 - 9 所示，以地面装置失效的一个中间事件内部机构失效作为下一级输出事件， 通过或门连接三个中间事件，分别是连杆组合装置损坏、传动带失效、减速箱不能正常 工作。然后再针对各中间事件逐层分解，完成基本事件的查找和事故树的建立过程。 1 9 第三章游梁式抽油装置失效定性分析 图3 - 9 抽油装置失效事故树 f i 9 3 - 9 f a u l tt r e eo ft h ep u m p i n gu n i tf a i l u r e 如图3 1 0 所示，以机壳外形损坏的中间事件横梁尾轴组合件损坏作为下一级输出 事件，进一步分解，通过或门连接两个中间事件即联结螺栓断裂和轴承滚子破碎，和两 个基本原因事件即尾轴断裂和轴承座开裂。其中连接螺栓断裂和轴承滚子破碎又可分 解。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图3 1 0 抽油装置失效事故树 f i 9 3 - 1 0 f a u l tt r e eo f t h ep u m p i n gu n i tf a i l u r