抽油泵柱塞防断结构优化设计

◀油气田开发工程▶抽油泵柱塞防断结构优化设计∗张　炜（江汉油田分公司工程技术管理部）　　摘要：随着江汉油田开发的不断深入，抽油泵柱塞断裂现象时有发生。为此，对常规柱塞结构进行了强度分析与结构创新设计，结合有限元分析法与现场拉伸试验的数据对比，找到了柱塞上游动阀罩总成的危险截面和薄弱结构。柱塞应用无退刀槽结构螺纹，承载能力提高约２５％。发明的新型高强度出油窗彻底克服了连接头断裂问题，较常规上游动阀罩强度提高近３５％。现场１８５井次的应用结果表明，２０１５年应用新型抽油泵后相比２０１４年减少泵断６３井次，最大下泵深度达到３１２０ｍ，泵断井应用新型抽油泵后最长免修期达到５２０ｄ，收起到了很好的降低泵断维护作业井次的效果。关键词：抽油泵柱塞；泵断；上阀罩；退刀槽；防断性能；结构优化中图分类号：ＴＥ９３３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０􀆰１６０８２／ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－４５７８􀆰２０１６􀆰０３􀆰０２３Ａｎｔｉ⁃ｂｒｅａｋｉｎｇＳｔｒｕｃｔｕｒｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＯｉｌＷｅｌｌＰｕｍｐＰｌｕｎｇｅｒＺｈａｎｇＷｅｉ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＪｉａｎｇｈａｎＯｉｌｆｉｅｌｄＣｏｍｐａｎｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＪｉａｎｈａｎＯｉｌｆｉｅｌｄ，ｂｒｅａｋａｇｅｏｆｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｐｕｍｐｐｌｕｎｇｅｒｈａｐｐｅｎｓｆｒｅｑｕｅｎｔ⁃ｌｙ􀆰Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｐｌｕｎｇｅｒｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｆｏｒｔｈｅｉｒｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄａｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｄｅ⁃ｓｉｇｎｅｄ􀆰Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｆｉｅｌｄｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔ，ｔｈｅｄａｎｇｅｒｏｕｓｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｏｐｓｉｄｅｖａｌｖｅｈｏｕｓｅｏｆｔｈｅｐｌｕｎｇｅｒｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ􀆰Ｗｉｔｈｔｈｅｕｎｄｅｒｃｕｔ⁃ｆｒｅｅｔｈｒｅａｄ，ｔｈｅｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｉｓｉｎ⁃ｃｒｅａｓｅｄｂｙａｂｏｕｔ２５％􀆰Ｍｅｓｈ⁃ｔｙｐｅａｎｄｓｌｏｔ⁃ｔｙｐｅｏｉｌｗｉｎｄｏｗｓｗｅｒｅｉｎｖｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈａｖｏｉｄｓｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｏｒｂｒｅａｋａｇｅａｎｄｃａｎｒｅａｌｉｚｅａｓｔｒｅｎｇｔｈｎｅａｒｌｙ３５％ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｔｏｐｓｉｄｅｖａｌｖｅｈｏｕｓｅ􀆰Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎ１８５ｗｅｌｌｓｓｈｏｗｓ６３ｐｕｍｐｐｌｕｎｇｅｒｂｒｅａｋａｇｅｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｍａｘｉｍｕｍｒｕｎｎｉｎｇｄｅｐｔｈｕｐｔｏ３１２０ｍ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｎｏｎ⁃ｒｅ⁃ｐａｉｒｐｅｒｉｏｄｕｐｔｏ５２０ｄａｙｓ􀆰Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈｅｌｐｓｒｅｄｕｃｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｄｕｅｔｏｐｕｍｐｂｒｅａｋａｇｅ􀆰Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｍｐｐｌｕｎｇｅｒ；ｐｕｍｐｂｒｅａｋａｇｅ；ｔｏｐｓｉｄｅｖａｌｖｅｈｏｕｓｅ；ｕｎｄｅｒｃｕｔ；ａｎｔｉ⁃ｂｒｅａｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ０　引　言有杆抽油泵是机械采油系统最重要的设备之一。随着江汉油田开发的不断深入，油井泵挂深度不断加深，斜井越来越多，特别是出砂、偏磨和腐蚀等复杂因素影响更加严重，抽油泵柱塞断裂现象时有发生［１］。这不仅严重影响了原油生产，也导致作业费用大幅上升，已经成为制约油田经济开发和社会效益提高的重要影响因素。统计数据表明，江汉油田抽油泵柱塞断裂泵型以ø３８ｍｍ规格普通抽油泵为主，约占７６％，而柱塞上的常规型出油窗、进油罩、连接头以及通过螺纹连接组装成的上阀罩总成的各处螺纹根部损坏则是断裂的高发部位，约占６１％，出油窗孔壁处断裂也占到了２３％。这些易断结构部位是结构强度—５０１—　　２０１６年　第４４卷　第３期石　油　机　械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　　　　　　∗基金项目：中石化江汉油田分公司科研项目“江汉油区防断抽油泵研究”（ＪＫＫ０５１２００２）的部分研究成果。抽油泵活塞上游动阀罩和开口式下阀罩均获得国家实用新型专利，专利号分别为２０１０２０２０１９９７􀆰４和２０１２２０５５２６９５􀆰０。分析以及优化设计的重点。因此，如何提高抽油泵的机械防断性能，并完善深抽井杆柱优化设计技术以解决泵断频发的难题是采油工艺急需开展的重要课题，这对不断提高油田开发管理水平和经济效益有着重大的意义。１　ＡＰＩ标准样式结构及其衍生结构１􀆰１　ＡＰＩ标准样式上阀罩结构目前，ＡＰＩ标准推荐采用的常规上游动阀罩总成结构如图１所示。在该结构中，阀球和阀座置于出油窗内，整个上罩结构简单、安装方便。但使用过程中发现，由于工作过程中出油窗薄壁受到阀球的频繁高速、高强度摩擦撞击，使得壁厚越来越薄，在交变载荷作用下此处极易发生断裂事故。１—上游动阀；２—上游动阀罩；３—阀座；４—压紧接头。图１　ＡＰＩ标准上游动阀罩总成结构Ｆｉｇ􀆰１　ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＡＰＩ⁃ｓｔａｎｄａｒｄｔｏｐｓｉｄｅｖａｌｖｅｈｏｕｓｅａｓｓｅｍｂｌｙ１􀆰２　上游动阀罩总成增设进油罩为了克服阀球频繁撞击磨损出油窗壁的缺陷，在出油窗下面增设了进油罩和连接头２个部件，将阀球腔室由出油窗内腔下移至进油罩内部。出油窗、进油罩、阀球、阀座和连接头依次连接组成上游动阀罩总成，如图２所示。这种结构设计由于使出油窗既避免了阀球的撞击，又适当增大了３个出油孔壁处的厚度，出油窗孔壁处发生断裂故障的现象较以往明显减少。但随着时间的不断延长，另一个断裂故障点却较为明显地凸现出来，主要集中在出油窗及进油罩的螺纹根部退刀槽处。１—滑杆；２—背帽；３—出油窗；４—进油罩；５—阀球（游动阀）；６—阀座（游动阀座）；７—连接头。图２　增设进油罩后的上游动阀罩总成结构Ｆｉｇ􀆰２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｏｐｓｉｄｅｖａｌｖｅｈｏｕｓｅ　　　ａｓｓｅｍｂｌｙｗｉｔｈｏｉｌｆｅｅｄｉｎｇｃａｐ２　断裂部件抗拉极限强度检测及静态　应力分布计算２􀆰１　室内试验为了检验柱塞上游动阀罩总成材质３０Ｃｒ１３的力学性能并找到其断裂危险截面，笔者对ø３８ｍｍ规格的上游动阀罩总成开展了室内静态拉伸试验。试验结果表明，３０Ｃｒ１３材质性能正常，而实测均为螺纹根部断裂，与实际泵断井螺纹根部断裂比例最高相符。２􀆰２　模拟分析确定危险截面分析发现，柱塞上游动阀罩总成在井下实际工作过程中受井斜、交变载荷及泵筒鼓胀变形等因素的影响，其顶端还承受着滑杆施加的弯扭力矩作用［２－３］。显然，依靠室内试验无法模拟上游动阀罩总成在弯扭力矩作用下的破坏效果，进而应用有限元分析法对该总成开展了模拟分析［４］。结果显示，当出油窗只承受轴向拉伸载荷时，危险截面在螺纹根部退刀槽处，其次仍显示为出油口孔壁过渡处。连接柱塞的最后一根抽油杆，即滑杆在工作过程中要随柱塞进入泵筒内，滑杆受压变形后，受泵筒和油管内壁的约束限制，将对底部柱塞形成以滑杆底端即柱塞上游动阀罩螺纹连接处为支点的弯扭力矩。由于油井并非是理想直井，往往都具有一定的斜度，抽油泵下深位置，即泵深处所在井段的井斜将使抽油泵始终保持在倾斜状态下工作［５］。在抽油机上、下冲程２个死点交替时，力的方向发生瞬间变化，引起抽油杆在油管中振动，进而产生横向惯性载荷，这样就使力的方向偏离了理想状态下滑杆与柱塞的几何中心线，从而在柱塞上形成了弯扭力矩。由于进油罩以下部分深埋在抽油泵泵筒内，密封性好，导向性能优越，而出于过流通道的需要，出油窗的等价直径相对要小一些，从而使力矩支点产生在刚性较弱的出油窗上面［６］。当出油窗与进油罩通过螺纹刚性连接后，其螺纹根部的稳定性增强，支点便在处于第２危险区域的孔壁斜面变径处形成了。柱塞的斜置，再加之压力作用下滑杆对柱塞上游动阀罩形成的弯扭力矩，将使柱塞上游动阀罩在下冲程时受力恶化，增强了柱塞上游动阀罩向一侧弯曲变形的趋势。这样，在柱塞上游动阀罩弯向的一侧，将增大柱塞与泵筒间的摩擦力，从而形成柱塞的单边偏磨现象。同样，采用有限元法模拟柱塞受力情况得知，在滑杆上施加一定的扭矩后，应力—６０１—　　　　　　石　油　机　械２０１６年　第４４卷　第３期最大值出现在出油窗的出油口孔壁过渡处，且此时螺纹根部依然薄弱，如图３所示。图３　滑杆上施加扭矩后上游动阀罩总成的应力分布图Ｆｉｇ􀆰３　Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｏｐｓｉｄｅ　　　ｖａｌｖｅｈｏｕｓｅｗｉｔｈｔｏｒｑｕｅａｐｐｌｉｅｄ　　现场试验和模拟分析证实，由出油窗、进油罩、连接头通过螺纹连接的上游动阀罩总成的螺纹根部退刀槽处始终是最薄弱结构，其次为出油窗的孔壁处，这为下步抽油泵防断结构改进提供了依据。３　螺纹结构强度分析柱塞由多种具有阶梯轴结构的连接件装配而成，而在具有阶梯轴结构的零件台阶面前、后车削加工内、外螺纹时，为了便于退刀且不撞坏刀具，同时消除螺尾以保证内外螺纹旋合到位，一般要在螺纹根部预先加工出具有一定宽度和深度的退刀槽。而退刀槽的存在产生了较大的应力集中现象，大大削弱了零件的整体强度。在不改变零部件结构形式的前提下，解决螺纹根部退刀槽强度薄弱的唯一途径便是采用螺纹变径收尾的方法，从根本上去掉退刀槽结构。而通过适当延长螺纹旋合长度或增加沉孔，由数控机床采用变径收尾法加工的无退刀槽螺纹同样可保证高精度的装配要求。目前，江汉油田所使用的抽油泵柱塞在上游动阀罩总成的加工上全部采用无退刀槽结构的螺纹，如图４所示。以进油罩的螺纹改进为例，运用有限元法在施加相同的载荷条件下，对同规格的进油罩有退刀槽与无退刀槽结构进行强度模拟分析，发现无退刀槽的螺纹结构强度提高近３０％，如图５所示。对无退刀槽螺纹组装成的柱塞进行整体拉伸模拟测试，与有退刀槽的结构相比，在同等载荷条件下最大应力降低约２５％，即承载能力提高了２５％。图４　有退刀槽螺纹与无退刀槽螺纹结构对比Ｆｉｇ􀆰４　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｕｎｄｅｒｃｕｔ图５　进油罩轴向拉伸形变示意图Ｆｉｇ􀆰５　Ｏｉｌｆｅｅｄｉｎｇｃａｐｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ　　　ｏｆａｘｉａｌｔｅｎｓｉｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　　但在江汉油区推广使用无退刀槽螺纹柱塞时发现，虽明显降低了螺纹断裂率，但出油口处及连接头上螺纹根部仍是断裂的多发部位。分析认为，螺纹啮合处可等效为“壁厚加强”，而连接头为了压紧阀座必须在螺纹根部留有２ｍｍ间隙，此处在无端面支承的情况下是刚性最弱的部位，即使采用无退刀槽螺纹也容易发生断裂。因此，拘泥于现有上游动阀罩总成结构的话已鲜有强度提高的空间。４　新型高强度防断柱塞结构优化设计鉴于常规出油窗强度提高有限，江汉油田分公—７０１—２０１６年　第４４卷　第３期张　炜：抽油泵柱塞防断结构优化设计　　　　　　司发明了新型高强度出油窗。该出油窗有筛孔式和槽孔式２种。筛孔式出油窗的特点是结构简单，加工容易，出液筛孔轴向交错均布，应力分布均匀，螺纹根部无退刀槽，有ø３８和ø４４ｍｍ２种规格，适应普通深抽井，如图６ａ所示。ø３８ｍｍ槽孔式出油窗的特点轴向交错均布，应力分布均匀，排液流道平滑，螺纹根部无退刀槽，适应黏度稍大、出砂量大和结盐严重的深抽井。图６　ø３８ｍｍ出油窗Ｆｉｇ􀆰６　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆø３８ｍｍｏｉｌｗｉｎｄｏｗ　　运用有限元法分析新型高强度出油窗和常规出油窗的结构强度，结果如图７所示。对相同材质的筛孔式和常规型ø３８ｍｍ出油窗都施加轴向１５０ｋＮ拉力，按结构最大应力比较，前者比后者承载能力提高近３５％，前者应力无突变区域，说明其应力分布较为均匀，相应的应力集中程度较弱，而后者在螺纹根部已产生塑性变形，濒于断裂（见图７ｂ），这与静载拉伸试验结果相符。图７　ø３８ｍｍ出油窗应力分布Ｆｉｇ􀆰７　Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆø３８ｍｍｏｉｌ