長沖程抽油機皮帶失效分析及預防措施

孫 健

作者通聯(lián)：中國石油長慶油田分公司第二采油廠 甘肅慶陽市慶城縣 745100

E-mail：hanshuichun1@126.com

隨著越來越多的油田進入開發(fā)中后期，對機械采油設(shè)備的開發(fā)和研究技術(shù)水平也更高，其中長沖程抽油機（以下簡稱抽油機）因高效、節(jié)能以及可實現(xiàn)不停機無級任意調(diào)整沖程和沖次等優(yōu)勢被廣泛使用。抽油機皮帶失效會伴隨一系列安全事故，影響油井正常生產(chǎn)和現(xiàn)場作業(yè)工人的人身安全。以下針對抽油機皮帶失效進行較為系統(tǒng)的分析，并建立應對措施，確保抽油機安全、正常運行。

一、皮帶失效分析

抽油機皮帶的內(nèi)部為鋼絲與橡膠組成的復合結(jié)構(gòu)，由于皮帶周期性的纏繞作用，一定時間后，使得皮帶內(nèi)部鋼絲產(chǎn)生疲勞斷裂，同時橡膠部分可能因為老化、疲勞、擦掛等作用也會產(chǎn)生疲勞裂紋，最后擴展斷裂，從而導致抽油機皮帶失效。

1.失效時機

在抽油機正常工作過程中，皮帶作上下往復運動，其中必然伴隨著皮帶的加速和減速過程。具體而言，當配重從上死點下行時，皮帶先加速到正常速度后勻速下行，然后減速下行，達到下死點時速度正好為零；當配重從下死點上行時，皮帶先加速向上達到正常速度后勻速上行，然后減速上行，達到上死點時速度正好為零。抽油機皮帶在上述關(guān)鍵節(jié)點處的受力情況分析如下。

（1）當配重處于勻速運動階段時，抽油機的皮帶受到相當于靜載荷的力，此時皮帶配重端和光桿端所受到的拉力分別為：

式中 F1——皮帶配重端所受拉力，N

F2——皮帶光桿端所受拉力，N

m1——配重質(zhì)量，kg

m2——光桿端負載質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

（2）當配重加速下行時，光桿端加速上行，假設(shè)此階段配重端向下的加速度絕對值與光桿端向上的加速度絕對值相等，則此時皮帶配重端和光桿端所受到的拉力分別為：

式中 a——配重端向下的加速度絕對值，m/s2

（3）當配重端加速上行時，光桿端加速下行，同樣假設(shè)此階段配重端向上的加速度絕對值與光桿端向下的加速度絕對值相等，則此時皮帶配重端和光桿端所受到的拉力分別為：

式中 a′——配重端向上的加速度絕對值，m/s2

從以上各式可看出，當配重處于勻速運動階段時，抽油機光桿端皮帶和配重端皮帶的失效可能性最小；當配重加速下行時，光桿端皮帶受力增大，配重端皮帶受力減小，此時抽油機光桿端皮帶較配重端皮帶失效可能性較大；當配重端加速上行時，光桿端皮帶受力減小，配重端皮帶受力增大，此時配重端皮帶較光桿端皮帶失效可能性較大。

2.失效形式

由于抽油機皮帶為鋼絲與橡膠的復合結(jié)構(gòu)，這樣皮帶在制造加工過程中或多或少會有部分缺陷。如內(nèi)部鋼絲初始長度的微小差異，內(nèi)部鋼絲初始狀態(tài)內(nèi)部應力的差異，制造過程中鋼絲排列的不均勻性，鋼絲或橡膠材料本身不均勻性等。因此除抽油機所受載荷突然遠遠超過其承載能力的情況外，抽油機整個皮帶斷裂，出現(xiàn)斷截面鋼絲同時斷裂的可能性很小，絕大多數(shù)情況下抽油機皮帶的失效是一個積累損傷的過程。

正是由于皮帶本身的制造缺陷及受力的周期性，皮帶斷帶之前必然出現(xiàn)內(nèi)部鋼絲局部疲勞斷裂，而不是同時出現(xiàn)。由于某股鋼絲出現(xiàn)斷絲，使得其他幾股鋼絲及橡膠帶受力增大，其外在表現(xiàn)為抽油機皮帶變形伸長；再經(jīng)過一定時間其他幾股鋼絲陸續(xù)斷裂，使橡膠本體難以承受較大負載，外在表現(xiàn)為抽油機皮帶整體斷裂失效。除此之外，當抽油機皮帶出現(xiàn)局部鋼絲斷裂失效時，皮帶在抽油機導向輪或主動輪上的纏繞也可能出現(xiàn)側(cè)偏，導致抽油機皮帶與導向輪的側(cè)板發(fā)生較大摩擦，進一步加劇抽油機皮帶的失效。

二、失效預防措施

為避免抽油機皮帶失效引發(fā)相關(guān)事故，有必要在抽油機出現(xiàn)皮帶失效之前采取相應的措施，及時更換抽油機皮帶，防止安全事故的發(fā)生，確保抽油機正常、安全作業(yè)。

1.導向輪側(cè)面安裝觸碰開關(guān)

當抽油機皮帶內(nèi)部單側(cè)首先出現(xiàn)鋼絲斷裂時，皮帶橡膠部分伸長量增大，皮帶單側(cè)彎曲導致其在導向輪上的纏繞出現(xiàn)側(cè)偏（圖1），加劇與導向輪的摩擦。當抽油機皮帶內(nèi)部單側(cè)鋼絲斷裂導致皮帶伸長量達到一定階段時，與安裝在導向輪側(cè)面的觸碰開關(guān)接觸進而觸發(fā)報警系統(tǒng)，實現(xiàn)抽油機整體停機進行檢修。

圖1 抽油機皮帶單側(cè)鋼絲斷裂

2.負載端下死點安裝觸碰開關(guān)

當抽油機皮帶內(nèi)部鋼絲首先從中部位置斷裂失效，同樣皮帶橡膠部分伸長量增大進而導致皮帶的總伸長量會明顯增加（圖2），當內(nèi)部鋼絲斷裂失效到一定程度時，抽油機整個皮帶斷裂失效。因此當抽油機皮帶內(nèi)部鋼絲首先從中部位置斷裂失效時，可以在負載端下死點安裝觸碰開關(guān)，當皮帶伸長量達到一定階段時，觸發(fā)觸碰開關(guān)進而觸發(fā)報警系統(tǒng)使機組及時停機，避免發(fā)生安全事故。

公式（7）和（8）可計算出抽油機皮帶在受到負載作用下的伸長量和抽油機皮帶能夠承受內(nèi)部鋼絲斷裂失效的根數(shù)。

圖2 抽油機皮帶中部鋼絲斷裂

式中 δi——抽油機皮帶受到負載作用下的伸長量，m

i——抽油機皮帶內(nèi)部鋼絲斷裂失效的根數(shù)

m——負載質(zhì)量，kg

l——抽油機皮帶的原始長度，m

n——抽油機皮帶內(nèi)部鋼絲總數(shù)

E——抽油機皮帶內(nèi)鋼絲繩彈性模量，Pa

A——抽油機皮帶內(nèi)鋼絲的截面積，m2

[σ]——抽油機皮帶鋼絲的極限拉應力，Pa

如抽油機配重端配重塊重9.7t，抽油機皮帶原始長度為9m，內(nèi)部鋼絲的彈性模量為120GPa，鋼絲直徑為8.1mm，根數(shù)為11。經(jīng)分析計算可知，該抽油機配重端皮帶允許的最大斷裂失效鋼絲為4根，并且斷裂失效4根鋼絲后的皮帶伸長量為20.2mm，比正常伸長量多7.4mm。另外，經(jīng)分析可知抽油機皮帶在加速換向階段會有3.9mm的伸長量，因此將觸碰開關(guān)安裝在配重端正常下死點以下11mm 處，可防止抽油機配重端因皮帶斷絲失效而引發(fā)相關(guān)事故。