抽油機驢頭應力測試及開裂原因分析

李福田，張 淼，許 敏，廖大林，王 宇

（1.中原油田分公司采油一廠，河南濮陽457001；2.長慶油田公司機械制造總廠，西安710201；

3.河南信宇石油機械制造股份有限公司，河南濮陽457006；4.咸陽市特種設備檢驗所，陜西咸陽712021）①

抽油機驢頭應力測試及開裂原因分析

李福田1，張 淼1，許 敏2，廖大林3，王 宇4

（1.中原油田分公司采油一廠，河南濮陽457001；2.長慶油田公司機械制造總廠，西安710201；

3.河南信宇石油機械制造股份有限公司，河南濮陽457006；4.咸陽市特種設備檢驗所，陜西咸陽712021）①

游梁式抽油機的驢頭經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、開裂現(xiàn)象，影響生產(chǎn)和安全性。在現(xiàn)場對驢頭側板進行動態(tài)應力測試、超聲波測厚，無損滲透探傷，對抽油光桿進行安裝對中度檢測。分析認為驢頭的結構設計不合理和抽油機安裝的對中度不符合規(guī)范是造成驢頭開裂的主要原因。提出了改進措施，避免驢頭發(fā)生裂紋，提高了抽油機的使用壽命。

游梁式抽油機；驢頭；裂紋；分析

目前，游梁式抽油機仍然是主要的采油設備。由于驢頭直接承收抽油桿柱、液柱的全部載荷，并受到動載荷的作用。因此，驢頭必須要有足夠的強度和剛度。驢頭是采用鋼板焊制而成［1］。自2000年以來，中原油田分公司采油一廠共發(fā)現(xiàn)驢頭開裂83件，占全部損壞驢頭的16.6%。針對此問題，應用動態(tài)應力測試［2］，超聲波測厚［3］，無損滲透探傷［4-5］和安裝對中檢測［6］，研究驢頭開裂的原因，在此基礎上對驢頭進行優(yōu)化設計。本文選取3臺抽油機驢頭進行了動態(tài)應力檢測、超聲波測厚和滲透探傷，6臺抽油機進行安裝對中檢測。

1 動態(tài)應力檢測

1.1 檢測方案

選取裂紋起裂區(qū)域（易裂區(qū)域），即，在驢頭左、右側板與游梁連接處的圓弧周圍各布4片應變片（共8個位置布片，如圖1所示），進行動態(tài)應力檢測。布片盡量靠近圓弧邊緣；已經(jīng)焊補過的地方，應變片貼在補焊的鋼板上；在有裂紋的地方，應變片直接跨裂紋兩邊布置。

圖1 應變片的布置區(qū)域示意

1.2 檢測結果及簡要分析

1） 文38-C24井

驢頭的應變片布置如圖2。

圖2 文38-C24井驢頭應變片布置

檢測結果如圖3所示。驢頭左側板（1～4測點）的應力比右側板（5～8測點）高。如果不對驢頭進行調整，左側裂紋將比右側裂紋更易于擴大。

圖3 文38-C24井抽油機驢頭應力檢測曲線

驢頭左側板受拉應力，右側板受壓應力。2號測點受拉應力最大為100 M Pa，8號測點壓應力最大為-65 M Pa。分析原因是由于驢頭安裝不良而受側向（橫向）載荷所致。經(jīng)檢測比對，發(fā)現(xiàn)是驢頭連接板和銷子的互換性影響驢頭受力，造成了驢頭單邊受力較大、對稱點應力反向等現(xiàn)象。相同時刻任意相鄰的測點之間存在較大的應力梯度，體現(xiàn)出很強的應力集中特點。曲線形狀類似正弦波，表明作用在驢頭上的應力為脈動應力或交變應力，承受的是脈動載荷。

2） 文13-411井

驢頭應變片布置如圖4。

圖4 文13-411井驢頭應變片布置

檢測結果如圖5所示。驢頭左側板（1～4測點）的應力水平普遍比右側板（5～8測點）高近1倍。說明了為什么左側板先開裂。

圖5 文13-411井抽油機驢頭應力檢測曲線

驢頭左、右側板均受拉應力。左側3號測點受拉應力最大，最大值為37 M Pa；右側板7號測點受拉應力最大，最大值為22 M Pa。分析是由于驢頭安裝不良而受側向（橫向）載荷所致。經(jīng)檢測分析，發(fā)現(xiàn)是驢頭連接板和銷子的互換性影響驢頭受力，造成了驢頭對稱部位的受力不均勻。同一時刻任意相鄰的測點之間存在較大的應力梯度，體現(xiàn)出很強的應力集中特點。曲線圖類似正弦波，表明作用在驢頭上的應力為脈動應力或交變應力，承受的是脈動載荷。

3） 文56-1井

驢頭應變片布置如圖6。

圖6 文56-1井驢頭應變片布置

圖7 文56-1井抽油機驢頭應力檢測曲線

檢測結果如圖7所示。驢頭左、右側板均受拉應力。驢頭左側板（1～4測點）的最大應力為145 M Pa，右側板（5～8測點）最大應力75 M Pa。同一時刻相鄰的測點之間仍然存在較大的應力梯度，尤其是左側板。最大點應力值大約是最小點應力值的3倍。左側板應力最集中部位是4號測點，最大應力值為145 M Pa，而右側板應力最集中部位是6號測點，最大應力值為75 M Pa。左側板最大應力比右側板大1倍。左、右側板應力水平高導致了驢頭左、右側板均已開裂。曲線圖類似正弦波，表明作用在驢頭上的應力為脈動應力或交變應力，承受的是脈動載荷。

1.3 對比分析

1.3.1 共性點

1） 相距很近的4個測點之間存在較大應力梯度，最大點應力較大，體現(xiàn)出很強的應力集中特點。

2） 作用在驢頭上的應力為脈動應力或交變應力，說明驢頭上承受的是脈動載荷。驢頭開裂是高應力集中部位在脈動應力或交變應力作用下的疲勞開裂。

3） 已開裂的驢頭原應力集中部位應力水平有所下降，而未開裂的驢頭應力較高。說明驢頭是以開裂來釋放應力的。

1.3.2 不同點

1） 文38-C24井驢頭出現(xiàn)了左側板正應力大，右側板負應力大的現(xiàn)象。分析是由于安裝不良，驢頭受側向（橫向）載荷所致。需重新安裝，平衡兩邊側板的受力狀態(tài)，盡量使兩邊受力均衡。

2） 文56-1井和文13-411井都出現(xiàn)多峰波形，分析是由于井下抽油泵和抽油桿摩擦卡阻所致。

3） 文13-411井驢頭雙面應力相對比較均衡，應力水平比較低，但雙面均已開裂。

2 無損滲透探傷

2.1 檢測方案

選取裂紋起裂區(qū)域（易裂區(qū)域），即，在側板兩側圓弧周圍區(qū)域進行滲透探傷。盡量靠近圓弧邊緣，包括耳板焊縫；已經(jīng)焊補過的地方，對焊縫周圍進行加密探傷。

2.2 檢測結果

裂紋檢測結果如表1。

表1 驢頭裂紋無損滲透探傷檢測情況統(tǒng)計

1） 幾乎所有的裂紋方向都是從驢頭上耳板內側開始向上裂起，顯示了很強的規(guī)律性。

2） 檢測發(fā)現(xiàn)微裂紋已經(jīng)存在，說明裂紋從產(chǎn)生到發(fā)展有一定的過程，符合疲勞開裂的特點。

3 抽油機井光桿對中度測量

3.1 檢測方案

根據(jù)井場實際，調整經(jīng)緯儀左右和前后方向水平。站在抽油機的前方測量抽油機光桿上下運動時的左右最大偏移，站在抽油機的側面測量抽油機光桿上下運動時的前后最大偏移。測量時經(jīng)緯儀應盡量放在抽油機的正前方或與抽油機垂直的正側面。為便于觀察，經(jīng)緯儀應遠離井口5 m以上。

3.2 檢測結果

抽油機井光桿位移對中度檢測數(shù)據(jù)如表2。超過50%的抽油機井光桿對中未滿足使用要求，不同程度地存在著偏移，最大達到57 m m。光桿不對中是導致驢頭開裂的原因之一。

表2 抽油機井光桿位移對中檢測情況統(tǒng)計

4 腐蝕（壁厚）測量

4.1 檢測方案

根據(jù)井場實際，選擇4個準備貼應變片的位置測量其厚度。先將測厚面打磨平整，打磨面必須光亮、有光澤；涂上耦合劑，耦合劑要均勻涂抹在測點上。探頭要緊貼測量平面，不得有氣泡殘留。

4.2 檢測結果

驢頭鋼板腐蝕厚度檢測數(shù)據(jù)如表3。經(jīng)過多年使用，大部分抽油機都出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，最薄的驢頭鋼板只有7.6 m m。設計的壁厚是8 m m或10 m m。由此可見腐蝕量是相當?shù)膰乐亍?/p>

表3 抽油機驢頭鋼板厚度檢測數(shù)據(jù)

5 裂紋原因分析

5.1 抽油機驢頭結構設計不合理

主要是連接耳板與側板連接方式不當，力流傳遞截面變化太突然，造成抽油機驢頭側板局部應力集中，使鋼板疲勞而產(chǎn)生裂紋。裂紋方向全是從上耳板內部開始朝上發(fā)展，可見裂紋的產(chǎn)生有其共性特點，與驢頭結構設計的不合理有關，這是造成抽油機驢頭開裂的最主要原因。

1） 中原總機廠曾針對這一問題改進了設計，加寬了驢頭連接耳板，并補焊了加強板，但加強板并未徹底消除驢頭上耳板根部處的應力集中現(xiàn)象。其中尤以無加強板的驢頭開裂居多。從圖8中可以看出，有加強板的驢頭照樣開裂，說明這種補加強板的方法并未徹底解決問題。

2） 圓弧角的彎曲弧度太小，難以滿足力流傳遞或重新分配的需要。從現(xiàn)場調查情況看，大部分產(chǎn)生裂紋的驢頭，其耳板內側的圓弧角都比較小，有些甚至是直角，使該處的應力集中情況嚴重。

3） 驢頭鋼板選型太薄。壁薄導致側板邊沿受力截面積小，因而單位面積上的承載（應力）將比厚壁鋼板大些，使驢頭更易產(chǎn)生裂紋。

圖8 補焊有加強板的驢頭側板產(chǎn)生裂紋

5.2 安裝不當

部分抽油機存在安裝不對中的情況，使驢頭承載狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生橫向載荷，形成抽油機驢頭鋼板單邊承載或一面?zhèn)劝宄惺芾瓚α硪幻鎮(zhèn)劝宄惺軌簯?，客觀增加了承受拉應力側板的應力水平，更加劇了應力集中的嚴重程度，促進了驢頭開裂的發(fā)生。驢頭與游梁連接板及驢頭銷子互換上的不匹配是造成驢頭開裂的次要原因。

6 結論

1） 抽油機驢頭開裂的主要原因是設計缺陷導致應力集中，次要原因是材料、焊接制造及安裝調試的缺陷。

2） 改進措施：設計驢頭側板時，加強筋板要有較大的過渡圓角，避免銳角，消除應力集中，改進焊接工藝，精心安裝調試。

3） 改進后的驢頭安全可靠，使用壽命顯著提高。

［1］ 李紅才，李海東，宋念友，等.抽油機側轉式驢頭改進設計［J］.石油礦場機械，2009，38（12）：100-102.

［2］ G B／T50017—2003，鋼結構設計規(guī)范［S］.

［3］ G B／T 11344—1989，接觸式超聲波脈沖回波法測厚［S］.

［4］ JB／T9218—1999，滲透探傷方法［S］.

［5］ JB／T4730.1-4730.6—2005，承壓設備無損檢測［S］.

［6］ G B／T 3161—2003，光學經(jīng)緯儀［S］.

Stress Test and Crack Analysis of Pum ping Unit Horsehead

LI Fu-tian1，Z H A N G Miao1，X UMin2，LIA O Da-lin2，W A N G Y u4
（1．N o．1Oil Production Plant，Zhongyuan Oilfield Com pany，Puyang457001，China；2．M achinery M anufacturing Plant，Changqing Oilfield Com pany，Xi’an710201，China；3．H enan Xinyu Petroleu m M achinery M anufacturing Limited Co．，Ltd．，Puyang457006，China；4．Xianyang Special Equip ment Inspection Institute，Xianyang712021，China）

T he horsehead of pu m ping unit often generate cracks and splits，w hich influence production and safety.T hrough dyna mic stress tests，ultrasonic thickness measurement，penetration inspection of horsehead side plate and installation align ment detection of polished rod on the scene. T he analysis suggests that the main reason of horsehead cracks is unreasonable horsehead structure design and installation align ment of pu m ping unit，w hich doesn＇t conform to the specifications.In order to avoid horsehead cracks and increase the service life of pu m ping unit，so me improved measures are put forward.

beam pu m ping unit；horsehead；crack；analysis

T E933.107

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.001

1001-3482（2014）08-0103-05

2014-03-22

李福田（1965-），男，河南安陽人，工程師，1992年畢業(yè)于石油大學（華東）機械制造專業(yè)，主要從事石油裝備管理工作，E-mail：lft1965＠126.co m。