潛油電泵機組驅動器的失效分析

1潛油電泵機組作為一種無桿開采設備，乾油電泵具有開口大（可達3600m）、范圍廣（可達20.1600m3（d）、高效、占地面積快、操作簡單、管理方便等優點。近年來，潛油電泵機組的利用率逐年增加。但在潛油電泵機組的推廣使用過程中,潛油電泵機組的失效問題也不斷出現。一位美國Jacobs專家曾提出過,潛油電泵機組的失效與保護器有很大關系。盡管如表1所示資料是在非常苛刻的環境下獲得的,但統計表明這些資料與在其他環境下獲得的資料相似。從表1可以看出由保護器失效引起的潛油電泵機組失效約占失效機組總數的31%。2電機油氣封閉系統其是一種有效的電機保護器是電泵機組正常運轉不可缺少的重要部件之一。雖然不同類型保護器的結構和工作原理不同,但其作用是基本相同的,主要為:①密封電機軸的動力輸出端,防止井液進入電機;②在電泵機組啟、停過程中,為電機油的熱脹冷縮提供一個補償油的儲藏空間;③通過連接電機驅動軸與泵軸,起傳遞扭矩的作用;④保護器內的止推軸承可承受泵的軸向力。3分析和解決探測器應用中存在的問題根據近年來保護器研究中發現的問題,把保護器目前存在的問題以及主要采取的解決方案在此簡要的介紹。3.1環境保護機構的止推軸保護器的止推軸承主要起承受泵的軸向力的作用。保護器止推軸承的承載能力,直接影響到潛油電泵機組的揚程和排量。(1)工藝控制的控制策略不適應市場①目前普遍使用的止推軸承從結構上來講為固定瓦,從潤滑原理上來講為靜壓油膜。這種靜壓油膜一般為金屬摩擦副,采用錫青銅材料,制造工藝一般采用刮研工藝,刮研點數20點/每25×25mm2,刮研痕跡多為楔形結構的凹槽,這種結構的潤滑是有方向性的,從實際情況來看,工藝控制沒有方向性要求,這樣在實際應用中,就會產生當楔形結構與電機旋轉方向相反時,起到利于油膜形成的作用,當楔形結構與電機旋轉方向相同時,就會減弱油膜,容易造成失效;②常規止推軸承承載能力≤1T,在軸向力較大的特殊工況下不能滿足使用要求,常出現止推軸承表面燒毀、粘接。如圖1所示為軸承油膜潤滑原理,在微觀的幾何形狀中,當作用在止推軸承上的單位載荷或壓強較大時,軸承兩表面最大波峰與最大波谷的代數小于最小油膜的厚度,兩表面尖峰相互接觸,破壞油膜的連續性,滑動表面上的這些尖峰在某些位置上相碰,使接觸部位形成冷焊接點,當表面相對滑動時,必須切斷這些結點,局部溫度升高,各種磨損現象將迅速加劇并導致咬粘如圖1(b)所示,損壞范圍迅速擴大而達到整個軸承,造成軸承燒毀、粘接。(2)浮動瓦高承載止推軸承①對常規止推軸承應對刮研提出方向性要求,否則,就不宜采用刮研工藝,直接采用鏡面磨工藝以保證油膜的穩定性;②對于軸向力超過常規止推軸承承載能力的工況,采用浮動瓦高承載止推軸承。圖2為浮動瓦高承載止推軸承幾何形狀與壓力的關系,在動塊與可傾瓦塊之間由于滑動作用而形成相對運動,通過可傾瓦塊的傾斜形成收斂的楔形空間,油膜附著在摩擦副表面,由于其粘性,油被摩擦副帶入收斂空間,油膜在收斂的楔形空間被壓縮,從理論上講,由于油的不可壓縮性,油膜會對摩擦副產生一個推力,由此,可把動載系統的軸向載荷傳遞到靜載系統上去,實現動載轉化為靜載的目的。3.2采用其他元件組成機械密封通常由靜環、動環、彈簧加荷裝置(包括推環、彈簧、彈簧座)、密封波紋管和靜環密封圈等元件組成,是保護器的重要組成部件,對保護器起到軸向密封作用,它決定著保護器性能的好壞。(1)彈簧比壓對密封性能的影響目前保護器機械密封存在的主要問題是機械密封失效。針對機械密封失效的原因,進行了深入細致的分析研究,發現機械密封的主要問題出在彈簧和波紋管上。彈簧比壓選擇不合適和波紋管破裂是造成機械密封失效的主要原因。彈簧在密封端面上產生的壓緊力即彈簧比壓,是使密封端面在啟動、運轉及停車情況下始終保持貼合,維持良好的密封狀態的必要前提。當密封端面磨損時,靠彈簧比壓克服波紋管與軸的磨擦力,保證動環沿軸向移動,補償端面磨損,保證密封。因此彈簧比壓值的大小直接影響密封的可靠性,如彈簧比壓值過大,密封面壓得過緊,摩擦副磨損加劇;彈簧比壓值過小,密封面不能很好貼合,彈簧力抵抗不了內部介質的壓力或端面磨損得不到補償,造成機械密封的泄漏。(2)對保護內部機械密封進行無砂粒復合的密封,①對彈簧力進行了認真的校核計算,將彈簧比壓控制在0.3MPa左右。同時增加彈簧技術要求“端面3/4磨平”,避免造成彈簧失穩;②對于保護器上端的機械密封,采用金屬波紋管代替F26材料的波紋管,以增加上端機械密封的可靠性和使用壽命;③在保護器頭部安裝機械密封的部位,開斜孔,便于沉積在保護器頭部機械密封處的砂粒從斜孔排出,避免保護器頭部機械密封處的砂粒沉積,減少密封波紋管與砂粒的摩擦和破裂。改進結構如圖3所示。3.3保護膠囊保護器膠囊用來隔離井液和電機潤滑油,同時依靠膠囊來實現電機潤滑油的熱脹呼吸作用,減少潤滑油的漏失量。(1)局部機械破損①保護器膠囊的部分結構強度薄弱造成膠囊局部機械破損;②井液中CO2、H2S,等氣體的侵蝕,引起膠囊材料化學變化,而引起的化學破損(起泡)失效。(2)膠囊材料的改進①經調查發現原來許多膠囊的合縫處位于膠囊的薄壁處,成為膠囊的薄弱部位,容易造成膠囊破裂,現將膠囊的合縫處改在膠囊的加強筋上,減少膠囊的薄弱部位;②原來膠囊的加強筋位于膠囊的中部,且較短,現將膠囊的加強筋延長,從而增加了膠囊的強度;③根據井液中CO2、H2S等腐蝕性氣體,合理的選擇膠囊材料。例如對于H2S氣體,AFLAS橡膠起泡,而高飽和丁腈具有較好的性能。3.4膠囊膨脹時的保護保護器單向閥主要起保護膠囊的作用。當膠囊膨脹到最大極限時,單向閥打開,多余的潤滑油通過單向閥進入保護器外腔,以達到減壓,保護膠囊的目的。(1)c.最佳工藝參數為未完全開啟的單向閥出現誤差較大時也難以保護同一個單向閥初次開啟的壓力較高,以后逐次降低,例如:初次開啟為0.07MPa,二次開啟為0.03MPa,誤差較大,這樣的情況不僅給判斷單向閥合格與否帶來了困難,而且這樣的單向閥也很難保證對膠囊起到保護作用。(2)閥密封面為金屬錐型面對現有單向閥結構進行修改,經過分析,造成開啟壓力變化的主要原因是單向閥密封面是一個橡膠材料的“0”環,其接觸變形不規則,使開啟壓力波動,為此改單向閥密封面為金屬錐型面接觸,通過提高接觸面的制造精度,達到“0”環的密封效果,同時提高了接觸剛度,保證了每次開啟的壓力保持穩定。4對于常見的識通過對潛油電