潜油电泵偏磨失效机理分析

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摘 要：针对潜油电泵存在偏磨的现象，详细分析了潜油电泵偏磨的失效形态和失效原因。重点讨论了振动对潜油电泵偏磨的影响，指出多级泵的振动是产生偏磨的最主要原因。在此基础上，提出了相应的解决方法。

关键词：潜油电泵 偏磨 振动

中图分类号：G206 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0056-01

1 潜油电泵偏磨失效形态分析

自2010年以来，因离心泵偏磨造成胜利采油厂躺井50口，占总躺井数的10.8%，其偏磨形态特点为叶轮下止推垫片磨损或磨没，泵头和泵座扶正套磨损严重，泵轴偏磨成锯齿形或均匀磨细，如图1所示。

2 潜油电泵偏磨失效原因分析

造成潜油离心泵偏磨的可能原因有：离心泵细长件的直线度（泵轴，泵壳）；连接件端面垂直度（泵头，泵座）；电泵井井筒轨迹变化，如井斜、套管变形等；离心泵安装过程花键套与泵轴间的同轴度；油井含砂会加速泵内叶轮止推垫片磨损或磨没；机组在井下运转过程中，不适应井况，产生振动，加剧泵内如叶轮止推垫片、叶轮、导壳、泵轴、泵头、泵座间的偏磨现象。

为此，对离心泵偏磨可能原因进行逐步调查、逐一分析。一是先后3次对离心泵装配工序进行了现场检查，重点检查了轴、壳直线度，大件同轴度和垂直度，没发现明显问题。二是从机组生产到现场安装的过程中，存在机组存储、吊装、运输等环节不规范的现象，可能造成机组弯曲。但考虑到这是各类机组的共性问题，认为它也不是引起机组偏磨的主要原因。三是对井身轨迹的变化、全角变化率进行了分析、计算，符合机组所处的环境位置。

通过分析认为泵偏磨的主要原因：一是泵扬程曲线比较陡峭，高效区内扬程变化幅度大，供液变化时叶轮浮动变化大，垫片易磨损。二是叶导轮流体为径向流形式，流体转换路径为直流形，类似“矩形波”，流体转向“拐角处”易沉砂，造成泵砂卡。三是高效导叶轮扬程高，叶片长，“矩形波”幅度相对比较大，在含水高的情况下，水力冲击增大，轴向、径向“震动”加剧，含砂量增加，垫片易磨损，尤其下垫片更易磨损，出现叶轮偏磨；严重时，机组偏磨、泵轴偏磨成锯齿形，泵头、座扶正套磨损，严重甚至断轴。四是导叶轮因单级扬程高，叶轮下推力大，导叶轮止推摩擦副极易破坏。高效导叶轮壁薄，下止推摩擦副磨损后，叶轮下端扶正失效，造成偏磨。

3 振动及其对偏磨的影响

潜油电泵为一细长的离心泵，其级数高达几百级，每级都由一个“浮套”在轴上的叶轮组成，叶轮与导轮配对用于级与级之间的导流。叶轮―― 导轮总成装在一个直径很小的泵壳内。电泵主轴上下两端由扶正套扶正，扶正套与轴的间隙远比导轮和叶轮的间隙小。工作时，主轴带动叶轮在导轮所形成的环形空间内转动。

多级离心泵是一个组成零件多、刚性较差的系统。当泵稍弯曲或叶轮稍偏心时，很容易产生惯性力而使运转失稳。当潜油电泵的压力、排量出现波动时；电泵主轴弯曲产生交变载荷时；叶轮旋转不平衡时；井口管线回压出现波动时；泵壳弯曲时；当电机起动时转子在电磁力作用下与定子对形成冲击力或由于装配不当时，都会引起电泵主轴产生振动。

潜油电泵在工作过程中运行情况更复杂。由于叶轮与主轴一起在导轮形成的很小的环形空间内转动，当激发力施加在主轴上引起振动时，主轴横向振幅即最大挠度不可能超出叶轮与导轮间的最大间隙。振动使两接触面发生微动磨损，摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着。粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑接着被氧化。被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。这些麻点或伤疤是应力集中的根源。随着磨损的加剧，径向间隙越来越大，振动越来越厉害。随着振动的加剧，振幅受导轮内壁限制，形成叶轮外圆面与导轮内孔面的带冲击的强烈摩擦，从而形成电泵机组的振动，导致各级泵的不平衡和电泵主轴的微小弯曲，并通过金属与金属接触而传给保护器、电机，加速了电泵机组的损坏，引起电泵机组的失效。

泵轴为细长的柔性轴，只有在保证径向支撑完好时，才能在高转速下可靠运行。由于种种原因，如井液含砂或油层套管变形引起机组变形或由于机组本身的变形都会造成叶轮的径向磨损。当径向磨损超过允许配合间隙的最大值时，机组在运转过程中就会产生偏心振动。这种振动可以传输到轴上，同时会引起保护器机械密封失效以及电动机发热。同时，材料太软，扶正轴承磨损，间隙增大，起不到扶正作用。高速旋转的泵轴及轴上叶轮，会产生强烈的振动。泵轴失去扶正后，泵轴弯曲发生偏磨变成曲轴。

振动的加剧会加速潜油电泵的磨损，从而导致偏磨加剧；偏磨的加剧又会使偏心质量矩增加，振动的幅度更大，从而进入一个恶性循环。显而易见，振动是产生偏磨问题的关键。

4 解决途径和方法

为了解决泵轴、扶正套、叶轮径向磨损问题，开发设计成功了电泵专用硬质合金扶正套。并将其分别镶嵌在导轮和叶轮径向滑动接触部位，从而在此部位形成一个耐磨之磨擦副，提高导、叶轮径向耐磨水平，实现径向对泵轴和叶轮的强制扶正。扶正套在每节泵上按照800～900 mm间距均匀分布配置。同时在泵头、泵座处安装硬质合金扶正套，强制扶正。该技术投入潜油电泵修理生产后，100余套电泵。从对井上返回的旧电泵解体检查看，导叶轮和泵轴磨损大大减轻。

5 结语

潜油电泵出现偏磨以后，容易影响泵效、增加能耗和检泵周期。本文通过分析潜油电泵的失效形态，指出振动、流体流向变化、沉砂以及下止推摩擦副磨损都是导致潜油电泵偏磨的原因，其中多级泵的振动是产生偏磨的最主要原因。在此基础上，开发设计成功了电泵专用硬质合金扶正套。

参考文献

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