基于測試數據的潛油電泵葉輪失效分析方法

辛福義

（中國石油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010）

潛油離心泵是多級離心泵，其結構主要由多級離心葉輪、導殼、泵軸、泵殼體和上下接對組成。當電機軸帶動葉輪高速旋轉時，液體在離心力的作用下，通過導輪的導流，從葉輪中心沿葉片間的流道流向下一級葉輪，依次流過所有的葉輪和導輪，使液體壓能逐級增加，最終獲得一定的揚程將井液舉升至地面。因此葉輪和導輪性能的優劣，直接決定和影響潛油電動離心泵抽液的功效。由于井下工作環境較復雜、潛油離心泵特殊的機械結構和工作狀態,使葉導輪失效的發生具有一定的規律性，為此,本文將在常規金屬失效件分析的理論和方法基礎上, 應用可靠性分析理論和方法對葉導輪的失效形式進行探討。

我單位的葉導輪實驗臺是用于檢測潛油離心泵葉輪使用性能的設備。通過電動機帶動葉輪旋轉，以水為介質，采集葉輪的主要工作參數，以確定葉輪并結合失效件的形貌分析工作性能。對轉速、轉矩、功率、流量、溫度、壓力這些參數進行監控和記錄，通過計算繪制出流量—揚程/功率/泵效曲線。實驗臺能夠使工作人員進一步的了解和掌握所用各種葉輪的工作性能，并對現有設備進行改進，以提高整套離心泵組裝質量和效率。

1 葉導輪失效分析基本步驟

（1）失效因素分析：對潛油電泵葉導輪設計、制造、使用條件和失效狀況等因素進行調查，特別對葉導輪失效產生重要影響的幾何尺寸、加工工藝、連接方式、工作狀態等參數進行深入分析。

（2）失效因素統計：在完善失效因素分析的基礎上，制定葉導輪失效影響統計原則、編制失效件統計表。影響葉導輪失效的參數包括：機械性能參數，包括抗拉強度、疲勞強度、硬度、韌性等指標的統計；金相組織，包括基體組織、石墨形態、石長、夾雜相情況；幾何參數，包括葉輪、導殼的主要部分尺寸與公差；鑄造工藝與質量包括縮孔、疏松、偏析、氣泡等；表面形貌，包括裂紋與劃痕、折疊、斑疤、表面硬度、表面粗糙度等；及裝配工藝與精度包括裝配方法配合精度等。

（3）失效規律分析，根據葉導輪和統計數據分析, 得到一系列圖表和技術指標, , 從而完成葉導輪的失效模式和失效機理分析工作, 并提出一些改進和控制措施。

2 失效分析理論

葉導輪的失效分析根據失效因素的不同可分為以下三種：

2.1 非參數化分析

針對葉導輪失效模式、工作壽命、油品成分、機械性能和金相組織等因素，由于這些因素屬非參數因素，所以只根據時間對其進行數據統計處理。分析是有限的數據集（而不是預測的數據值的范圍之外）和時間（而不是多個解釋變量）比較失效曲線的因素之一包括失敗次數的可靠性估計。常見的一種非參數的分析是Kaplan Meier 生命周期統計（KM）。

ti是“失效”發生的時間。di是在時間ti時發生失效的次數。上下置信區間，可以計算出使用統計軟件的KM曲線。一個置信區間的計算是+/-2個標準差的KM估計。

葉導輪的主要失效模式是磨損, 占整個失效件的95%以上,主要發生在葉導輪輪轂與軸之間、葉輪下裙部與導殼配合處。

2.2 半參數化分析

半參數分析比非參數方法更加深入。通過權限考查一組數據估算失效曲線，基于多種因素或關聯變量進行回歸分析，判斷某一給定因素對失效曲線的貢獻值。

采用比例風險模型假設潛油泵某部件的故障率的方法是：

其中：ho（t）為基本故障率（不需要規定，其為一個時間的函數）；

exp(β1xi1+β1xi2+…+β1xik為正函數，其中包括影響因素與協變量xi1-xik（與時間關聯）；

這種模式被稱為半參數化，因為基本故障率以任意形式給出時，協變量被線性化。因素/協變量的相對貢獻率可以描述為：

*當β>0，失效時間隨協變量增大而減少；

*當β<0，失效時間隨協變量增大而增加；

* 對于失效因素來說，失效貢獻值只相對一階因素；

2.3 參數化分析

參數化失效模型假定一種分布形式。本文將著重使用參數化模型分布，因為它對研究潛油泵的使用可靠性及故障數據分析具有廣泛的應用。

參數化分析效率超過半非參數生存曲線估計，但它的應用條件更加嚴格。

其中形狀參數k 為斜率。K 值小于1 明，故障率（初期故障）隨著時間減少。 K 值等于1，表明故障率不隨時間變化，為隨機故障。k 值大于1 表示故障率隨時間增加，主要表現為機械磨損。

比例參數λ，在分布中的作用相同，當形狀參數不變時，比例參數增加，具有拉伸PDF 和失效曲線的效果。

3 潛油泵葉導輪失效分析應用

3.1 有限葉片情況下泵揚程計算

潛油電泵的葉輪都是有限葉片，產生的泵揚程比無限多葉片的要低。潛油電泵葉輪是環列葉柵，應用流體力學的葉柵理論，有限葉片單級潛油電泵的總揚程用式（2）計算，則無限葉片和有限葉片潛油電泵的總揚程可分別表示為：

式中

Hf——單級泵的摩擦能頭損失，m；

k2、k3——與流體粘度、泵葉導輪表面粗糙度有關的系數，s2/m5；

Hs——單級泵的揚程沖擊損失,m ；

qD——泵設計排量，即額定排量，m3/s；

K——滑移系數，衡量渦流損失的大小，恒小于1，并在所有工況下都保持不變，無因次；

A——與泵葉輪外徑和轉速有關的常數，m；

B——與泵的結構尺寸和電泵轉速有關的系數，s/m2；

HT∞——無限葉片單級潛油電泵的總揚程，m

通過以上分析，潛油電泵的揚程和能量可以用圖1 表示。圖中曲線1-1 與曲線2-2 之間表示渦流損失大小隨流量的變化；曲線2-2 與曲線3-3 之間部分為流動損失隨流量的變化；曲線3-3 與曲線4-4之間部分為沖擊損失隨流量的變化；曲線4-4 與曲線5-5 之間部分表示泵的漏失隨流量的變化；曲線5-5 為電泵工作時的實際揚程。

圖1 潛油電泵的揚程和能量圖

3.2 葉導輪性能分析

根據對揚程的計算可知，潛油電泵對粘性流體的適應性和能耗損失規律，從而可知葉導輪的性能對揚程的影響。

對于曲線上的每一點的具體數值，都可以通過移動圖上的滑塊去查看。移動滑塊，表的右上角會顯示曲線與粉紅色縱軸交點的坐標值。

3.3 葉導輪可靠性分析

根據葉導輪性能曲線的分析，確定各因素間的協變量運用前文中的方法對葉導輪的可靠性進行分析。

4 結論

運用不同的分析方法對葉導輪進行失效分析，從而得出其對潛油泵使用壽命的影響曲線，根據具體的實驗數據，詮釋葉導輪的失效原因，為葉導輪的優化設計提供完善的理論依據，這對改進潛油泵的工作性能以及提高舉升效率都具有實際應用意義。

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