游梁式抽油機安全隱患治理技術研究

李保全，李海東，高磊，王新剛

（長慶油田分公司機械制造總廠，陜西 西安 710201）

油田投運的部分游梁式抽油機，隨著服役時間的增加，出現支架、驢頭和游梁等部件的老化、疲勞及功能失效，造成運行安全風險增大，維護費用逐步增高。為此，本文進行隱患治理方案設計及實踐探索，以消除抽油機支架、驢頭、主游梁、平衡梁等鋼結構件的安全隱患，確保抽油機安全可靠運行。

1 原因分析

本文主要對游梁式抽油機的鋼結構件進行安全隱患治理，包括支架、驢頭、游梁、剎車機構、底座、護欄等。

支架存在的主要安全隱患是三支腿支架抗扭剛度弱，焊縫存在開裂情況。通過ANSYS軟件分析，三支架的縱向振幅和橫向振幅均滿足GB/T 29021-2018標準要求，但是從支架的應力云圖和變形位移云圖可看出，三支腿中的后腿（單支腿）是薄弱環節。抽油機在現場運行過程中，當游梁受側向風力較大時，三支腿支架承受較大的扭轉力矩，支架易發生扭曲變形，導致整機大幅扭轉振動，嚴重時造成焊縫開裂，以及對抽油機中軸、尾軸及減速箱造成較大損傷。

驢頭的主要安全隱患是在驢頭側板和驢頭橫板處焊縫存在開裂情況。其原因是抽油機運轉時，應力集中點主要在驢頭側板與驢頭橫版連接的直角過渡處，設計時未采取針對性措施降低原開裂位置的應力水平，提高驢頭局部強度。抽油機多年運行后，驢頭橫板腐蝕，造成驢頭兩側鋼板應力集中，強度降低，也是造成驢頭開裂的原因之一。

游梁存在的主要問題是機構老化、疲勞和功能失效。原因是擺動平衡裝置在長期運行后零部件失效，無法實現自動調平衡，平衡調節機支座與十字軸座螺栓存在斷脫風險。此外，游梁掛裝座及連接部位還存在疲勞斷裂的風險。

剎車機構存在的主要問題是操作空間存在安全隱患；剎車帶和復位彈簧等部件磨損、腐蝕。原因是剎車手柄設置臨近平衡臂的運行區域，對員工操作時的安全防護不到位；以及部件磨損和生銹，造成功能缺失。

底座存在的問題是疲勞斷裂。需要對斷裂部位進行修復，對支架、剎車和控制柜的安裝基座進行改造，對游梁平衡裝置進行碰撞防護改造。

護欄的問題是老舊抽油機使用的防護裝置為簡易欄桿，其下邊緣距離地面的空間太大；長時間使用造成損壞和缺失。原因是未將抽油機旋轉運動部件、剎車操作的風險區域空間隔離防護到位，操作人員和動物容易誤進入危險區域，不能起到有效防護作用。

游梁式抽油機的總體治理改造效果如圖1所示。

圖1 改造后的抽油機全貌圖

2 治理方案

2．1 支架

（1）將三支腿支架改造為四支腿支架，進一步增加抽油機的穩定性。改造后的支架前后腿跨距不變，支架與底座縱梁螺栓連接。

（2）拆解、焊接支架。切去中央后支腿，將切口打磨平整。將增加的左、右后支腿，焊接在頂部中央箱體上。改造過程中不切割中央箱體，防止中央箱體發生變形、支架強度降低。使用中央后支腿切去的部分，連接左右后支腿并焊接為一體。用工字鋼連接前、后支腿，使左右兩側的支腿形成完整的四邊框架結構。在原支架上實施改造，采用工藝臺架控制整體變形，保證總體尺寸。焊接左右后支腿時，使用專用工藝夾具夾緊，保證焊接尺寸，保證支架地腳尺寸一致。在四個支腿的下面連接板處，各增加兩塊加強筋，鋼板厚度為12mm。改造好的支架做振動時效檢測，時長不小于2h。支架改造過程中應修復原有的走臺和護欄，更換斷裂零件，不應采用補焊拼接工藝，以保證走臺的強度，保障維修操作人員的安全。焊接結束后，更換潤滑系統管線和電氣系統電線的線卡，檢查管線、電線是否暢通，并恢復至完好狀態。

（3）檢驗支架。采用滲透無損檢測（PT）或磁粉無損檢測（MT）檢驗焊縫及母材有無裂紋及其他缺陷；支架采用專用工作平臺固定，檢驗支架上平面與四個腿底面的平行度，應符合GB/T 29021-2018標準要求。

2．2 驢頭

驢頭是懸點載荷的直接受力部件，需要定期對其進行檢查，對于重點部位應用儀器進行探傷檢測，對于開裂的驢頭重新更換，未開裂的驢頭進行加固，確保抽油機安全運行。

（1）制造新驢頭，主要材料為10mm的鋼板。在驢頭側板外增加圓環加強版，驢頭弧板內增加加強筋板。

（2）未開裂在用驢頭進行針對性補強，提高可靠性。應力集中點主要在驢頭側板與驢頭橫版的連接直角過渡處，通過側板的內外側同時局部補強，分擔受力、釋放應力，增加驢頭承載強度，提升在用驢頭的安全可靠性。

（3）檢驗驢頭。改造后要滿足懸繩器能夠正常安裝使用；掛繩面不得有明顯凸起和凹陷，以免影響懸繩器的安裝使用；改造后驢頭整體強度滿足要求；焊縫、母材應無裂紋，重點檢測驢頭銷座或連接板加強筋板焊縫，確保驢頭質量安全可靠；驢頭懸點投影尺寸應符合GB/T 29021-2018標準要求；驢頭弧面板中心與游梁中心重合。

2．3 游梁

擺動式平衡裝置因機構較復雜、維護不便、調試操作不當等原因影響，較多自動調平衡功能已經失效，應重新設計改造。原游梁尾部的掛裝座為鑄鋼材質，易出現內部砂眼、氣孔等缺陷，應進行改造提升。

（1）將擺動式游梁平衡裝置替換成彎游梁調徑變矩平衡裝置，按照彎游梁調徑變矩平衡裝置調節能力滿足50%～100%額定懸點載荷的變化要求重新設計，主要分為與游梁連接的結構、箱式連接平衡臂、平衡調節塊箱等三大結構件。抽油機驢頭在上死點時，平衡調節塊箱與防碰撞裝置的間隙為50mm；當平衡調節塊箱中平衡調節塊數量為0時，能夠平衡50%額定懸點載荷；當平衡調節塊箱中裝滿平衡調節塊時，能夠平衡100%額定懸點載荷。

（2）改造原掛裝結構，采用40mm厚的優質鋼板制作新的掛裝結構，增加與游梁的焊接長度，提升連接可靠性。

（3）檢驗游梁。彎游梁調徑變矩平衡裝置運轉可靠，無晃動、撞擊；彎游梁調徑變矩平衡裝置的調節能力滿足50%～100%額定懸點載荷的變化要求；彎游梁調徑變矩平衡裝置尾部橫向擺動距離不大于10mm。

2．4 剎車機構

抽油機剎車機構關系到操作人員的人身安全和設備的安全，也直接影響到油井維護作業施工的正常進行。因此需及時消除安全隱患，并進行定期維護。

（1）利用平行四邊形機構將剎車操作手柄外移，提升抽油機剎車停機時的安全可靠性，并與抽油機底座統籌改造。

（2）定期更換抗磨性能較好的石棉銅絲橡膠剎車帶。剎車帶更換標準：剎車帶磨損減薄量＞1/2時。

（3）對于復位彈簧、連接桿、支撐座出現輕微銹蝕現象的，應采用表面防腐處理；出現氧化皮銹蝕剝離，對于鋼材表面普遍發生點蝕的，應進行更換處理。

（4）剎車的調整操作要求：剎車剎緊時剎把調整在剎車行程的1/2～2/3處，松開剎把后，剎車轂與剎車帶不得有任何接觸，最小間隙范圍為1.5～2.0mm。

（5）檢驗剎車機構。剎車裝置各尺寸應符合技術要求，各轉動處轉動靈活，各連接處連接可靠。剎車裝置應拉緊、松開靈活，正常復位，平穩可靠，并且剎車操作力不得超過150N。

2．5 底座

對斷裂部位進行修復，在支架、游梁、剎車改造的同時對底座做出相應調整。

（1）針對底座縱向斷裂，采取底座在焊接平臺上找正基準面、工裝固定，在斷裂處倒坡口焊接，采用常規手段與改造手段相結合的方式進行修復。

（2）三支腿支架改成四支腿支架后，在底座已有的結構上焊接支架連接底板，將改造工作量及對底座的傷害降至最少。

（3）擺動式游梁平衡裝置更換成調徑變矩平衡裝置后，增加焊接鋼結構防碰裝置，主要材料為20#槽鋼和10mm鋼板。防碰撞表面鋪設厚度為40mm的聚氨酯吸能塊，采用可靠的焊接結構與底座連接。配重箱與防碰裝置最小設計間隙為50mm。

（4）外移控制柜與剎車，確保安裝整體式護欄后，控制柜柜門開關、按鈕操作、剎車手柄操作便捷無障礙，提升操作維護安全性。

（5）檢驗底座。底座改造后，采用紅外線測平儀檢測基準面平整度，檢驗各點配合尺寸及形位尺寸，應符合GB/T 29021-2018標準要求。

2．6 護欄

對于銹蝕、損壞、缺失的護欄以及安全設計不完善的護欄，應重新制作整體式護欄。護欄采用優質30×30×3方鋼管焊接制作，安全防護高度1.3m，埋地深度0.7m，設置“嚴禁穿越”警示牌。

3 總裝檢驗試驗

游梁式抽油機改造完成后，應進行總裝檢驗試驗。

整機運轉時，支架頂部的縱向振幅和橫向振幅符合表1的規定。

表1 支架頂部的縱向振幅和橫向振幅

整機運轉時，整機噪聲不得超過表2的規定。

表2 整機噪聲

額定載荷試驗后，懸掛光桿的驢頭在任何位置時，懸點投影符合表3的規定。

表3 驢頭在任何位置時的選點投影

兩個曲柄的剪刀差不應超過表4的規定。

表4 曲柄剪刀差

整機進行空載荷檢驗和載荷檢驗，空載荷運轉時間不少于10min，載荷運轉時間不少于2h。各部件完好，整機無異響、傾翻，運轉正常。

4 現場安裝調試

4．1 安裝

對銹蝕、油污或油脂固化、粘有雜質的抽油機零部件進行清潔處理，尤其是裝配結合面必須清潔。在此基礎上安裝底座，底座中心線與井口中心重合，并調整底座基準點到井口中心距離。找平減速器底座上平面，縱向水平誤差小于3/1000，橫向小于0.5/1000。安裝減速器曲柄組合件總成于箱座上，對正位置，均勻緊固各連接螺栓。將曲柄銷總成安裝在曲柄上需要調整的沖程孔中，確定左、右旋曲柄銷安裝正確。將支架組裝成組合件，吊裝至底座上，從支架頂部中心吊鉛垂線，檢驗與底座中心是否重合，同時要求支架頂平面水平誤差小于1.5/1000mm。

4．2 調試

運轉前進行全面檢查，檢查減速器是否按要求加注潤滑油，確認無誤后進行試運轉。

解除剎車保險，緩慢松開剎車，使配重裝置緩慢降落到最低點，全部取出活動配重塊，并將配重箱移動到最高位置。點動電機使抽油機驢頭運轉至下死點位置，剎車并掛好剎車保險裝置，將光桿留好上下防沖距，安裝固定在懸繩器上。掛載后，打開盤根盒，檢查抽油桿對中井口情況，如誤差超標應重調。點動抽油機使曲柄運轉1～2圈，檢查有無卡碰現象，并檢查曲柄旋轉方向是否正確，如不正確應立即糾正，觀察抽油泵柱塞是否碰泵體，抽油桿上接箍是否碰井口等，如有不合適及時調整。調整平衡，運轉1h，待液面到達井口后測算平衡率，精調平衡并檢查以下項次：驢頭懸點與井口是否對中；驢頭弧板鋼絲繩壓痕是否偏斜；懸繩器是否扭轉；傳動皮帶松緊是否合適；螺栓是否全面緊固。上述檢查合格后，可投入運轉。工作24h和兩星期時，必須再次檢查螺栓緊固情況，與抽油機使用管理單位進行驗收交接。

5 結語

本文對游梁式抽油機長期運行后其鋼結構件產生的故障及隱患，提出了有效的治理方案，實施改造1200余臺并投入現場使用，通過現場運行跟蹤，按照本文的方案實施抽油機結構改造優化后沒有出現新的問題。治理改造后游梁式抽油機的支架、驢頭、游梁、底座等鋼結構件強度明顯提高，在后期使用中未發生強度不足產生的裂紋，與此相關的支架軸承、橫梁軸承、減速器等故障大幅度減少，操作人員在使用、維護過程中的安全防護也進一步提升。