游梁式抽油機(jī)安全隱患治理技術(shù)研究

李保全，李海東，高磊，王新剛

（長慶油田分公司機(jī)械制造總廠，陜西 西安 710201）

油田投運的部分游梁式抽油機(jī)，隨著服役時間的增加，出現(xiàn)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(fēng)險增大，維護(hù)費用逐步增高。為此，本文進(jìn)行隱患治理方案設(shè)計及實踐探索，以消除抽油機(jī)支架、驢頭、主游梁、平衡梁等鋼結(jié)構(gòu)件的安全隱患，確保抽油機(jī)安全可靠運行。

1 原因分析

本文主要對游梁式抽油機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行安全隱患治理，包括支架、驢頭、游梁、剎車機(jī)構(gòu)、底座、護(hù)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(biāo)準(zhǔn)要求，但是從支架的應(yīng)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(huán)節(jié)。抽油機(jī)在現(xiàn)場運行過程中，當(dāng)游梁受側(cè)向風(fēng)力較大時，三支腿支架承受較大的扭轉(zhuǎn)力矩，支架易發(fā)生扭曲變形，導(dǎo)致整機(jī)大幅扭轉(zhuǎn)振動，嚴(yán)重時造成焊縫開裂，以及對抽油機(jī)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(cè)板和驢頭橫板處焊縫存在開裂情況。其原因是抽油機(jī)運轉(zhuǎn)時，應(yīng)力集中點主要在驢頭側(cè)板與驢頭橫版連接的直角過渡處，設(shè)計時未采取針對性措施降低原開裂位置的應(yīng)力水平，提高驢頭局部強(qiáng)度。抽油機(jī)多年運行后，驢頭橫板腐蝕，造成驢頭兩側(cè)鋼板應(yīng)力集中，強(qiáng)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(jī)構(gòu)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(xiàn)自動調(diào)平衡，平衡調(diào)節(jié)機(jī)支座與十字軸座螺栓存在斷脫風(fēng)險。此外，游梁掛裝座及連接部位還存在疲勞斷裂的風(fēng)險。

剎車機(jī)構(gòu)存在的主要問題是操作空間存在安全隱患；剎車帶和復(fù)位彈簧等部件磨損、腐蝕。原因是剎車手柄設(shè)置臨近平衡臂的運行區(qū)域，對員工操作時的安全防護(hù)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(jìn)行修復(fù)，對支架、剎車和控制柜的安裝基座進(jìn)行改造，對游梁平衡裝置進(jìn)行碰撞防護(hù)改造。

護(hù)欄的問題是老舊抽油機(jī)使用的防護(hù)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(jī)旋轉(zhuǎn)運動部件、剎車操作的風(fēng)險區(qū)域空間隔離防護(hù)到位，操作人員和動物容易誤進(jìn)入危險區(qū)域，不能起到有效防護(hù)作用。

游梁式抽油機(jī)的總體治理改造效果如圖1所示。

圖1 改造后的抽油機(jī)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(jìn)一步增加抽油機(jī)的穩(wěn)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(fā)生變形、支架強(qiáng)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(cè)的支腿形成完整的四邊框架結(jié)構(gòu)。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(qiáng)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(yīng)修復(fù)原有的走臺和護(hù)欄，更換斷裂零件，不應(yīng)采用補(bǔ)焊拼接工藝，以保證走臺的強(qiáng)度，保障維修操作人員的安全。焊接結(jié)束后，更換潤滑系統(tǒng)管線和電氣系統(tǒng)電線的線卡，檢查管線、電線是否暢通，并恢復(fù)至完好狀態(tài)。

（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(yīng)符合GB/T 29021-2018標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行檢查，對于重點部位應(yīng)用儀器進(jìn)行探傷檢測，對于開裂的驢頭重新更換，未開裂的驢頭進(jìn)行加固，確保抽油機(jī)安全運行。

（1）制造新驢頭，主要材料為10mm的鋼板。在驢頭側(cè)板外增加圓環(huán)加強(qiáng)版，驢頭弧板內(nèi)增加加強(qiáng)筋板。

（2）未開裂在用驢頭進(jìn)行針對性補(bǔ)強(qiáng)，提高可靠性。應(yīng)力集中點主要在驢頭側(cè)板與驢頭橫版的連接直角過渡處，通過側(cè)板的內(nèi)外側(cè)同時局部補(bǔ)強(qiáng)，分擔(dān)受力、釋放應(yīng)力，增加驢頭承載強(qiáng)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(qiáng)度滿足要求；焊縫、母材應(yīng)無裂紋，重點檢測驢頭銷座或連接板加強(qiáng)筋板焊縫，確保驢頭質(zhì)量安全可靠；驢頭懸點投影尺寸應(yīng)符合GB/T 29021-2018標(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)較復(fù)雜、維護(hù)不便、調(diào)試操作不當(dāng)?shù)仍蛴绊懀^多自動調(diào)平衡功能已經(jīng)失效，應(yīng)重新設(shè)計改造。原游梁尾部的掛裝座為鑄鋼材質(zhì)，易出現(xiàn)內(nèi)部砂眼、氣孔等缺陷，應(yīng)進(jìn)行改造提升。

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

（2）改造原掛裝結(jié)構(gòu)，采用40mm厚的優(yōu)質(zhì)鋼板制作新的掛裝結(jié)構(gòu)，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(diào)徑變矩平衡裝置運轉(zhuǎn)可靠，無晃動、撞擊；彎游梁調(diào)徑變矩平衡裝置的調(diào)節(jié)能力滿足50%～100%額定懸點載荷的變化要求；彎游梁調(diào)徑變矩平衡裝置尾部橫向擺動距離不大于10mm。

2．4 剎車機(jī)構(gòu)

抽油機(jī)剎車機(jī)構(gòu)關(guān)系到操作人員的人身安全和設(shè)備的安全，也直接影響到油井維護(hù)作業(yè)施工的正常進(jìn)行。因此需及時消除安全隱患，并進(jìn)行定期維護(hù)。

（1）利用平行四邊形機(jī)構(gòu)將剎車操作手柄外移，提升抽油機(jī)剎車停機(jī)時的安全可靠性，并與抽油機(jī)底座統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)：剎車帶磨損減薄量＞1/2時。

（3）對于復(fù)位彈簧、連接桿、支撐座出現(xiàn)輕微銹蝕現(xiàn)象的，應(yīng)采用表面防腐處理；出現(xiàn)氧化皮銹蝕剝離，對于鋼材表面普遍發(fā)生點蝕的，應(yīng)進(jìn)行更換處理。

（4）剎車的調(diào)整操作要求：剎車剎緊時剎把調(diào)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(jī)構(gòu)。剎車裝置各尺寸應(yīng)符合技術(shù)要求，各轉(zhuǎn)動處轉(zhuǎn)動靈活，各連接處連接可靠。剎車裝置應(yīng)拉緊、松開靈活，正常復(fù)位，平穩(wěn)可靠，并且剎車操作力不得超過150N。

2．5 底座

對斷裂部位進(jìn)行修復(fù)，在支架、游梁、剎車改造的同時對底座做出相應(yīng)調(diào)整。

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

（2）三支腿支架改成四支腿支架后，在底座已有的結(jié)構(gòu)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(diào)徑變矩平衡裝置后，增加焊接鋼結(jié)構(gòu)防碰裝置，主要材料為20#槽鋼和10mm鋼板。防碰撞表面鋪設(shè)厚度為40mm的聚氨酯吸能塊，采用可靠的焊接結(jié)構(gòu)與底座連接。配重箱與防碰裝置最小設(shè)計間隙為50mm。

（4）外移控制柜與剎車，確保安裝整體式護(hù)欄后，控制柜柜門開關(guān)、按鈕操作、剎車手柄操作便捷無障礙，提升操作維護(hù)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(zhǔn)面平整度，檢驗各點配合尺寸及形位尺寸，應(yīng)符合GB/T 29021-2018標(biāo)準(zhǔn)要求。

2．6 護(hù)欄

對于銹蝕、損壞、缺失的護(hù)欄以及安全設(shè)計不完善的護(hù)欄，應(yīng)重新制作整體式護(hù)欄。護(hù)欄采用優(yōu)質(zhì)30×30×3方鋼管焊接制作，安全防護(hù)高度1.3m，埋地深度0.7m，設(shè)置“嚴(yán)禁穿越”警示牌。

3 總裝檢驗試驗

游梁式抽油機(jī)改造完成后，應(yīng)進(jìn)行總裝檢驗試驗。

整機(jī)運轉(zhuǎn)時，支架頂部的縱向振幅和橫向振幅符合表1的規(guī)定。

表1 支架頂部的縱向振幅和橫向振幅

整機(jī)運轉(zhuǎn)時，整機(jī)噪聲不得超過表2的規(guī)定。

表2 整機(jī)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(guī)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(yīng)超過表4的規(guī)定。

表4 曲柄剪刀差

整機(jī)進(jìn)行空載荷檢驗和載荷檢驗，空載荷運轉(zhuǎn)時間不少于10min，載荷運轉(zhuǎn)時間不少于2h。各部件完好，整機(jī)無異響、傾翻，運轉(zhuǎn)正常。

4 現(xiàn)場安裝調(diào)試

4．1 安裝

對銹蝕、油污或油脂固化、粘有雜質(zhì)的抽油機(jī)零部件進(jìn)行清潔處理，尤其是裝配結(jié)合面必須清潔。在此基礎(chǔ)上安裝底座，底座中心線與井口中心重合，并調(diào)整底座基準(zhǔn)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(diào)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(diào)試

運轉(zhuǎn)前進(jìn)行全面檢查，檢查減速器是否按要求加注潤滑油，確認(rèn)無誤后進(jìn)行試運轉(zhuǎn)。

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(jī)使抽油機(jī)驢頭運轉(zhuǎn)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(biāo)應(yīng)重調(diào)。點動抽油機(jī)使曲柄運轉(zhuǎn)1～2圈，檢查有無卡碰現(xiàn)象，并檢查曲柄旋轉(zhuǎn)方向是否正確，如不正確應(yīng)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(diào)整。調(diào)整平衡，運轉(zhuǎn)1h，待液面到達(dá)井口后測算平衡率，精調(diào)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(zhuǎn)；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(zhuǎn)。工作24h和兩星期時，必須再次檢查螺栓緊固情況，與抽油機(jī)使用管理單位進(jìn)行驗收交接。

5 結(jié)語

本文對游梁式抽油機(jī)長期運行后其鋼結(jié)構(gòu)件產(chǎn)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(xiàn)場使用，通過現(xiàn)場運行跟蹤，按照本文的方案實施抽油機(jī)結(jié)構(gòu)改造優(yōu)化后沒有出現(xiàn)新的問題。治理改造后游梁式抽油機(jī)的支架、驢頭、游梁、底座等鋼結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度明顯提高，在后期使用中未發(fā)生強(qiáng)度不足產(chǎn)生的裂紋，與此相關(guān)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(hù)過程中的安全防護(hù)也進(jìn)一步提升。