一種液壓拆卸技術在油氣田中的應用

張天龍

中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200335

1 技術背景

某海上油氣平臺選用德制自吸式雙螺桿作為原油外輸泵，將生產分離器中的油相油液加壓后注入外輸海管。該容積式雙螺桿泵的泵送元件由兩個轉子組成，轉子在共同的泵殼內運行，并且內部間隙很小。轉子與轉子，轉子與內襯之間形成密封腔，軸向輸送液體至排出口。該泵采用雙軸流向布局提供了軸向液力平衡設計[1]。外部正時齒輪將所需的驅動扭矩傳遞給從動螺桿，避免泵送元件之間發生接觸。螺桿兩端的每一個軸上的機械密封將泵送液體和外部的軸承和定時齒輪密封隔開[2]。該泵要求運輸介質壓差范圍在1.5～16bar 之內，不能長時間在無壓差的工況下運轉，不能干運轉，且工況穩定運行3～5 年后，需安排解體檢查和腔體清潔，并更換機封、軸承、其他靜密封件。

2 常用軸承拆卸工藝

2.1 擊卸法

擊卸法是一種最簡單、最常見的拆卸方法。此法簡單易行，但容易損傷軸承。它是借錘擊的力量，利用錘敲擊銅棒或軟鐵時產生的沖擊能量，使相互配合的零件產生位移而互相脫離，達到拆卸目的的一種拆卸方法。

2.2 拉拔法

采用此法時，一般選用通用拉馬或根據被拆件設計專用拉馬拆卸。拆卸時，只要旋轉手柄，軸承就會被慢慢拉出。一般油氣田中常見的多將拉馬兩腳鉤住軸承內圈進行拆卸，絲桿要對準軸的中心孔，不得歪斜。

2.3 頂壓法

利用機械式壓力機、液壓壓力機或千斤頂等工具和設備進行拆卸。該方法工作平穩可靠，不易損傷機器和軸承。適用于拆卸過盈配合的軸承。使用時要注意壓力機著力點應在軸的中心上，不得壓偏。

2.4 溫差法

溫差法是利用材料熱脹冷縮的性能，使配合件在溫差條件下失去過盈量，實現拆卸。該法一般采用與軸承相配套的專用電加熱器。

3 液壓拆卸技術的設計與應用

3.1 軸的加工

用車床上在軸承軸頸處加工一寬度為3mm，深度為0.30mm 的油槽;接著用直徑為6mm 的麻花鉆在軸中心處沿軸向加工油孔，孔深200mm;然后用直徑為2mm 的麻花鉆在油槽處沿徑向開通孔。為防止油道被滑油雜質堵塞，利用軸上原有的M10 中心螺孔，安裝一鎖緊螺釘保護油道。

3.2 軸的強度校核

該泵由電機驅動，電機額定轉速為3000r/ min，額定輸出功率為178.6kW，最大輸出功率為199.2kW。泵的主動螺桿與電機之間通過靠背輪和彈性膜片聯軸器連接。該泵采用雙軸流向布局提供了軸向液力平衡設計。所以泵的主動和從動螺桿均只受扭矩作用且大小相等,無脈動循環壓力。主動螺桿和從動螺桿均采用材質為35CrMo 的實心棒料加工而成，軸承軸頸直徑為65mm，靠背輪處軸徑為55mm，鍵槽寬16mm，深6mm, 長85mm。加工后的載荷分布及應力集中部位可知加工完成后軸的危險截面在主動螺桿驅動端A- A 與軸承軸頸B- B 處，現對這兩處進行強度校核。

3.2.1 空心軸扭轉強度計算

空心軸扭轉強度計算如式（1）所示。

軸的材料為35CrMo，調質處理。由機械設計手冊[3]表5- 1- 1 查 得：σb=750MPa；表5- 1- 19 查 得：A=97，α=0.1。所以根據式（1）可求得dmin=39.28mm。

因為截面A- A 處安裝單鍵連接的靠背輪，所以應將求得的最小軸徑增大5%。

即dmin' =dmin（1+5%）=41.244mm＜55mm,所以該軸軸向鉆完直徑為6mm 的油孔后強度仍滿足設計要求。

3.2.2 疲勞強度安全系數校核

疲勞強度安全系數校核如式（2）—（4）所示。

式中：Sσ——只考慮彎矩作用時的安全系數；

Sτ——只考慮扭矩作用時的安全系數；

Sp——按疲勞強度計算的許用安全系數，查機械設計手冊[4]表5- 1- 26 得Sp=1.6；

σ-1——為對稱循環應力下的材料彎曲疲勞極限，查機械設計手冊[3]表5- 1- 1 得350MPa；

τ-1——對稱循環應的材料扭轉疲勞極限，查機械設計手冊[3]表5- 1- 1 得200MPa；

Kσ、Kτ——彎曲和扭轉時的有效應力集中系數，具體數值查機械設計手冊[3]表5- 1- 30 得橫孔處Kσ=2.05，Kτ=1.85，配合處Kσ=2.73，Kτ=1.96，由表5- 1- 32 得環槽處Kσ=1.77，Kτ=1.52，故均取配合處；

β——表面質量系數，具體數值查機械設計手冊[4]表5- 1- 36 得；

ψσ、ψτ——材料拉伸和扭轉的平均應力折算系數, 具體數值查機械設計手冊[3]表5- 1- 33 得ψσ=0.34，ψτ=0.21；

εσ、ετ——彎曲和扭轉時的尺寸影響系數，查機械設計手冊[3]表5- 1- 34，得εσ=0.68，ετ=0.74；

σα、σm——彎曲應力的應力幅和平均應力，具體數值查機械設計手冊[3]表5- 1- 25，可得σα。因為該軸裝有彈性聯軸器，由于安裝誤差和彈性元件的不均勻磨損，將會使軸及軸承受到附加載荷M' =K'T，K' 為系數，查表5- 1- 23 得K' =0.07；為傳遞扭矩，經計算得T=634.12N·m；Z為軸危險截面的抗彎截面系數，查表5- 1- 27 得軸向油孔截面處Z≈26.959cm3，所以油孔截面處σα≈1.647MPa；橫孔截面處Z≈166.944，所以橫孔截面處σα≈0.266MPa，σm=0；τα、τm——扭轉應力的應力幅和平均應力，具體數值查機械設計手冊[3]表5- 1- 25 可得τα。Zρ為軸危險截面的抗扭截面系數，查表5- 1- 27 得軸向油孔截面處Zρ=53.918，所以油孔截面處τα≈11.761MPa；橫孔截面處Zρ≈339.712，所以橫孔截面處τα≈1.867MPa，τm=0。

由式（2）—（4）計算可得油孔處疲勞強度安全系數：Sσ≈127.192，Sτ≈13.027,S≈12.959＞Sρ；橫孔處疲勞強度安全系數：Sσ≈787.539，Sτ≈82.065，S≈81.62＞Sρ。

由上述可知，計算安全系數均大于許用值，故軸的疲勞強度足夠。

3.2.3 靜強度安全系數校核

靜強度安全系數校核公式見式（5）—（7）。

式中：σS——材料的拉伸屈服點，查機械設計手冊[4]表5- 1- 1，得σS=550MPa；τS——材料的扭轉屈服點，一般?。?.55～0.62）σS，此處取0.6σS；Mmax,Tmax——軸危險截面上的最大彎矩和最大扭矩，N·mm。

所以，按式（5）—（7）計算可得油孔處靜強度安全系數：SSσ≈166.97，SSτ≈14.03，SS≈13.98＞SSρ；橫孔處靜強度安全系數：SSσ≈1033.83，SSτ≈88.38,SS≈88.06＞SSρ。

由上述可知，計算安全系數均大于許用值，故軸的靜強度足夠。

3.3 液壓泵打壓壓力計算

式中：r1——滾動軸承內圈的外半徑基本尺寸，mm；

r2——結合半徑，mm；

r3——軸的內半徑基本尺寸，mm；

v1——滾動軸承內圈的泊松比；

v2——軸的泊松比；

E1——滾動軸承內圈的彈性模量，MPa；

E2——軸的彈性模量，MPa；

Ymax——配合實際最大過盈量。所以，由式（8）可得：P≈35.66MPa。

4 結論

經設計優化采用液壓拆卸技術后，利用液體的不可壓縮的特性去拆卸軸承，將帶壓的液壓油沿軸圈油槽均勻分布，使得軸承內圈受力均勻，拆卸省力，原油外輸泵主、從軸及其相關部件也得到了充分保護。拆卸下來的軸承沒有器質性損壞，還可以繼續使用，節省了備件采購費用，一舉多得。且該方法適用范圍廣，即使在對熱工作業要求嚴格的油氣田作業現場也可以拆卸軸承，大大縮短了維修時間，提高了維修效率，保證了維修質量。