油田開采潛油電泵故障分析及維修

李卓睿，李鵬飛，李東淼

（1.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280；2.大港油田第一采油廠，天津 300450）

0 引言

潛油電泵有部件種類多、工作環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，同時(shí)又在高溫、高壓、含雜質(zhì)、強(qiáng)腐蝕性等惡劣海洋環(huán)境下工作，因此極易出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常工作。而其一旦出現(xiàn)故障，將造成設(shè)備長期停運(yùn)，給油氣田帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為降低人工成本，減少停機(jī)事故損失，在有限的數(shù)據(jù)環(huán)境下如何對(duì)潛油電泵進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效的故障診斷與維護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 油田開采潛油電泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

潛油電泵站是一套利用轉(zhuǎn)動(dòng)原理來提升液體的手動(dòng)提升裝置：首先在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，離心泵的各個(gè)葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力的作用下將泵的機(jī)械能量轉(zhuǎn)化為力能量，達(dá)到提升地層中的石油并將其提升至地表的目的。

潛油電泵系統(tǒng)由潛油電纜、潛油泵、油氣分離器、電機(jī)保護(hù)器、潛油電機(jī)和泵的工作狀態(tài)檢測(cè)裝置等組成[1]。其中，潛油電纜、潛油泵和潛油電機(jī)是地下作業(yè)裝置，油分離裝置和電機(jī)保護(hù)器是電泵的防護(hù)裝置，泵工作狀態(tài)測(cè)試儀是檢驗(yàn)裝置。

（1）潛油電機(jī)是一種用于向地下輸送電力的關(guān)鍵裝置，它與一種特殊的電機(jī)保護(hù)裝置相互配合使用。潛油電機(jī)的直徑一般比較小，在20 cm 以下，目前國內(nèi)大多數(shù)為三相鼠籠式充油感應(yīng)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，安裝、維護(hù)和檢修方便。該型電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是一種短路線圈，這種線圈的特點(diǎn)是：在轉(zhuǎn)子凹槽內(nèi)放置一條比鐵心大的導(dǎo)線，并在鐵心的兩端通過端環(huán)連接導(dǎo)線，構(gòu)成一種類似于鼠籠式充油感應(yīng)電機(jī)的短路線圈。

（2）潛油離心泵通常被稱為潛油泵，是一種用于手動(dòng)提升作業(yè)的潛油電泵機(jī)組。其工作機(jī)理是，利用潛油電機(jī)發(fā)電，推動(dòng)離心泵的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將油水逐步提升，從而達(dá)到開發(fā)海洋石油的目的。在海上油田，潛油離心泵一般在1500 m 以下的深海環(huán)境中工作，并且具有比較高的級(jí)數(shù)。按照不同的海洋環(huán)境和生產(chǎn)需求，潛油離心泵的級(jí)數(shù)也會(huì)有所區(qū)別，一般在80 級(jí)以上。一些有強(qiáng)提液要求的油井，為了達(dá)到有效的生產(chǎn)，就必須采用200 級(jí)以上的離心泵[2]。

2 潛油電泵常見故障分析

海洋油田的潛油電泵故障發(fā)生率很高，原因有3類：一是高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕性的工作條件；二是有可能受到氣體、原油中雜質(zhì)含量較大等多種因素的影響；三是由于其本身的構(gòu)造和部件的特殊性。

2.1 離心泵葉輪故障

2.1.1 葉輪沖蝕磨損數(shù)值模擬

以W150 型電泵為例，其葉輪為圓柱形葉片，共有8 個(gè)葉輪。由于葉輪流動(dòng)區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則的變化，因此采用四面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行模擬（圖1）。該模型適應(yīng)性較強(qiáng)，可以模擬葉輪的不規(guī)則變化，然后對(duì)流動(dòng)變化復(fù)雜的葉片進(jìn)行局部加密。

圖1 葉輪流道網(wǎng)格

（1）模型坐標(biāo)系處理。采用離散相模型，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)：流體排量為150 m3/d，砂粒進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)為0.3%，砂粒直徑為0.05 mm，砂粒密度為2700 kg/m3。對(duì)于可流通區(qū)域，采用多重參考系模型，將葉輪流域設(shè)置為可移動(dòng)坐標(biāo)系，同時(shí)將旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為2300 r/min。

（2）進(jìn)出口邊界條件設(shè)置：葉輪入口設(shè)置速度進(jìn)口，液相出口邊界設(shè)置自由流動(dòng)，顆粒相出口為逃逸；設(shè)置固相入口邊界為逃逸，固相射流源為面源；設(shè)置顆粒質(zhì)量流率和粒徑，設(shè)置顆粒為惰性粒子，密度為2700 kg/m3；進(jìn)口截面顆粒速度和體積分?jǐn)?shù)為均勻分布，顆粒相對(duì)液相系數(shù)為1，即進(jìn)口邊界液相和固相速度相同。

（3）液相壁面條件為無滑移，固相壁面條件為反射壁面，同時(shí)考慮壁面與顆粒之間的碰撞反射。

2.1.2 基于離散相模型的葉輪磨損分析

該葉輪前蓋板有不同程度的磨損，包括出口、入口及其他部分（圖2）。從磨損部位來看，距離吸力面較近的位置磨損較為嚴(yán)重，平均磨損率約6.29×10-5kg/（m2·s）；葉輪后蓋板后半部分有輕微磨損，而前部分磨損相對(duì)較為嚴(yán)重，平均磨損率約9.12×10-5kg/（m2·s），后蓋板磨損程度大于前蓋板。

圖2 葉輪蓋板磨損云圖

該葉片吸力面出現(xiàn)磨損傷害較多，其中葉輪出口位置磨損最輕，中部位置磨損增加，頭部位置磨損最為嚴(yán)重（圖3）。而壓力面出現(xiàn)磨損傷害主要集中于尾部和頭部，中部位置磨損相對(duì)較輕。壓力面和吸力面磨損率基本一致，但葉片吸力面磨損位置較多，分布范圍較大，平均磨損率約1.39×10-5kg/（m2·s），壓力面平均磨損率約4.25×10-5kg/（m2·s），可見吸力面出現(xiàn)的磨損較為嚴(yán)重。

圖3 葉輪葉片磨損云圖

2.1.3 故障原因分析

在油田開發(fā)過程中，潛油泵的常見故障有泵軸磨損、泵軸斷裂、葉輪偏磨等。造成泵軸斷裂的因素很多，如液體腐蝕和雜質(zhì)含量超標(biāo)等。在出現(xiàn)軸斷裂的情況下，由于泵的各項(xiàng)性能指標(biāo)將會(huì)有較大變化，進(jìn)而引起系統(tǒng)的熵增大或過負(fù)荷停車。與其他超負(fù)荷停車故障相比，泵軸斷裂故障對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)有很大影響[4]。

潛油泵出現(xiàn)磨損故障時(shí)，葉輪的重心會(huì)偏離原來的幾何中心。因?yàn)樵谛D(zhuǎn)過程中有一種離心式的慣性力，所以旋轉(zhuǎn)軸會(huì)在旋轉(zhuǎn)過程中給葉輪帶來一種彈性的回復(fù)力，在各種外力的作用下該系統(tǒng)達(dá)到了一個(gè)均衡，其振幅增大而頻率保持恒定。但是在長期運(yùn)行后，泵的軸載較大、單元振動(dòng)較大、磨損故障等因素會(huì)對(duì)泵的軸向形成持續(xù)的撞擊和摩擦力，從而導(dǎo)致泵軸損壞。

2.2 潛油電機(jī)故障

盡管有電機(jī)保護(hù)裝置，但由于長期工作在高壓力、高溫度、高腐蝕等惡劣工況下，潛油電機(jī)也很容易出現(xiàn)故障。電機(jī)故障主要有兩種，一種是電機(jī)損壞、另一種是電機(jī)燒毀。

（1）導(dǎo)致電機(jī)損壞的主要原因是堵塞和夾砂等，由于這種故障所引起的不均衡的壓力，使電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生損耗。

（2）電機(jī)燒毀的原因比較多，如保護(hù)器故障、液體供給不足、雜質(zhì)過多、頻繁啟動(dòng)等，都會(huì)引起電機(jī)過熱，進(jìn)而引起電機(jī)燒毀。所以，在保證設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，必須定期檢測(cè)潛油電泵系統(tǒng)，以防止電機(jī)出現(xiàn)故障[3]。

3 潛油電泵故障維修措施

3.1 電氣故障

（1）對(duì)于潛油電氣燒毀故障的維修，一般需要先檢查電源是否正常，再根據(jù)電源進(jìn)行電機(jī)的拆卸和組裝。首先要對(duì)電機(jī)進(jìn)行絕緣檢查，如果發(fā)現(xiàn)絕緣電阻低，可以采用浸漆處理來提高其絕緣性能；有打火現(xiàn)象，則要對(duì)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行清理，然后再用無酒精清洗干凈，最后采用專業(yè)的設(shè)備對(duì)電機(jī)進(jìn)行干燥處理，保證其干燥、清潔。

（2）對(duì)于潛油電機(jī)漏電故障，維修時(shí)首先也要查看電源是否正常，在確認(rèn)沒有問題后才可以進(jìn)行下一步操作[5]。然后檢查潛油電泵的外殼，如果發(fā)現(xiàn)有破損現(xiàn)象則要及時(shí)修補(bǔ)，確保其完好無損。最后再斷開開關(guān)并進(jìn)行測(cè)試，確保其工作正常。

（3）對(duì)于因堵塞和砂卡造成的故障，維修時(shí)應(yīng)注意以下兩個(gè)事項(xiàng)：一是在進(jìn)行維修時(shí)，可以先清洗電機(jī)內(nèi)部，然后清理掉電機(jī)內(nèi)部的雜物，堵塞比較嚴(yán)重時(shí)可以配合使用真空吸砂器和抽油機(jī)來提高潛油電泵的抽吸效率；二是清理電機(jī)的主軸，保證主軸的清潔，如果發(fā)現(xiàn)主軸有裂痕則可以將其更換。

3.2 離心泵葉輪故障

潛油離心泵的故障中，軸承損壞比較常見，維修時(shí)方法主要有兩個(gè)，一是更換新的軸承，二是修復(fù)軸承：磨損嚴(yán)重的軸承需要進(jìn)行更換，如果磨損不嚴(yán)重可以采用冷焊修復(fù)法進(jìn)行修復(fù)。具體維修步驟為：首先，將軸承清洗干凈，并將其晾干；其次，用細(xì)砂紙清除掉軸承內(nèi)部的研磨物，并用銼刀對(duì)其進(jìn)行打磨，直至軸承內(nèi)沒有研磨物；然后在軸套上涂一層石墨粉，并將軸套放入專用的設(shè)備中進(jìn)行加熱（一般情況下，經(jīng)過2～3 h后、當(dāng)軸套內(nèi)的溫度達(dá)到60～70 ℃時(shí)就可以將其取出并進(jìn)行打磨）；最后用細(xì)砂紙對(duì)軸套進(jìn)行打磨直到?jīng)]有任何痕跡為止[6]。

對(duì)于因軸磨損、軸斷裂、葉輪偏磨多引發(fā)的故障，可以針對(duì)性地采取以下維修措施：

（1）軸磨損。對(duì)于軸磨損的維修可以分為兩個(gè)步驟，一是從軸上拆下軸套，采用冷焊修復(fù)法進(jìn)行修復(fù)，將軸清洗干凈，并用銼刀將軸上的研磨物全部清除掉；二是對(duì)軸進(jìn)行重新加工。

（2）軸斷裂。軸斷裂后，首先需要將其拆卸下來，并用專用的工具對(duì)斷裂部分進(jìn)行清理；然后再對(duì)軸進(jìn)行打磨，使其表面達(dá)到一定的粗糙度；最后將軸重新進(jìn)行加工。

（3）葉輪偏磨。當(dāng)葉輪發(fā)生偏磨后，需要先將葉輪的表面清理干凈，然后利用專用工具進(jìn)行磨平處理。

4 結(jié)論

（1）由于堵塞和夾砂等引起的不均衡壓力，是導(dǎo)致潛油電泵電機(jī)故障的主要原因，而保護(hù)器故障、液體供給不足、雜質(zhì)過多及頻繁啟動(dòng)等，也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過熱甚至導(dǎo)致電機(jī)燒壞。

（2）潛油離心泵的常見故障有泵軸磨損、葉輪偏磨、軸斷裂等，其常見的電纜故障為電纜擊穿，原因包括化學(xué)、溫度和機(jī)械等類別。故障的維修措施有多種，如檢查電源是否正常、對(duì)電機(jī)進(jìn)行拆卸和組裝、進(jìn)行絕緣檢查和干燥處理、更換新的軸承或修復(fù)軸承（包括對(duì)軸斷裂、葉輪偏磨進(jìn)行維修）等。

（3）潛油泵井下電纜擊穿事故發(fā)生的概率較大，應(yīng)避免將其置于室外，并且在鋪設(shè)纜索時(shí)應(yīng)密切監(jiān)視纜索的運(yùn)行狀況等。