抽油机曲柄销装置失效分析及优化对策

2019-12-19许剑

设备管理与维修 2019年22期

许剑

（大庆油田装备制造集团吉林分公司，吉林松原 138000）

0 引言

游梁式抽油机是应用最为广泛的人工举升设备，主要传动装置为曲柄销，用于连接连杆和曲柄，实现动力传递使抽油机处于运动状态。抽油机在安装过程中会存在一定的误差，使曲柄销承受复杂的外力。抽油机举升设备在运行过程中，如果曲柄销出现断裂，会使连杆变形，游梁出现翻转，严重情况下会使井口装置受到严重破坏而引发安全事故，因此，必须保证曲柄销处于正常运行状态。

1 抽油机曲柄销装置失效原因

游梁抽油机曲柄销装置失效原因主要是曲柄销和锥套产生过度磨损、曲柄销出现脱扣或断裂、紧固螺母产生松动等。

1.1 曲柄销与锥套严重磨损

曲柄销破坏和失效都与磨损有着直接联系。锥套与曲柄销之间的连接需要较高的精度，制造过程中要保证曲柄销锥体具备一定的加工精度，此外，曲柄销硬度不均也会引起失效。测试油田采油作业现场取回的曲柄销样品，对引起曲柄销失效的原因进行分析，曲柄销硬度低更容易引起失效问题。

1.2 曲柄销断裂

曲柄销断裂多出现在垂直于轴线断面的螺纹根部位置，锥面小端和中部加工倒位部位。从强性桩、悬臂梁和外延伸断支梁等方面建立曲柄销受力模型。悬臂梁计算模型主要用于对低于钢芯曲柄体刚性方面进行计算和分析，曲柄销正常运行的前提是曲柄体、曲柄销和锥套可以实现很好地配合。要对弯曲静强度、疲劳强度进行计算和校核，从而使其达到设计的安全系数。抽油机使用过程中经常出现曲柄销断裂，由于在加工制造时没有选用科学合理的计算模型，这就要求建模时考虑弹性问题。合理的模型可以根据宽度面保证相互间实现良好接触，特别是保证曲柄销和锥套之间配合良好。锥度存在较大的差异，会使2 个锥面不断向着圆周方式产生接触，如果小端接触线变小，曲柄销受力就越严重。因此，必须要保证曲柄体、曲柄销和锥套具备很高的加工精度，避免对曲柄销使用寿命造成影响。

1.3 曲柄销脱扣

在交变荷载情况下，曲柄销会出现螺帽脱落，从抽油机内完全脱出，严重情况下会产生翻机事故。对曲柄销受力特性、螺母脱扣等进行分析发现，曲柄销松脱是由于存在较大的摩擦力矩，加工质量不高导致连接杆和曲柄销轴承一起转动，轴承会形成很大的摩擦力，形成的力矩使曲柄销紧固螺母形成的力矩与曲柄转动方向相反，造成螺母松脱。

1.4 曲柄销锁紧螺母松动

抽油机曲柄销失效原因中，锁紧螺母松动比较多见，主要原因：抽油机在正常运行条件下，曲柄销紧固螺母预紧力矩不足，主要是由于加工制造过程中，曲柄销配合锥面与标准圆锥面之间存在误差，两个配合面接触情况比较复杂，导致曲柄销锁紧螺母出现松动现象。实际运行时，连接杆存在着周期性作用力，曲柄销会出现晃动，锥面配合无法保证完全接触，在该种状态下，配合面预压紧力会不断变小，最终导致两者的配合失效。

由于摩擦力矩的存在，曲柄销会形成转动趋势，引起曲柄螺母与曲柄销共同转动。曲柄与曲柄销螺母相互间会形成反向力矩，紧固螺母可能产生松动。在更换曲柄销时，如果没有做好质量控制可能会产生右旋曲柄销安装错位问题，曲柄和曲柄销间形成摩擦力，曲柄销紧固螺母松动，引起曲柄失效，对装置的正常使用造成影响。

2 改进措施

2.1 曲柄销结构的合理设计

设计曲柄销结构时，需要合理提高直径尺寸，直径可提高到140 mm。加工曲柄销键槽时，应把锥孔套槽从原来的20 mm 变成3 mm。可以采用42CrMo 材料制作锥孔套槽以及曲柄销，保证硬度达到286～316 HMB，再进行调质处理以提升硬度和刚性，曲柄销结构如图1 所示。

2.2 提高生产工艺控制

加工曲柄销时，需要使锥面粗糙度达到0.8，使曲柄销锥面与锥孔套面接触面积达到80%以上，还应该加工达到90%以上的图纸匹配度，以提高曲柄销装置精度。应选用正扣右旋方式的旋向，使锥度比保证在1∶10。

2.3 装配质量控制

应保证曲柄销装配质量，使其保证相同的曲柄旋向，销螺纹右旋可以避免螺母产生松动，曲柄销拧紧螺母力矩≥1400 N·m，使轴承质量达到设计要求，减少不良配置引起的装配质量下降。

图1 曲柄销结构

2.4 其他改进措施

在抽油机运行过程中，需要加强巡检工作，检查曲柄销紧固螺母是否松动，发现问题应及时停机紧固，并检查是否存在损坏，如果损坏应进行换新。曲柄销锁紧主要采用3 个方式。

（1）双螺母锁紧。采有对顶的方式拧紧双螺母，让螺栓在旋合区段里受到拉力，从而对螺母施加压力，保证实现紧固的螺纹联接，使螺母实现纵向压紧。在对首个螺母进行紧固时，只需要达到设计力矩的80%，对第二个螺母进行紧固，使其达到紧固力矩。首个螺母螺纹只受到对顶压力，该种锁紧方式可以实现很好的自锁，但螺母规格型号都比较大，安装起来存在着较大的难度，紧固力矩不好掌握，放松时效果并不理想。此外，曲柄销会承受较大的载荷，曲柄在做圆周转动情况下，曲柄销和锥套处于圆锥面接触状态，依赖螺母实现锁紧，如果螺母松动会引起锥套和曲柄销圆周运动，引起曲柄销断脱。需要根据实际情况慎重选择。

（2）曲柄销带孔、开槽螺母配开口销锁紧。利用开槽螺母将曲柄销安装到指定位置，然后安装开口销。该锁紧办法可用在振动和交变荷载情况下实现可靠的锁紧效果，开槽螺母产生松动后不会产生曲柄销脱落。该锁紧方式需要在曲柄销螺纹中钻孔，加工过程中会施加应力从而对疲劳强度产生一定的影响，使用过程中会存在安全隐患。

（3）4 爪锁紧螺母和挡板压紧。采用4 爪螺母锁紧方式安装曲柄销时，需要采用3 个紧固螺栓实现对挡板的紧固，最后实现对4 爪螺母的限位。如果4 爪螺母产生松动，因为挡板限位的存在而不会脱落。在曲柄销端部紧固好螺栓孔，可以避免对曲柄销强度产生不利影响。该锁紧方式比较简便，方便安装，可以起到很好的锁紧效果，用于对曲柄销的锁紧，可以提高曲柄销的防松性能，防止对曲柄销结构造成破坏。