石油钻井泥浆处理砂泵的失效分析及处理方法

2022-09-11

一般大中型钻机的泥浆净化系统都配有除砂泵、除泥泵、两到三台灌注泵、混浆泵和剪切泵。这些泵统称为砂泵。砂泵功率都在55kW、排量在200m3/h以上。泵功率大, 处理的泥浆含砂量大, 泵的工作条件恶劣, 泵的故障频率高、寿命短。而且没有砂泵的统一国家或行业标准, 不同批次不同厂家的砂泵安装尺寸都不一样。更换砂泵和更换泵的轴承、密封组件等易损件都很困难, 有必要认真讨论解决。

1 问题的提出及其原因分析

目前钻机配套用的砂泵失效的主要原因有三个, 叶轮和蜗壳等受含砂量大的泥浆冲刷而导致的机械磨损失效;机械密封或填料密封失效和轴承失效。对于机械磨损主要还是通过提高材料的耐磨性和降低泥浆的含砂量来解决。这里不做具体讨论。下面就密封和轴承失效原因进行分析。

现在市场上和在用的砂泵都采用的离心式砂泵, 其结构均为叶轮悬臂式支撑即外伸梁结构形式, 如图A。显然这种结构形式的受力状况很不好。

如图B所示, 设叶轮上的负荷力为P轴承A和B的支撑力分别为RA、RB叶轮到轴承B的距离为L2轴承A和B的距离为L1则:

L1和L2均不可能为零, 通常在250mm左右。所以RB始终大于P, 轴承B的受力最大最差。在实际使用过程中, 这副轴承的寿命也是最短的, 最容易损坏。

假如我们把叶轮安装在轴承A和B之间即为简支梁结构形式。其受力如图C所示, 则:P=RA+RB RAL/n=RB (L-L/n) RB=P/n RA=P (1-1/n) 。

显然这种结构形式对轴承B受力减少了许多。轴承的寿命将延长, 故障将减少。

再从轴上叶轮处的最大挠度Ymax分析比较上述两种结构形式 (图D) 。

设轴的弯曲刚度为E J则外伸梁的Y m a x为:Y m a x=-P L22 (L1+L2) /3EJ简支梁如图E所3示Ymax为:

下面根据现场实际使用的砂泵进行对比计算, 比较在两种情况下挠度值的差距。

从计算结果就可以很清楚的看到叶轮悬臂支撑的挠度是叶轮在两轴承之间的近9倍。

实际上轴承还有标准游隙, 标准游隙对这两种结构形式所产生的挠度值也不相同。设轴承的标准游隙为δ则:

外伸梁Ymax2为:Ymax2= (1+L2/L1) δ

简支梁Y m a x 2为:Ymax2=δ

内径50mm的深沟球轴承的零级游隙为0.023mm, 把它代入上式Ymax2= (1+=L2/L1) δ=0.046;Ymax2=δ=0.023。

外伸梁的总挠度为:0.046+0.136=0.182

简支梁的总挠度为:0.023+0.015=0.038

匀速定轴转动刚体的惯性力Qn=meω2, m为叶轮的质量, e为叶轮处的挠度, 可见挠度越大惯性力越®大, 泵的运转震动也越大。震动将直接引起轴承和机械密封等零部件的失效。

尽管砂泵轴的变形都在弹性变形范围内, 但挠度的大小直接影响了泥浆密封装置的密封效果。如果挠度大于填料的弹性变形量, 就会产生漏泥浆。

2 解决的办法

通过上面的分析, 要解决好砂泵的寿命和故障高发的问题, 应从下面几个方面加以改进。

(1) 认真研究叶轮、蜗壳的材料的耐磨性, 提高使用寿命。同时使用好振动筛, 提高振动筛的目数, 减少泥浆中的含砂量。 (2) 彻底改变砂泵结构, 将原来的叶轮悬臂支撑改为两端支撑。减轻轴承负荷, 减小挠度, 降低运转振动, 提高密封效果。 (3) 改进轴承、密封装置和叶轮等的装配方法, 便于更换这些易损件。可以在液力入口动力输出端加密封, 其静压力只有泥浆液面高度所形成的压力。砂泵运转过程中还更低, 形成负压密封。改善了密封条件。

皮带轮采用花键连接, 便于拆卸更换。两副轴承均装在花键套上, 同时与盘根盒形成一体, 卸掉盘根盒上的6只固定螺丝就可以轻松的将轴承和盘根密封整体换掉, 非常容易和方便。不再抬出砂泵、卸掉蜗壳、拔下叶轮等一大堆繁琐的工作。

3 结语

砂泵质量直接关系到除砂器和除泥器能否正常工作, 配制泥浆的工作效率, 以及泥浆性能的好坏, 也关系到泥浆泵的上水状况。从而影响到整个钻井生产。因此, 必须引起高度的重视, 提高质量和工作可靠度。

摘要:石油钻井用砂泵失效的原因主要是叶轮支撑上的不合理结构, 加大了挠度, 增强了运转振动。通过改变结构形式, 来提高砂泵的使用寿命。

关键词:石油钻机,砂泵,失效

参考文献

[1] 于新哉, 王志明, 王泽香, 等.特种杆式抽油泵结构优化设计[J].石油矿场机械, 2008, 37 (12) :71~74.