螺杆泵驱动装置光杆防飞结构优化设计

杨伟民，孙亮，孙双

（1.大庆油田水务公司，黑龙江 大庆163458；2. 中石化石油工程建设有限公司，北京100101；3.大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江 大庆163311）

0 引 言

螺杆泵采油作为一种有效地举升原油的工艺技术，其应用已日趋广泛，同抽油机和潜油电泵等采油设备相比，它具有体积小、安装方便、投资少、泵效高和能耗低等明显优势，特别是在稠油井、高含砂井、高含气井及聚合物驱等井上使用更能表现出良好的适应性。但是目前井上普遍应用的螺杆泵地面驱动装置[1]的反转刹车控制部分，无论是棘轮棘爪机械刹车，还是钳盘制动液压刹车，亦或是能耗电阻电磁刹车，在螺杆泵停抽检修或意外停电的情况下，在抽油杆柱存储的弹性势能及油管内液柱压差的双重作用下，抽油杆柱反向加速转动，此时若驱动装置的反转刹车控制部分一旦失效，高速旋转产生的离心力很容易将方卡子[2]和光杆从上支撑套甩出，不但会对采油系统造成破坏，还会对现场操作人员及周围的建筑物造成严重损伤。

1 驱动装置方卡子及光杆连接结构

螺杆泵地面驱动装置方卡子（如图1）是传递驱动装置转矩、承载整个杆柱载荷的专用装夹工具，为两片式对称结构，对合后由螺栓紧固在井口光杆上。方卡子内部设计有竖牙和横牙，安装时竖牙方向在上端，竖牙主要用于给整个光杆、抽油杆柱采油系统传递转矩，方卡子下端为横牙，横牙主要用于承载整个抽油杆柱及井液的重量。下端U形长槽卡在驱动装置上支撑套（如图2）上，方卡子通过4条螺栓与光杆紧固在一起，方卡子和上支撑套间无连接固定装置。

图1 方卡子

图2 上支撑套

作业时，方卡子安装于螺杆泵地面驱动装置（如图3）上端，用于将驱动装置产生的旋转动力通过光杆传递给抽油杆柱，带动井下螺杆泵旋转，依靠螺杆泵容腔的渐进效能，把井液举升到地面。

2 结构改进设计

图3 驱动装置结构示意图

原有结构的最大缺点是方卡子和上支撑套间无连接固定装置，驱动装置停机检修作业或意外停电时，一旦反转刹车控制失效，抽油杆柱高速旋转产生的离心力很容易将方卡子和光杆从上支撑套甩飞，为避免这种事故的发生，通过对驱动装置连接结构分析，有针对性地对方卡子和上支撑套结构进行优化改进设计[3]，将方卡子与上支撑套设计成紧固连接结构，为了防止方卡子飞出，在方卡子上增加连接装置，方卡子两端各钻一螺栓孔M12（如图5），并在上支撑套上端两侧铣扁处设计4个长槽4×16×26（如图7），长槽结构主要是便于防脱螺栓定位及防滑脱，为防止改后的上支撑套两侧原M10螺纹孔过长不便于现场安装，将M10螺纹孔设计成阶梯孔形状。设计4条高强度防脱螺栓（如图8），材质为35CrMo，将方卡子与上支撑套通过防脱螺栓牢固连接在一起，同时为防止防脱螺栓前端挤压使螺纹牙型变形，将防脱螺栓前端设计成光轴结构，这样防脱螺栓不但安装拆卸方便，而且不易损坏。改进后方卡子与上支撑套装配图如图9所示。采取这种结构设计后，现场应用能够完全避免方卡子与光杆飞出，减少伤害事故发生，大大提高了螺杆泵驱动装置的安全性。

图4 原方卡子

图5 改进后方卡子

图6 原上支撑套

图7 改进后上支撑套

图8 防脱螺栓

3 防脱螺栓力学计算

通过对采油井口的结构分析，螺杆泵地面驱动装置正常运转时，井口压力为1 MPa左右，洗井时压力最大，油套环空压力可达P=10 MPa，按照光杆直径φ38 mm计算方卡子和上支撑套间的防脱螺栓受力情况[4]：

螺栓机械性能等级为12.9；螺栓屈服强度σs=1080 MPa；受剪直径（螺栓小径）d0=10.106 mm；受挤压高度δ=6 mm；受剪面个数m=4；许用挤压强度[σp]=σs/1.25=864 MPa；许用抗剪强度[τ]=σs/2.5=432 MPa；横向载荷[FA′]=P·S=10×π×382÷4=11341.15 N；挤压强度σp=FA′/(d0·δ)=11341.15÷(10.106×6)=187 MPa；抗剪强度τ=FA′/[m·(π/4)·d0]=11341.15÷[4×(π/4)×10.106]=357.21 MPa。

校核计算结果：σp＜[σp]；τ＜[τ]。通过计算验证，防脱螺栓力学性能符合要求。

4 现场应用

相比原有方卡子和上支撑套连接结构，此优化设计在保证强度的同时，增加了方卡子和上支撑套间的限位装置，完全避免了驱动装置反转刹车控制失效时方卡子及光杆甩飞情况的发生，为螺杆泵驱动装置现场安全应用提供有力保障。截止到2019年底，采用此种设计的地面驱动装置现场应用200余套，实现产值760万元，现场零事故发生，得到操作人员的高度认可。

5 结 论

通过现场实际应用，改进设计后的地面驱动装置，相比原有上支撑套和方卡子连接结构，具有结构简单、操作方便的特点，使用安全、可靠性高，现场应用效果良好，为螺杆泵地面驱动装置在油田的大批量推广应用奠定了坚实基础。

图9 改进后方卡子与上支撑套装配图