韩旭辉,王海军
(中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司,陕西西安 712000)
2300 型压裂泵车用于油气田深井和中深井的压裂施工作业,适合泵送带支撑剂压裂液的水力压裂、酸化压裂、高压泵入不同液体(CO2液体、混合液)以及压力测试等。由于压裂泵车在较恶劣的环境下工作,且在相对密闭的状况下开式运行,有诸多因素可造成台上风扇液压系统故障,损坏与失效经常发生,具有故障点隐蔽、部位不易确定等特点。
2300 型主压车的台上部件散热系统采用卧式结构的冷却系统,压裂车风扇液压系统主要由PTO(Power Take Off,动力输出装置)、变量柱塞泵、风扇液压电机及液压附件组成。通过车台柴油机前端取力,驱动多通道散热器风扇电机,风扇转速根据发动机和传动箱温度变化自动无级调速,也可采用手动控制方式。主控箱设置风扇转速控制手动和自动切换开关,也可以手动方式对风扇转速进行调节。液压系统包括油箱、滤清器、溢流阀、单向阀等,以确保系统的完整和功能化。液压系统各型泵和电机全部采用进口品牌,液压管线和接头都使用品牌产品。
功能及组成:风扇冷却系统为五部分提供冷却:车台发动机,压裂泵动力端润滑油,柴油发动机柴油,液力传动箱润滑油,节温器开启温度不超过85 ℃,为全车液压油提供冷却。
该套设备在投入生产前、初步调试使用后,针对调试验收阶段出现的故障问题汇总分析,发现车台变量泵故障为该套设备常见故障,共出现相同的变量泵故障6 次,其中2018 年出现2次,2019 年出现4 次。故障导致设备等停待修,现场不能及时解决,需要拆卸变量泵返厂维修,造成维修周期延长、维修费用增加,降低了设备的使用效率,影响生产进度。
该液压系统所使用的变量泵型号为力士乐A4VG180DT1/32L-NZD02F001P,该泵广泛应用于设备液压取力系统,是民用领域功能较先进的一种液压柱塞变量泵。
针对2300 压裂车现场使用中出现的多起变量泵故障,分析故障原因后提出解决方案和液压系统检查维护的基本方法,为压裂车散热系统长周期稳定运行提供保障。
根据2018—2019 年的使用情况,针对2300 压裂车变量泵损坏问题进行收集、分析,总结出损坏情况主要分为三类:①变量泵与花键套之间的盖板连接螺丝松动脱落频次较高(12 次);②变量泵花键轴与花键套损坏、磨损(6 次);③变量泵与发动机之间的连接齿盘损坏(2 次)。
通过对设备两年使用过程中变量泵出现的问题进行分析,连接螺丝松动占比60%,花键轴及花键套损毁占比30%,齿盘损坏占比10%(图1)。
图1 变量泵出现故障类型比例
变量泵发出异声且声音较大,基本可以确定是变量泵故障。一般是由于连接螺丝脱落,造成变量泵的花键轴、齿盘的花键孔磨损严重。
部分车辆故障为变量泵与齿盘的连接螺丝松动,需对变量泵与齿盘的连接螺丝进行紧固,防止脱扣。
变量泵花键与齿盘花键孔不啮合,可以确定花键轴和花键孔已磨损,由于两者不啮合,如果未及时发现,磨损严重可能会造成固定螺丝无法拆卸。
2.2.1 变量泵部件材料硬度分析
查询变量泵设计要求,对花键轴及轴套等进行硬度试验,经测定变量泵花键轴表面硬度4~56.5 HRC(要求硬度49.1~52.3 HRC),轴套表面硬度29.4~31.2 HRC(要求硬度29.2~34.2 HRC),花键轴及轴套硬度符合技术要求,但是花键轴表面硬度高于轴套表面硬度。
两者表面硬度均符合要求,且花键轴表面硬度更高,出现故障时首先磨损花键套,有利于保护变量泵花键轴不受损坏。
2.2.2 变量泵安装形式分析
2300 压裂车变量泵安装在发动机飞轮端,变量泵花键轴通过轴套与齿盘连接,两者之间通过螺丝连接,齿盘与发动机飞轮端内齿盘啮合传输动力。
通过对安装结构分析,花键轴与轴套之间采用一根螺丝进行连接,该螺丝无锁紧装置,且为正扣。发动机带动变量泵运转过程中,连接螺丝因振动等因素出现松动,导致花键轴与轴套出现轴向位移,啮合部位变小,单位面积受力变大。同时花键套在运转过程中会出现径向位移,导致花键轴与轴套不同心。轴向及径向应力不均匀,在高转速下,加剧了变量泵花键轴及轴套的磨损。变量泵失效,风扇马达驱动失效,风扇停转后,台上散热系统出现高温现象。
2.2.3 部件结构分析
通过拆解查看,变量泵花键轴与轴套只有1/2 啮合工作,在连接螺丝松动或脱落时,由于轴向位移导致啮合面积变小,花键轴及轴套单位面积受力变大,极易导致磨损。
(1)变量泵本体及花键轴本身并无问题,且在多次故障中周变量泵本体未出现故障,该型号变量泵应用广泛,设备生产厂家及维修人员对泵的质量都进行过验证,可以排除变量泵质量问题。
(2)变量泵损坏时均出现连接螺丝脱落现象,且螺丝脱落后会引起轴套轴向、径向位移,导致啮合面积减小,啮合部位受力不均,加速花键轴与轴套磨损。
(3)变量泵花键轴为成品件,与轴套只有1/2 相互啮合工作,螺丝松动使啮合面积进一步减小。
(1)花键轴与键套啮合面过短,间隙配合面仅前半部分啮合,啮合面承受较大的径向力,加速花键轴及轴套的磨损,造成配合间隙增大,影响变量泵的使用寿命。
改进措施:按设计要求重新加工花键轴,加大花键轴与轴套的接触面积,可以降低单位面积的受力,延长花键轴及轴套使用时间。
(2)改进花键轴与轴套连接形式,可以通过增加锁片、挡板,将连接螺丝设计为反扣形式,避免变量泵使用过程中螺丝松动现象,从根本上解决变量泵损坏频繁的问题。
(3)原压裂车联轴器主要材质为橡胶。在野外环境中,保养不到位会影响动力传递的稳定性和使用寿命。联轴器为进口产品,采购周期长、价格高。
如将传动方式改造为传动轴万向节连接,结构简单、运行可靠、传动效率稳定,在日常维护和更换时更加方便快捷,使用寿命大幅延长。同时采用国产材料,维修更加容易,采购周期缩短、性价比高。
液压系统常见故障为液压泵磨损和溢流阀故障。
(1)液压系统压力检查。散热系统无压力,检查液压泵和PTO,判断是否由于进油回油管路、滤清器、单向阀、节温器等堵塞引起。
(2)溢流阀、冲洗阀工作是否正常。因为压力油路中的某个溢流阀主阀芯阻尼孔堵塞、主阀芯复位弹簧断裂或卡死、锥阀调节弹簧断裂、锥阀破损,使溢流阀处于回油位置,致使压力油路与溢流回路相通,液压油直接流回油箱。
(3)变量柱塞泵输出液压油量是否正常。可从液压系统源头查找,首先检查PTO 和变量柱塞泵连接部分是否正常,排除动力的原因;检查变量泵有无液压油输出,判断液压系统泵体是否有铸造缺陷(砂眼),使吸油腔与压油腔相通,丧失增压能力;输入功率不足使输出油压达不到工作压力或不能输出油等。
(4)变量柱塞泵电磁阀工作是否正常。检查电磁阀供电信号,电磁阀供电电压为0 时,可判断变量柱塞泵故障主要原因是泵的电磁阀不工作。
(1)定期紧固。工作中由于设备振动、液压冲击等原因会造成松动,应定期紧固。
(2)定期保养更换滤芯。一般每两月清洗一次,工作环境恶劣的,周期应适当缩短。
(3)油箱底部的污物应定期清洗。环境粉尘较大,周期适当缩短。
(4)及时补充及清洁液压油。
(5)定期强制过滤、更换液压油和密封件。