一种液压拆卸技术在油气田中的应用

张天龙

中海石油(中国)有限公司上海分公司 上海 200335

1 技术背景

某海上油气平台选用德制自吸式双螺杆作为原油外输泵，将生产分离器中的油相油液加压后注入外输海管。该容积式双螺杆泵的泵送元件由两个转子组成，转子在共同的泵壳内运行，并且内部间隙很小。转子与转子，转子与内衬之间形成密封腔，轴向输送液体至排出口。该泵采用双轴流向布局提供了轴向液力平衡设计[1]。外部正时齿轮将所需的驱动扭矩传递给从动螺杆，避免泵送元件之间发生接触。螺杆两端的每一个轴上的机械密封将泵送液体和外部的轴承和定时齿轮密封隔开[2]。该泵要求运输介质压差范围在1.5～16bar 之内，不能长时间在无压差的工况下运转，不能干运转，且工况稳定运行3～5 年后，需安排解体检查和腔体清洁，并更换机封、轴承、其他静密封件。

2 常用轴承拆卸工艺

2.1 击卸法

击卸法是一种最简单、最常见的拆卸方法。此法简单易行，但容易损伤轴承。它是借锤击的力量，利用锤敲击铜棒或软铁时产生的冲击能量，使相互配合的零件产生位移而互相脱离，达到拆卸目的的一种拆卸方法。

2.2 拉拔法

采用此法时，一般选用通用拉马或根据被拆件设计专用拉马拆卸。拆卸时，只要旋转手柄，轴承就会被慢慢拉出。一般油气田中常见的多将拉马两脚钩住轴承内圈进行拆卸，丝杆要对准轴的中心孔，不得歪斜。

2.3 顶压法

利用机械式压力机、液压压力机或千斤顶等工具和设备进行拆卸。该方法工作平稳可靠，不易损伤机器和轴承。适用于拆卸过盈配合的轴承。使用时要注意压力机着力点应在轴的中心上，不得压偏。

2.4 温差法

温差法是利用材料热胀冷缩的性能，使配合件在温差条件下失去过盈量，实现拆卸。该法一般采用与轴承相配套的专用电加热器。

3 液压拆卸技术的设计与应用

3.1 轴的加工

用车床上在轴承轴颈处加工一宽度为3mm，深度为0.30mm 的油槽;接着用直径为6mm 的麻花钻在轴中心处沿轴向加工油孔，孔深200mm;然后用直径为2mm 的麻花钻在油槽处沿径向开通孔。为防止油道被滑油杂质堵塞，利用轴上原有的M10 中心螺孔，安装一锁紧螺钉保护油道。

3.2 轴的强度校核

该泵由电机驱动，电机额定转速为3000r/ min，额定输出功率为178.6kW，最大输出功率为199.2kW。泵的主动螺杆与电机之间通过靠背轮和弹性膜片联轴器连接。该泵采用双轴流向布局提供了轴向液力平衡设计。所以泵的主动和从动螺杆均只受扭矩作用且大小相等,无脉动循环压力。主动螺杆和从动螺杆均采用材质为35CrMo 的实心棒料加工而成，轴承轴颈直径为65mm，靠背轮处轴径为55mm，键槽宽16mm，深6mm, 长85mm。加工后的载荷分布及应力集中部位可知加工完成后轴的危险截面在主动螺杆驱动端A- A 与轴承轴颈B- B 处，现对这两处进行强度校核。

3.2.1 空心轴扭转强度计算

空心轴扭转强度计算如式（1）所示。

轴的材料为35CrMo，调质处理。由机械设计手册[3]表5- 1- 1 查 得：σb=750MPa；表5- 1- 19 查 得：A=97，α=0.1。所以根据式（1）可求得dmin=39.28mm。

因为截面A- A 处安装单键连接的靠背轮，所以应将求得的最小轴径增大5%。

即dmin' =dmin（1+5%）=41.244mm＜55mm,所以该轴轴向钻完直径为6mm 的油孔后强度仍满足设计要求。

3.2.2 疲劳强度安全系数校核

疲劳强度安全系数校核如式（2）—（4）所示。

式中：Sσ——只考虑弯矩作用时的安全系数；

Sτ——只考虑扭矩作用时的安全系数；

Sp——按疲劳强度计算的许用安全系数，查机械设计手册[4]表5- 1- 26 得Sp=1.6；

σ-1——为对称循环应力下的材料弯曲疲劳极限，查机械设计手册[3]表5- 1- 1 得350MPa；

τ-1——对称循环应的材料扭转疲劳极限，查机械设计手册[3]表5- 1- 1 得200MPa；

Kσ、Kτ——弯曲和扭转时的有效应力集中系数，具体数值查机械设计手册[3]表5- 1- 30 得横孔处Kσ=2.05，Kτ=1.85，配合处Kσ=2.73，Kτ=1.96，由表5- 1- 32 得环槽处Kσ=1.77，Kτ=1.52，故均取配合处；

β——表面质量系数，具体数值查机械设计手册[4]表5- 1- 36 得；

ψσ、ψτ——材料拉伸和扭转的平均应力折算系数, 具体数值查机械设计手册[3]表5- 1- 33 得ψσ=0.34，ψτ=0.21；

εσ、ετ——弯曲和扭转时的尺寸影响系数，查机械设计手册[3]表5- 1- 34，得εσ=0.68，ετ=0.74；

σα、σm——弯曲应力的应力幅和平均应力，具体数值查机械设计手册[3]表5- 1- 25，可得σα。因为该轴装有弹性联轴器，由于安装误差和弹性元件的不均匀磨损，将会使轴及轴承受到附加载荷M' =K'T，K' 为系数，查表5- 1- 23 得K' =0.07；为传递扭矩，经计算得T=634.12N·m；Z为轴危险截面的抗弯截面系数，查表5- 1- 27 得轴向油孔截面处Z≈26.959cm3，所以油孔截面处σα≈1.647MPa；横孔截面处Z≈166.944，所以横孔截面处σα≈0.266MPa，σm=0；τα、τm——扭转应力的应力幅和平均应力，具体数值查机械设计手册[3]表5- 1- 25 可得τα。Zρ为轴危险截面的抗扭截面系数，查表5- 1- 27 得轴向油孔截面处Zρ=53.918，所以油孔截面处τα≈11.761MPa；横孔截面处Zρ≈339.712，所以横孔截面处τα≈1.867MPa，τm=0。

由式（2）—（4）计算可得油孔处疲劳强度安全系数：Sσ≈127.192，Sτ≈13.027,S≈12.959＞Sρ；横孔处疲劳强度安全系数：Sσ≈787.539，Sτ≈82.065，S≈81.62＞Sρ。

由上述可知，计算安全系数均大于许用值，故轴的疲劳强度足够。

3.2.3 静强度安全系数校核

静强度安全系数校核公式见式（5）—（7）。

式中：σS——材料的拉伸屈服点，查机械设计手册[4]表5- 1- 1，得σS=550MPa；τS——材料的扭转屈服点，一般取（0.55～0.62）σS，此处取0.6σS；Mmax,Tmax——轴危险截面上的最大弯矩和最大扭矩，N·mm。

所以，按式（5）—（7）计算可得油孔处静强度安全系数：SSσ≈166.97，SSτ≈14.03，SS≈13.98＞SSρ；横孔处静强度安全系数：SSσ≈1033.83，SSτ≈88.38,SS≈88.06＞SSρ。

由上述可知，计算安全系数均大于许用值，故轴的静强度足够。

3.3 液压泵打压压力计算

式中：r1——滚动轴承内圈的外半径基本尺寸，mm；

r2——结合半径，mm；

r3——轴的内半径基本尺寸，mm；

v1——滚动轴承内圈的泊松比；

v2——轴的泊松比；

E1——滚动轴承内圈的弹性模量，MPa；

E2——轴的弹性模量，MPa；

Ymax——配合实际最大过盈量。所以，由式（8）可得：P≈35.66MPa。

4 结论

经设计优化采用液压拆卸技术后，利用液体的不可压缩的特性去拆卸轴承，将带压的液压油沿轴圈油槽均匀分布，使得轴承内圈受力均匀，拆卸省力，原油外输泵主、从轴及其相关部件也得到了充分保护。拆卸下来的轴承没有器质性损坏，还可以继续使用，节省了备件采购费用，一举多得。且该方法适用范围广，即使在对热工作业要求严格的油气田作业现场也可以拆卸轴承，大大缩短了维修时间，提高了维修效率，保证了维修质量。