抽油泵故障树分析

　　提要抽油泵在工作过程中受到砂、蜡、应力、腐蚀介质等的作用, 致使某些零部件早期损坏, 严重影响了抽油泵的使用寿命。本文分析了影响抽油泵失效的各种因紊, 建立了抽油泵故障树, 并对其故障树进行了定性分析和定量计算, 求出了故障树的最小割集和系统在工作时部件的概率重要度、关键重要度和系统顶事件发生的概率。

　　在此基础上, 对影响抽油泵寿命的各主要因紊进行了分析, 并对其改进措施进行了探讨。

　　主题词抽油泵可靠性分析故障树分析前言:抽油泵采油是国内外机械采油的主要方法川。抽油泵实际上相当于单作用柱塞泵的水力部分, 由四个主要零件组成: 柱塞、工作筒、进油阀和出油阀。由于它是在井下工作, 连接在油管下端或固定在油管内部, 所以其外廓尺寸受到油管内径的限制。

　　抽油泵在工作过程中受到砂、蜡、气、油及各种腐蚀介质的伤害及应力的作用, 导致泵的各种损坏, 因此需要修井检泵。目前抽油泵工作中存在的主要问题是: 进油阀失效(进油凡尔球失效、凡尔座失效、凡尔罩失效) , 出油阀失效, 柱塞失效( 受卡阻、漏失) , 工作筒失效, 人为因素影响等等, 而每个因素又有许多因素的影响。可见, 抽油泵的故障模式直接受结构设计、泵组零件的材质、制造工艺、使用工况等因素的影响。一旦抽油泵出现故障, 就会直接影响原油的生产,因此, 有必要对抽油泵系统进行可靠性分析, 找出对抽油泵寿命影响的定性和定量关系的诸多因素。确定其薄弱环节, 从而提高抽油泵的工作寿命。

　　2 抽油泵故障树的建立抽油泵有管式泵和杆式泵两类。现仅选择常用的管式泵, 对其进行故障树分析。

　　本故障树选择抽油泵失效作为顶事件。所谓抽油泵失效, 是指抽油泵系统、装置及其零部件在工作过程中损坏以及由于其它原因而导致其不能正常发挥功能的情形。并根据收集的有关资料, 我们分析得到抽油泵失效主要包含四个方面: 进油阀失效, 出油阀失效, 柱塞失效和工作筒失效。

　　进一步分析, 引起进油阀失效的原因有漏失严重、进油阀卡堵、进油阀断脱; 引起出油阀失陈琳, 19 8 2 年毕业于大庆石油学院, 1 9 9 3 年获华中理工大学博士学位。现为中国矿业大学北京研究生部博士后。

　　4 6 石 油 学 报 第 6卷 抽油泵失效+ 、 0 G 进油门失效出油阀失效柱塞失效工作筒失效△ △ + 、 0 G 断脱肠重严失 卡堵封G o 6 的G7 0 G0凡尔座松动 . 严砂卡重 副破碎阀 严蜡重卡 他其卡物 .堵油孔通 松脱头接革 接断头损力差介压质 当不井洗作操 介枯度质 大间过陈〕 a : 日) ) i 日刃 3 川洲) 4 川刃 5 田〕) 印0 州卫) 9 O 生0 B】l o( ) a月失严改卡堵断脱上日一失严, 下阀翻失严重闷上 质介 卜间l 压 阀隙差间大大陈大腐变腐蚀形蚀磨严绮捆电损严严胜吸( b )

　　抽油泵故障树分析1 4 7间除过人变形严争 脚蚀吟严币 球脚蚀严龟 检泉不合艳今乍, 失效卜人翻阻为失因严嵌币蜡哑卡隙严1币布向J,度件, 胭蚀偏- 考范月卜气j s ) ( B. 3 6 ) ( B` . 3了) ( 叫3 8工作简失效G O0 5外管失效衬套失效封G o l s 士, G o l 6外管弯曲上「夕暗接箍松动严蚀损腐重磨 乱套衬 槽拉 B 0 3 1G 0 2 1B U3 2 B t) 3 3 B 0 3 4受加附 扭矩动转 化沮变度 液蚀腐 接连头蚀紧力预 荷变载B 0 4 5 0B 4 6 110 4 8 B 0 4 9( d )

　　抽油泵故障树( a、b、e、d )

　　F a u l t t r e e o f o : l一w e l l p u m p石油学报第6 1卷效的原因有出油阀的漏失、出油阀的卡堵、出油阀的断脱; 引起柱塞失效的原因有柱塞卡阻、人为因素影响, 漏失严重; 引起工作筒失效的原因有外管失效和衬套失效。

　　如此继续, 直至追溯到不能再分解或不必再分解的基本事件。然后按各事件之间的逻辑关系, 将各事件用逻辑门联系起来, 即得到抽油泵的故障树。本故障树共有23 个逻辑门,57 个基本事件, 如图1 所示。

　　3 抽油泵故障树定性分析与定量计算3.

　　1 定性分析故障树定性分析的任务就是求出故障树的全部最小割集。由于全部最小割集反映了系统的全部故障模式, 所以全部最小割集又称之为系统的故障谱。

　　本故障树运用清华大学研制的故障树系统分析软件包F T A S 进行分析。

　　求取最小割集采用的是F us s e n 算法。

　　该算法的基本原理是沿着故障树由顶向下的各个分枝进行分解。

　　与门增加割集的容量, 或门增加割集的数量,直到全部的逻辑门都置换为基本事件为止。

　　对抽油泵故障树进行处理的结果, 得故障树共有割集46 个, 割集最大容量为7 个基本事件。

　　.3 2 定t 分析) 3〕故障树的定量分析一般包括顶事件发生概率的计算及重要度分析。

　　设已求得故障树的所有最小割集C l , C : , … ,C * , 并且已知基本事件X , ,X : , … , X , 发生的概率, 则顶事件T 发生的概率尸( T ) 为走P ( T ) 一尸( U C` ) - 习尸c(『) 一艺尸( c 刀, ) + … + ( 一1 ) ` 一` p ( n C,) ( 1 )

　　1成, ( j 蕊h由于一般基本事件的发生概率均很小, 故上式近似取第1 项即可。

　　重要度分析计算是故障树分析的重要组成部分。重要度是指一个部件或者系统的割集发生失效时对顶事件发生概率的贡献。本文讨论了抽油泵故障树的概率重要度和关键重要度。

　　概率重要度是系统的失效概率, 即顶事件发生的概率对某个部件发生的概率的偏导数。它代表部件X , 失效概率对顶事件发生概率变化的贡献。

　　设基本事件X , 发生的概率为Q : 一尸( X ,)

　　, 顶事件发生的概率为g ( Q ) = g ( Q : ,Q Z , … ,Q, ) = P ( T ) ( 2 )

　　则基本事件X , 的概率重要度为△g电( Q )

　　刃( 3 )

　　概率重要度虽然反映了基本事件概率变化对于系统概率变化的贡献, 但是不能反映出不同基本事件概率改进的难易程度差别。

　　关键重要度考虑到如下事实: 改善较可靠的部件比改善较不可靠的部件更困难, 提高系统的可靠性一般应改进系统最薄弱环节。定义基本事件X 、的关键重要度为一个比值, 是第i 个基本事件发生的概率变化率所引起的系统故障的概率变化率I 厂R = 1im阅~ 。

　　△ g ( Q ) / g ( Q )

　　△Q,/ Q.

　　ag (Q )

　　刃、Q,g ( Q )

　　一△g ` · Q ,g ( Q )

　　( 4 )

　　根据大庆油田收集的抽油泵失效数据及综合有关专家意见, 得到抽油泵故障树的有关基本事件失效数据, 如表1。

　　第3 期抽油泵故障树分析1 4 9表1 抽油泵故障树墓本事件失效率T a b l 1 F a lu ri r a t o bfa s i n t s o rf a uf l t t r o 0 f11 一ll P u m P基本事件代号B 0 0 4B O O B OO 6B O O 7B O 0 8B 0 0 9B 0 10B O l lB 0 1 2B 0 4 3B 0 2 1B 0 2 2基本事件名称 失效率 1 1 。` l1 h基本事件代号 失效率 1 l o 6 h 70101010· 1031… 进油阀砂卡严重进油阀阀副破碎进油阀蜡卡严重进油阀其它物卡进油阀罩通油孔堵进油阀罩接头松脱进油阀罩接头断裂进油凡尔座松动出油阀蜡卡严重柱塞腐蚀偏磨引起漏失洗进操作不当柱塞蜡卡严重3 O1 0 01 0 0l Ol O1 01 00 ll 0B 0 2 3B 0 2 4B 0 2 B 0 2 6B O3 1B 0 3 2B 0 3 3基本事件名称柱塞砂卡严重柱塞其它物卡柱塞未人工作筒柱塞防冲距过小工作筒外管弯曲工作筒腐蚀磨损严重衬套乱、错位B O 4 4 柱塞拉槽引起漏失1 O抽油泵故障树定量分析结果如表2 所示。

　　表2 抽油泵故阵树定t 分析结果T a b l 2 Q u a n t t a i f i a n a ly s s ri s u l t s o fa uf l t t r o 0 f11 一l l P u m P顶事件概率。. 2 0 9 9 任 务 时 间 6 o d 事件号刀B 0 2 3B0 33B 0 32B 0 10B o l ZB 0 2 2B 0 2 4B 0 2 B 0 2 6B 0 0 9B 0 1 1B o l 3概率重要度关键重要度关键重要度0 .

　　8 4 9 60 .

　　8 1 4 0 .

　　8 0 2 10 . 7 9 8 10 . 7 9 8 10 . 7 9 8 10 . 7 9 8 10 . 7 9 8 10 . 7 9 8 10 . 7 9 4 10 . 7 9 4 10 . 7 9 4 10 .

　　2 8 3 30 . 1 16 4B o l 4B 0 1 B 0 1 6B 0 1 7B o l sB o l gB O Z OB 0 3 4B 0 2 1B 0 3 1B 0 0 3事件号0 . 7 9 4 10 . 7 3 3 只 1 0 一 1 0.

　　3 8 0 2 X 1 0 一]0 . 3 8 0 2 X 1 0 一]0 . 3 8 0 2 只1 0 一l0.

　　3 8 0 2 X 1 0 一10 . 3 8 0 2 又1 0 一10 . 3 8 0 2 X O 一I l0 . 1 8 9 2 只1 0 一10 . 1 8 9 2 X 1 0 一l0 . 1 8 9 2 只1 0 一10 . 7 9 4 10.

　　7 9 4 10 .

　　7 9 4 10 . 7 9 4 10.

　　7 9 4 10 . 7 9 4 10 . 7 9 4 10.

　　7 9 0 90 . 7 9 0 90.

　　2 3 7 0 X 1 0 一7概率重要度0 .

　　18 92 X O一I ]0 .

　　18 92 X 10 一10 . 18 9 2 X O 一I 10.

　　18 9 2 又10 一10 . ] 8 9 2 X 1 0 一l0.

　　1 8 9 2 X 1 0 一10 . 1 8 9 2 又1 0 一l0 . 1 8 9 2 义1 0 一10.

　　3 7 6 8 义1 0 一20.

　　3 7 6 8 又1 0 一20 . 6 4 7 火 1 0 一 9 4影响抽油泵寿命主要因素及相应的改进措施〔` 一6 〕由故障树的定量分析得出, 影响抽油泵寿命的主要因素有工作筒内发生砂堵和柱塞与衬套的偏磨, 固定凡尔座刺坏、砸坏, 衬套错位, 固定凡尔砂卡, 泵内存杂物, 凡尔罩断裂, 泵脱及漏失等。下面就对这些因素对抽油泵工作的影响及采取的措施进行初步探讨。

　　1 砂影响及采取的措施砂是造成柱塞偏磨和卡泵的主要原因, 可采取两方面的措施, 一方面要“ 防砂” , 另一方面石 油 学 报 第 6卷 要提高柱塞与衬套, 阀与阀座的表面耐磨性, 合理地确定柱塞和衬套的间隙。

　　1 防砂尽量使砂少进泵, 或者当含砂液排出泵外时, 不再沉淀于柱塞和衬套的间隙内。

　　为此可采取以下措施:( 1) 装砂锚及在泵的吸油部分装滤器。

　　( 2) 采用防砂的泵结构。可用动筒式方案, 也可采用防砂阀和涡流发生器等结构。

　　2 提高构件间的耐磨性( l) 提高柱塞与衬套的耐磨性。

　　( 2) 提高阀球与阀座的耐磨性。

　　( 3) 合理地确定柱塞与衬套的初间隙。

　　断裂破坏及预防所谓“ 泵断” , 是指抽油泵上游动凡尔罩早期断裂。泵断的预防方法可采取加厚阀室壁厚,对上阀罩内、外进行镀镍处理, 制作成加厚镀镍防腐耐磨阀罩。

　　3 泵脱破坏及预防抽油泵的上、下游动凡尔与柱塞螺纹联接部分脱扣称为泵脱。发生泵脱的原因有以下几个方面:( 1) 阀与柱塞的联接螺纹, 在动载荷下导致锁紧松驰而掉脱。

　　( 2) 受附加扭矩作用而脱扣。由于中位点以下的抽油杆柱的纵向弯曲川, 以及管理不善造成砂、蜡等卡阻加剧纵向弯曲, 产生附加转动扭矩, 该扭矩使联接螺纹由紧逐渐变松, 直至脱落。

　　( 3) 腐蚀液腐蚀联接螺纹造成脱扣。

　　泵脱的预防方法除加强油井的维护管理外, 可采用抗腐蚀性强的金属粘接剂粘住阀、柱塞的联接螺纹。

　　4.

　　4 泵漏及预防泵漏是指抽油泵的阀副早期丧失密封性能而漏失, 或由于柱塞与衬套之间的配合间隙早期增大而漏。

　　( 1) 预防阀副漏失, 可采用研磨砂研磨阀副, 直到完全密封。

　　( 2) 预防柱塞与衬套间隙增大而漏失, 可采用下面几种不同的喷镀方案: 衬套内孔镀铬,柱塞喷涂镍基合金; 衬套内孔镀镍, 柱塞镀铬; 衬套内孔镀镍铁钨合金, 柱塞镀铬; 衬套内孔镀镍铁钻合金, 柱塞镀铬; 衬套内孔镀镍铁钻合金, 柱塞镀镍铁钨合金。

　　5 结论1. 在油田现场调研的基础上, 分析了影响抽油泵失效的各种因素, 建立了抽油泵系统故障树。这对于抽油泵的设计、制造、维修、管理、使用人员具有一定的参考价值。

　　第 期 抽油泵故 障树分析 2. 对所建故障树进行了定性分析与定量计算。

　　求出了故障树的最小割集, 计算了抽油泵故障树的顶事件发生概率及概率重要度和关键重要度, 找出了影响抽油泵寿命的主要因素。

　　3.

　　探讨了影响抽油泵寿命的主要因素对其工作的影响及采取的改进措施。

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