GBT 21411.2-2009 石油天然气工业井下设备 人工举升用螺杆泵系统 第2部分：地面驱动装置.pdf

I C S7 5 ．1 8 0 ．1 0 E9 2 酉亘 中华人民共和国国家标准 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 石油天然气工业井下设备 人工举升用螺杆泵系统 第2 部分地面驱动装置 D o w n h o l ee q u i p m e n tf o rp e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a si n d u s t r i e s - - P r o g r e s s i n gc a v i t yp u m ps y s t e m sf o ra r t i f i c i a ll i f t P a r t2 S u r f a c e - d r i v es y s t e m s I S O1 5 1 3 6 2 2 0 0 6 ，P e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a si n d u s t r i e s - - P r o g r e s s i n gc a v i t yp u m ps y s t e m sf o ra r t i f i c i a l1 i f t P a r t2 S u r f a c e d r i v es y s t e m s ，M O D 2 0 0 9 - 0 4 - 0 2 发布2 0 1 0 - 0 卜0 1 实施 丰瞀粥紫瓣警雠瞥鐾发布中国国家标准化管理委员会况1 9 G B ／T2 1 4 11 ．2 2 0 0 9 目次 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 规范性引用文件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 术语和定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 4 缩略语⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 性能规范⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 技术规范⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 供应商要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 8 维修⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 9 装运准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ l o 产品应用变更⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附录A 资料性附录 设备选择指南⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附录B 资料性附录 用户使用情况调查表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附录C 资料性附录 刹车系统评价方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附录D 资料性附录应用于螺杆泵的抽油杆的选择和使用 附录E 资料性附录 操作指南⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附录F 资料性附录 安装指南一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 附录G 规范性附录橡胶与非金属材料要求⋯⋯⋯⋯ 附录H 资料性附录 刹车系统测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ I ●●0 0 i o “ n H坫“胛n∞踮”∞ 刖昌 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 G B ／T2 1 4 1 l 石油天然气工业井下设备人工举升用螺杆泵系统分为二个部分 第l 部分泵； 第2 部分地面驱动装置。 本部分为G B ／T2 1 4 1 1 的第2 部分。 本部分修改采用I S O1 5 1 3 6 2 2 0 0 6 3 3 ℃ 9 0 下 高的紫外线辐射 灰尘或砂环境 特殊环境或安全提示地区 危险区域级别 初始温度 一4 0 ℃ 一4 0 下 相对高的湿度 高露点 垂直方向上的偏移 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 1 6 盐雾地区 噪音考虑 相关井口设备的匹配性 最终用户应标明尺寸、形式、材料、结构和驱动系统与其他井口设备之问的连接接口尺寸，例如 密封盒 光杆 井口 其他 通过产品的其他产品的尺寸、形式和结构，如光杆，抽油杆等 其他使用或连接使用的产品的尺寸、形式和结构 井口安装角 原动机接口要求 质量控制文件级别选择 选择下列其一 C ．1 总则 附录c 资料性附录 刹车系统评价方法 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 本附录提供了在特殊应用下评价地面驱动装置的刹车系统性能的一种方法。刹车装置性能的评价 基于反转的速度和持续时间，以及地面驱动装置温度的升高和聚积的残留能量。依照特殊井的结构，刹 车性能和井的操作条件应加以详细说明。评价刹车性能的其他方法也可以采用。下面介绍的方法描述 了在评价这些系统时应考虑最基本的工程方法。这些模型的输出会对评价刹车系统是否能应用在一个 特殊的场合有所帮助。 能量的储存和储存速度是许多因素共同作用的结果，在反转时它可从生产系统中释放出来。能量 释放的速度限定了对刹车系统的要求。因此，用一种反转过程的全面的数学模型去确定各种应用下的 地面驱动装置的刹车系统的要求是有必要的。按6 ．3 ．2 所提供的信息这种分析能被使用者或购买者或 供应商或制造商所完成。 在正常工作过程中，螺杆泵地面驱动装置中储存了大量的能量。当井由于某种原因停机时，储存在 驱动杆柱中的扭转弹性能量和作用在生产管柱上的流体势能需要释放，它们将反向旋转驱动杆柱和地 面驱动装置里的旋转件。通常，在地面驱动装置里安装一个刹车装置来安全地释放掉储存在生产系统 里的能量。刹车系统应做到 一⋯一限制反转的速度以使地面驱动装置或生产系统里没有部件超过它的额定转速； 一限制反转的持续时间使油井工作冲击最小化； 在反转结束时使储存在地面驱动和生产系统里的能量最小； 从生产系统里消耗或吸收释放的能量，不会使地面驱动或生产系统里的任何零件温升超过如 I s O6 1 8 4 或E N1 3 4 6 3 等国家或国际标准里规定的易爆气体环境的温度。 C ．2 反转过程的理论模型 c ．2 ．1总则 反转发生在两种不同的情况下卡泵或正常停机时。关于这两种情况的理论模型在c ．2 ．2 和 C ．2 ．3 中介绍。公式中所用到的符号的定义可以在表c ．7 中找到。 c ．2 ．2 卡泵 在这种情况下，因为泵被卡住，生产油管的流体不能通过泵流回油层环空。释放的能量仅是储存在 驱动杆柱上的扭转弹性能量。卡泵情况的物理模型通过一个圆盘弹簧系统表现，如图C ．1 所示。 b s R U 1 弹簧。 图c ．1 卡泵 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 卡泵情况下反转转矩仅为储存在驱动杆柱上的转矩r 。该转矩在反转过程中被刹车产生的制动转 矩r B s R 和生产系统的摩擦转矩r f 所抵抗。净转矩L 。⋯，用于表达该动力体系，参见式 c ．1 k 。。一r d 。一_ [ B S R r f ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ C ．1 作用在驱动杆柱上弹性扭转的数值是驱动杆柱上转矩的函数。对于驱动杆柱的圆形实心横截面， 极惯性矩J ，由式 C ．2 给出 J 一三D 也4 在停机时，驱动杆柱扭转量以h u t d o 。，由式 C ．3 表示 C ．2 以h u t d o 一一ts h i u t d i o ”L d |⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ C ．3 L r 3 在反转过程中，旋转的释放导致驱动杆柱上的转矩下降。对于给定的驱动杆柱的旋转角钆。，剩余 转矩r d ，，给出如下定义，参见式 c ．4 户r r a ，一；旦 日m 。m 一一日。。p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ C ．4 L “ 防止反转的转矩r B s n 由刹车系统产生，制动转矩Z B S R 是反转速度的函数，在一些情况下，与传动装置 温度有关，由式 C ．5 给出 T B S R 一， 且⋯T d 。， ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ C ．5 在由供应商或制造商提供的地面驱动性能信息里，刹车系统的性能依照6 ．3 ．2 定义。防反转转矩 r B s a ，在6 ．3 ．2 ．2 ．2 里明确提供。生产系统的摩擦转矩r f 也能防止反转。它包括推力轴承，密封盒和杆 管之间的摩擦转矩。 驱动装置、皮带轮、电机和部分驱动杆柱的加速度由式 C ．6 表示 口。一r a 。。／I 。， ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ C ．6 总的转动惯量I 。，包括动力系几个具有不同反转速度的部件的转动惯量。每个部件的转动惯量 I ，与它们同光杆的速比N 。相关，在公式C ．7 中给出 I 。。。 I 。 N ；I 。 N l N ；J 。 ⋯ ⋯- 注I 。在光杆速度下运转的装置的转动惯量； I 在组件I H 的速度乘以速比N 。速度下运转的装置的转动惯量。 N 。一旦是个常量。 曰r 1 c ．2 ．3 正常停机 正常停机情况的物理系统通过两个圆盘弹簧系统表现，如图C ．2 所示。 q j K R 、／ 1 8 1 一弹簧。 图C ．2 正常停机情况 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 在正常停机情况下，液压转矩 由通过螺杆泵的压差引起 以驱动杆柱转矩的方式来加速动力体系 和驱动杆柱。生产管柱的流体通过泵回到井的环空。假设流体从井的环空流回储层，在停机前流体在 环空里的水平面不能立即地改变工作流体水平面。反转的第二步和动力方程在式 C ．8 和 C ．9 中 给出 r 。。。。一r d ，一r I { S R r f ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ C ．8 ‘。。k t 一““T d s r 。f⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ C ．9 从泵的转子旋转起，驱动杆柱的转矩‰就成为驱动杆柱顶部旋转角吼、转子旋转角见的函数，参见 式 C ．1 0 h 。一竽[ 以。。。w n ] 一 气。一民。。 ] ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ C ．1 0 L d s 液压转矩r h 依赖于泵的几何参数 由供应商或制造商提供 ，它是通过泵的压差的函数，由泵上净 液面高度L “a 来表示，参见式 C ．1 1 r h “ f L Ⅲd ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ C ．1 1 泵的摩擦转矩珀也限制转子在定子里的旋转。 转子和部分驱动杆柱的加速度通过式 c ．1 2 给出 目h 。一“ C a c c b 。t ／i k 。 驱动装置，皮带轮，电机和部分驱动杆柱的加速度见式 C ．6 。 C ．3 初始条件 反转开始的初始条件由式 c ．1 3 给出 t O] “s r u t a 。W n 一’t - 0f 口。一口b 。。一0J C ．1 2 C ．1 3 C ．4 刹车系统性能 C ．4 ．1 反转制动转矩 在反转过程中地面驱动装置的反转制动转矩起着一个关键的作用。如式 c ．4 所示，它和地面驱 动装置刹车速度及温度有关。这三个变量间的公式关系应由附录H 所描述的试验方法确定。 C ．4 ．2 散热 反转过程释放了储存在驱动杆柱中的扭转弹性能量及液体势能。这些能量被地面驱动装置吸收导 致它温度的上升。当地面驱动装置的温度超过环境温度时，热量向周围散发。任何时刻驱动装置的温 度都与驱动器能吸收多少能量和散热能有多快 散热率 直接相关。 地面驱动装置的热容量和散热率参见附录H 。 c ．5 输入参数 c ．5 ．1总则 表征地面驱动装置应用的输人计算可以根据地面驱动装置或应用情况进行分析。 C ．5 ．2 地面驱动装置 地面驱动装置依据下列指标进行分析 一一地面转动装置包括齿轮、轴及电机的转动惯量； 作为反转速度和温度的函数的防反转转矩； 19 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 热容量； 散热率。 C ．5 ．3 应用 地面驱动装置的应用受到以下条件的限定 驱动杆柱和油管柱尺寸； 驱动杆柱材料的机械性能； 井的几何参数； 泵挂深度； 泵的排量； 泵的容积效率； 泵和其他生产系统零件的摩擦力； 停机转矩； 原始地面驱动装置温度； - 一环境温度； ⋯～工作液面； 泵送介质密度和粘度。 C ．6 计算步骤 作为生产系统储存能量的函数，评价反转速度和持续时间所需的计算步骤如F 所示 a 开始的初始条件，见式 c ．1 3 ； b 用式 c ．1 ～ c ．7 或 C ．8 ～ C ．1 2 计算生产系统组件的加速度； c 计算过一小段时间后从动轴和转子的反转速度。基于b 中计算出的旋转加速度 d 用式 c ．5 计算防反转转矩； e 计算由刹车完成的工作； f 计算散热率； g 计算新的刹车温度 基于刹车热容量 ； h 计算新的旋转角 驱动杆柱的上端和下端 ； i 计算流体通过泵的泄漏量； j 计算生产油管中的新的液面； k 用式 c ．4 或 c ．1 0 计算新的驱动杆柱转矩，用式 c ．1 1 计算液压转矩； 1 从步骤b 起反复计算，直到反转停止。 C ．7 输出模型 输出模型应包括以下方面 a 作为时间函数的反转速度； b 作为时间函数的地面驱动或刹车温度； c 反转结束时的剩余液面。 基于以上信息，可以得到下面的参数 最大的反转速度； 最大的地面驱动温度； 反转持续时间； 2 0 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 生产油管里的剩余液面。 这些输出通过对最大的反转速度和驱动温度与设备的额定值做对比，可以用来评估地面驱动刹车 系统对于准备应用的适应性。 应考虑与每一个输入变量不确定的联系，以确定对于输出模型的不确定的影响的大小。 C ．8 模型验证 c ．8 ．1总则 任何关于评价刹车系统的模型都可透过下面提供的台架试验来验证。每个测试实例要对描述井况 和操作条件的输入量加以详细说明，并从基于附录所列出的理论模型中提供实例的输出。四种情况覆 盖了在典型的螺杆泵应用下刹车要求的范围。 c ．8 ．2 卡泵的例子 C ．8 ．2 ．1 例1 卡泵，低工作转矩 表c ．1 的数据描述了卡泵停机情况下的设备工况和工作条件。 表C ．1 模拟输入数据 应用参数数值 井的形状直井 D d ， 2 54m m G 7 5G P a D 。“不适用 I ， 9 1 4m V P不适用 ￡p u “P不适用 r D f不适用 1 3 ．6N r f i 10 8 8N m k 4 0 ℃ 1 乙b2 0 ℃ L n 删 不适用 p n u i d不适用 ，m u H 不适用 J k t 不适用 地面驱动参数 I ”p 3 3 ．7 1k g - m 2 c d 。 1 2 7k J ／℃ 由地面驱动刹车系统产生的转矩通过八种不同的旋转速度和五种不同的初始温度计算出来，如 表c ．2 所示。散热率也通过三种不同的温度计算出，如表C ．3 所示。 Z 1 G B ／T2 1 4 11 ．2 2 0 0 9 表C ．2 地面驱动刹车防反转转矩 抽油杆速度／ 抽油杆刹车转矩／ N m r ／m i n 0 ℃ 2 5 ℃5 0 ℃ 7 5 ℃1 0 0 ℃ 0 0OO O0 5 02 2 01 7 11 4 51 2 91 1 8 1 0 03 5 02 6 72 2 11 9 41 7 5 2 0 05 7 84 3 43 5 43 0 64 1 0 3 0 07 8 25 8 44 7 54 0 73 6 2 4 0 09 7 47 2 4 5 8 6 5 0 24 4 5 6 0 0 13 2 79 8 47 9 3 6 7 75 9 9 7 0 014 9 611 0 68 9 17 5 96 7 3 8 0 016 6 412 2 89 8 88 4 27 4 6 表C ．3 地面驱动散热率 温差／℃ 4 08 0 1 2 。 散热* ／k W 0 ．4 20 ．8 41 ．2 5 如图C ．3 所示，通过模型仿真预测出地面驱动反转速度最大值为4 3 9r ／r a i n ，驱动刹车转矩值最大 为6 8 6N m 。 2 2 ／／、＼ ／＼ ／厂、、＼ ／／／ ＼＼＼ | }＼＼＼ j＼＼＼＼ 少＼＼、＼、 ～ { ’一 051 01 5 2 0 注x 距离反转开始的时间，单位为秒 s ； y 1 防反转转矩，单位为牛米 N m ； y 2 转速，单位为转每分 r ／r a i n ； 防反转转矩； ⋯- - _ 转速。 图c ．3 卡泵仿真结果 啪 瑚 ㈣ 舌| 伽 喜； 枷 m 咖 瑚 ㈣ 喜耋 蝴 姗 瑚 ㈣ 。 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 C ．8 ．2 ．2 例2 卡泵，高工作转矩 除停机转矩增加到16 2 7N m 外，其余的输人参数都和例1 相同。 如图c ．4 所示，通过模型仿真预测出地面驱动反转速度最大值为7 0 3r ／m i n ，驱动刹车转矩值最大 为9 8 1N m 。 厂＼ ／＼ ／＼ ，，一＼＼＼ ／／ t j＼＼ ／；I j ／iI ／ 、、、＼＼ r l ＼心 1 01 52 0 注x 距离反转开始的时间，单位为秒 s ； y 1 一一防反转转矩．单位为牛米 N m ； Y 2 一一转速，单位为转每分 r ／r a i n ； 一～防反转转矩； 转速。 图C ．4 卡泵仿真结果 c ．8 ．3 正常停机举例 例3 正常停机 表C ．4 中的数据描述了正常停机情况下的设备工况和工作条件，表C ．5 和C ．6 相对应地给出了刹 车转矩特性和散热率。 表C ．4 模拟输入数据 应用参数数值 井的形状直井 D m2 5 ．4m m G7 5G P a D 。b 7 6m m L h 9 1 4r i l U 。。 9 5m 3 ／d 在1 0 0r ／m i n 时 2 3 ㈤ 砉| 姗 瑚 ㈣ 舌耋 伽 咖 啪 m ㈣ 砉| 啪 m 啪 | i 蚴 ㈣ 瑚 ㈣ 。 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 表C ．4 续 应用参数数值 ￡p 血p 7 5 ％ 砩f 1 3 6N m 1 3 ．6N I T t 16 2 7N m k 4 5 ℃ t 。b 3 5 ℃ L Ⅱ。d 9 1 4m p n u i d10 0 0k g ／m 3 m u i d 1c p I h1 ．6 6k g 莳 地面驱动参数 I 。。 3 3 ．7 1k g m 2 ％ 1 2 7k J ／℃ 表C ．5 地面驱动刹车防反转转矩 抽油杆刹车转矩／ N m 抽油杆速度／ 温度／℃ r ／r a i n 02 55 07 51 0 0 00O000 5 02 2 01 7 11 4 51 2 91 1 8 1 0 03 5 0 2 6 7 2 2 119 41 7 5 2 0 0 5 7 84 3 43 5 43 0 64 1 0 3 0 07 8 25 8 44 7 54 0 73 6 2 4 0 09 7 47 2 45 8 65 0 24 4 5 6 0 013 2 79 8 47 9 36 7 75 9 9 7 0 014 9 611 0 68 9 l7 5 96 7 3 8 0 016 6 412 2 89 8 88 4 27 4 6 表C ．6 地面驱动散热率 温差／℃4 08 0 1 2 0 散热率／k W 0 ．4 20 ．8 41 ．2 5 注在反转作用下假设环空中的液面保持常量。 如图C ．5 所示，通过模型仿真预测出驱动温度最大值为1 0 5 ℃，反转速度最大值为6 7 2r ／m i n 。 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 o2 0 04 0 06 0 08 0 0 1o o o12 0 0 注x 时间，单位为秒 s ； y 1 驱动反转速度，单位为转每分 r ／r a i n ； y 2 驱动温度，单位为摄氏度 ℃ ； 驱动温度； ⋯驱动速度。 图c ．5 正常停机仿真结果一例3 表c ．7 符号表 符号描述单位 C 押地面驱动热容量k J ／℃ D 女驱动杆柱直径 D 讪 生产油管内径 G 刚性模量P a J 驱动杆柱截面的极惯性矩 Ⅱ， I I 。p驱动器，皮带轮，电机和部分驱动杆柱的总的转动惯量k g m 2 I h 泵的转子和部分驱动杆柱的转动惯量k g m 2 I 。在反转过程中动力体系每个元件的总的转动惯量k g m 2 L n 。H净液面 L “驱动杆柱的长度 M 动力体系中元件 t 和元件 i 一1 之间的速比 时间 T 乙b环境温度 ℃ k驱动温度 ℃ V p 。 泵的流量 I n 3 ／d 在1 0 0r ／r a i n 时 使泵转子和部分驱动杆柱加速的转矩 t D 使传动装置，皮带轮，电机和部分驱动杆柱加速的转矩 N 1 1 3 由刹车系统产生的防反转转矩 N m 2 5 他 加 ∞ 印 柏 舯 瑚 ㈣ 舌耋 蝴 湖 枷 瑚 。 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 表c ．7 续 符号描述 单位 f h 由于驱动杆柱的弹性变形作用在地面驱动上的反转承载转矩 N m 克服生产系统的摩擦所需的转矩 不包括泵的摩擦力 N m r h “由液柱流过螺杆泵产生的反转承载转矩 N m b ‘ 克服泵的摩擦力所需的转矩 N m 在停机时立即作用在驱动杆柱上的转矩 N m e ⋯容积泵效率％ 目。P地面驱动装置自停机时的旋转角 r a d ● 日伽 地面驱动装置反转速度r a d ／s ● 目。， 地面驱动装置加速度r a d ／s 2 钆。转子自停机位置的旋转角 r a d ● 日h 转子反转速度r a d ／s ● 口h 转子的加速度r a d ／s 2 ％刊。邢 停机时驱动杆柱总的旋转角 圈数 r a d 风u i d生产管柱里的流体密度 k g ／m 3 ，自u i d 生产管柱里的流体粘度 m P a s 2 6 附录D 资料性附录 应用于螺杆泵的抽油杆的选择和使用 D ．1 总则 此附录主要讲述了适用于井下螺杆泵的常规的抽油杆的考虑事项 通常包括地面驱动螺杆泵 系统 。 D ．2 背景 螺杆泵系统通常用一个抽油杆柱把动力转矩从地面驱动装置传递到井下螺杆泵。这种应用和往复 泵不同，使抽油杆同时受到扭力和轴向力。关于抽油杆的性能介绍下面几个特殊的问题 由于同时受到扭力和轴向力，杆的承载更复杂。 由于井眼的曲率引起的杆弯曲每天都使百万次应力循环作用在杆柱上，所以疲劳是主要的失效 形式。 抽油杆的装配是个关键，施加的扭转载荷会导致接箍周向位移量的增加从而损坏抽油杆的连接。 这些问题的讨论见D ．3 ～D ．7 。 D ．3 抽油杆承载 D ．3 ．1 总则 在螺杆泵系统中，驱动杆柱能把外加的轴向力和转矩传递给井下螺杆泵。假如轴向力和扭矩的复 合应力超过了驱动杆柱的许用应力，会发生失效。 在驱动杆柱任何位置的轴向力和转矩由几种不同的成分组成，如图D ．1 所示。作用在泵上的几种 主要的载荷 如泵的水力转矩和泵的轴向力 也作用到驱动杆柱上，而其他的载荷 如摩擦转矩和抽油杆 自重 沿着驱动杆柱的长度逐步增加。几乎在所有的情况下，驱动杆柱在地面上与光杆连接处的轴向力 和转矩是最大的。 D ．3 ．2 螺杆泵液压转矩 液压转矩是泵的几何参数的函数，和通过泵的压差是成比例的。在泵人口处 例如套管头压力和由 于液面引起的套管内静水压力 和泵出口处 例如油管头压力，油管内高出泵的静水压力及生产油管内 的压力损失 的压力是不同的。 D ．3 ．3 泵的摩擦转矩 泵的摩擦力是由于定转子之间的过盈产生的，通常通过泵的台架试验来测量。但是，假如由于温度 和化学因素定子橡胶溶胀，泵下井后摩擦力会增加。当泵在高速下抽送高粘度液体时，泵的扭转阻力也 会增加。通常在启动时，定子和转子的静摩擦力是最高的。 D ．3 ．4 驱动杆柱阻抗转矩 当驱动杆柱在生产油管里的液体内旋转时，在液体和驱动杆柱之间阻止驱动杆柱旋转的表面剪力 会增加。 D ．3 ．5 泵的轴向力 像泵的液压转矩一样，泵的轴向力是泵的几何参数的函数，和通过泵的压差是成正比的。 D ．3 ．6 抽油杆自重 驱动杆柱的重量，包括泵的转子，也能增加作用在杆柱上的轴向力。 2 7 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 萋鬻霾霾萝 錾蘩蓁鋈笋。 ；羹蓁 6 套斟 l蓁霞黔 1 螺杆泵；9 螺杆泵液压力 沿程损失 ； 2 一地面； 1 0 螺杆泵摩擦力； 3 光杆转矩； ，一阻力； 4 光杆轴向力； 1 2 一泵的轴向力 油管头压力 ； 5 杆柱转矩；1 3 螺杆泵轴向力 静水压力 ； 6 杆柱轴向力；1 4 螺杆泵轴向力 沿程损失 ； 7 螺杆泵液压力 井口背压 ； 1 5 一一抽油杆自重； 8 螺杆泵液压力 静水压力 ；1 6 浮力。 图D ．1分布到驱动杆柱的转矩和轴向力的组成 D ．3 ．7 驱动杆柱浮力 沿程损失在流体方向上产生作用在驱动杆柱上的力，造成杆的拉力的减少。这些力分别以面积浮 力和表面浮力的形式作用于接箍和抽油杆本体上。 D ．4 抽油杆极限应力 抽油杆的应力极限基于许用应力 例如，米塞氏屈服应力 ，它考虑轴向力和转矩的组合。在螺杆泵 应用时，有效应力主要是扭矩的函数，轴向力的影响较小。 与发生在游梁式抽油机里的杆循环应力相比，加在螺杆泵的杆应力相对来说比较恒定。作为一种 结果，许多载荷应力 有效的抽油杆应力 能达到杆材料的屈服应力并不引起失效，尽管在垂直井和水平 井应用下因弯曲而产生的失效是一个主要问题。 D ．5 抽油杆失效 已证实承受交变载荷的机械元件易受金属疲劳的影响。甚至材料的峰值应力水平低于材料的屈服 强度也可能导致疲劳失效的发生。典型的应力分析用于评估在交变应力环境下的元件的使用寿命。元 件的疲劳寿命受以下几个因素的影响平均应力；外加应力波动形式；应力波动值。载荷波动加上高平 均应力会比载荷波动加上低平均应力导致一个更严重的疲劳破坏。在螺杆泵应用背景下，这是很重要 的，因为驱动杆柱里平均应力通常较高。多数钢呈现出一个持久疲劳强度极限，最大交变载荷导致一个 “无限”的疲劳寿命。设计驱动杆柱时使交变应力低于持久疲劳强度极限是一个有效的设计准则。但 2 8 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 是，根据腐蚀机理结合交变载荷能降低抽油杆材料的耐疲劳性，以至在一些腐蚀环境下不能达到“无限” 疲劳寿命。 在许多螺杆泵应用下驱动杆柱受严重的交变载荷。由于生产油管里有气或由于流体内有气泡或砂 子会增大泵的摩擦力，从而引起泵的排量和压力的变化，泵的转矩和轴向力会有一个明显的波动。按给 定的典型的螺杆泵运行速度，在几天内螺杆泵的循环载荷能达到几百万次。因此，当这些载荷条件可能 发生时考虑疲劳分析是很重要的。在计算疲劳寿命时，高频 例如斜井的弯曲因素 与低频 例如气滞作 用 也在考虑之中。 D ．6 接头旋接 在螺杆泵应用中，接头旋接是很关键的，旋接时外加扭矩超过扭转阻力，在泵送过程中这种外加扭 矩载荷会引起接箍处周向位移量的增加。接箍的抗扭强度是在旋接过程中作用在螺纹和转矩台肩上的 预紧力的函数，如图D ．2 所示。旋接扭矩不足时会导致低的预紧力和低的扭转阻力。抽油杆上高的拉 伸载荷也会降低台肩上的预紧力，从而引起抽油杆柱上扭转阻力的减小。 弋 ＼／ 驯 ／＼ ，t7 ． F - - F 。F ， T - - 丁t 丁。 F 。螺纹上的轴向力；T 。螺纹上的转矩； F ，台肩上的轴向力；t 台肩上的转矩； F 总轴向力；T 总转矩。 图D 。2 接箍处的载荷 接头旋接的扭转阻力由螺纹和转矩台肩间的静摩擦系数决定。但是，假如超过扭转阻力，摩擦特性 由动摩擦的系数决定，它很明显地要低于静摩擦系数。另外，接触面 例如转矩台肩和接箍端面 的快速 运动能产生动力润滑进一步减小摩擦作用，这会引起接头处的扭转阻力明显减小，此时允许进一步旋紧 接头。这个施加载荷可能会损害接头。 已经存在周向位移增量的接箍处可能会有以下全部或部分现象 a 螺纹牙剥落； b 接箍成喇叭状或接箍端面的塑性变形； c 公螺纹退刀槽的拉断。 在生产井中，驱动杆柱像一个巨大的扭簧，能量以弹性扭转能的形式储存在杆柱中，周向位移增量 情况可能会特别严重。当杆柱中储存的能量超过接箍处的扭转阻力时，会继续施加扭矩，导致周向位移 增量快速的产生。这被称为动力旋接，通常导致接箍处破坏。 确保抽油杆接头旋接符合制造商的规范，以使周向位移增量的影响最小化。这些规范规定了超过 手动旋紧的确切位置几分之一转，在泵的启动和运行过程中需要一个装配转矩超过在泵的启动和运行 过程中的外加转矩。只要启动和运行扭矩不超过装配扭矩，周向位移增量不可能会发生。 D ．7 驱动杆柱和油管磨损 螺杆泵系统中驱动杆柱和油管的磨损不同于游梁式抽油机系统，抽油杆接箍在油管内的某一位置 2 9 G B ／T2 1 4 11 ．2 2 0 0 9 旋转，引起局部磨损。另外，螺杆泵经常用于固体颗粒存在的场合，这会严重地加快磨损速度。可以通 过在接箍上套上软的消耗性材料 例如合成橡胶 或通过在接箍问把接触载荷分布在几个沿抽油杆本体 放置的抽油杆扶正器上，如图D ．3 所示。使用这些减轻磨损的措施时应加以小心，因为它们通常会增 加生产油管内的压力损失，从而增加驱动杆柱里的拉力，导致抽油杆和油管问更高的接触载荷。 3 0 [ 缓 蕊 j k粪 r 图D ．3 抽油杆扶正器用于螺杆泵井的典型范例 E ．1总则 附录E 资料性附录 操作指南 G B ／T2 1 4 11 ．2 2 0 0 9 选择合适的地面驱动装置和辅助设备，需要对结构、动力传递和反转速度控制能力进行研究和评 价，以保证系统的安全和持续运行。地面驱动装置的操作需要制定一个详细的计划，它包括合适的操作 安全预防措施来符合所有相关设备和所有适用法规的要求 包括适当的安全和操作预防措施，满足所有 相关设备和所有采用的规范的要求 。按设备供应商或制造商提供的要求来操作地面驱动装置和辅助 设备。 作为考虑要点的初步目录列出以下几个问题。这不必是一个完整的目录因为它可能在其他专题研 究或地方要求里会述及。它最少包括注意以下所描述的危害。 E ．2 残余能量 假如储存在生产系统里的能量不能完全释放，它可能会在地面系统拆卸的时候释放。强烈建议给 操作者和井场服务人员提供充分的措施，以可控制的且安全的方式来释放残余能量的程序。 E ．3 地面传动装置过热 由于环境温度过高或在泵遇阻塞或卡泵时尝试重新启动，地面传动装置刹车系统可能会有过热现 象，刹车或地面传动装置温度超过推荐的温度会降低刹车性能，若接触到爆炸性气体化合物时可能会有 爆炸的危险。强烈建议努力防止系统在超过供应商／制造商指定的操作温度范围运行。 E ．4 低温运行 低的环境温度会影响地面传动装置刹车系统的性能。建议操作手册里对特殊的地面驱动装置应清 晰地表明装置的操作温度范围。应努力防止系统在超出供应商或制造商指定的操作温度范围运行。 E ．5 手动可调的刹车系统 手动可调的刹车系统允许使用者或购买者调整刹车来适合当前的刹车要求。在潜在的流体能量充 分释放前，允许用户通过反转制动方法来“锁住”能量，这存在潜在的危险。假如刹车被重新调整或地面 驱动装置被拆卸时，残余能量会突然释放。同样地，刹车的不合适的调整能导致反转速度超过最大的运 行速度，这样就引起危害。建议实施预防措施来防止这些刹车系统的不适当的调整。 E ．6 光杆伸出量 在反转过程中，离心力过高能引起光杆伸出光杆卡瓦部分的弯曲，当驱动杆柱持续旋转时，将引发 重大的安全危害。建议光杆伸出量不要超过地面驱动供应商或制造商建议的长度 通常小于0 ．3m 。 E ．7 改变运行条件 井的运行条件的改变，比如流体特性，泵速，液面，压力和井下泵的尺寸等都对反转速度和持续时间 有影响。建议假如工作条件改变的话，操作者要确认工作条件在地面驱动装置限定的范围之内。 E ．8 改变环境条件 井的环境条件的改变，比如环境温度，气流，紫外线辐射，灰尘或风沙的条件，盐雾或其他相关的问 3 1 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 题都对地面驱动装置的性能有影响。建议在一个新环境安装和运行地面驱动装置之前，操作者要确认 环境条件在地面驱动装置限定的规范之内。 E ．9 改变辅助设备 辅助设备的改变会减少地面驱动装置的运行范围。除了那些在设备运行手册中阐明的允许的改 变，建议关于辅助设备的任何改变都要由在这个领域的有资格的工程师授权。 E ．1 0 操作和安全提醒 没有在设备上标明的所有附加的操作和安全提醒应加以定义和详细说明，并覆盖所有的操作者和 使用者或购买者提出的当地要求。 3 2 F ．1 总则 附录F 资料性附录 安装指南 G B ／T2 1 4 1 1 ．2 2 0 0 9 地面驱动装置的安装需要制定一个详细的计划，它包括合适的安全操作预案以满足所有相关设备 和所有适用规范 包括适当的安全操作预案，满足所有相关设备和所有采用的规范的要求 。按设备供 应商或制造商提供的要求来安装地面驱动装置和辅助设备。 以下是安装地面驱动装置时需要注意的几个主要问题，它不像其他专题研究和局部要求一样，包含 了所有要求，但是，强烈建议设备和产品按照特定的设备和应用经验安装。一个合适的地面驱动装置和 辅助设备的选择需要考虑和评价结构、动力传递和反转速度控制能力，以保证系统的安全和持续运行。 F ．2 起吊地面驱动装置 为了避免设备损害和人身伤害，起吊地面驱动装置时应小心。许多地面驱动装置配备起吊点以实 现平衡。若有可能，建议至少有两个起吊点以悬挂吊环或吊钩，通过 用第三个吊钩 在合适的起吊位置 固定吊环，此位置在吊环上 约上半部位 地面驱动装置可以平衡起吊。 F ．3 安装密封部件 在把密封部件安装在井口上之前，来确定光杆伸出三通的长度是必要的 应确定光杆伸出三通的长 度 。为此，首先要确定地面驱动装置的总高度，包括安装的密封部件和光杆卡瓦。保持伸出光杆卡瓦 的量最小 小于0 ．3m ，若伸出量过大，会导致严重的震动，并在反转时加大偏心冲击载荷。 在安装密封部件前按供应商或制造商的指导书润滑光杆； 按供应商或制造商的指导书在光杆通过密封部件时在光杆上端加一个锥套，以防止密封件或抽油 杆螺纹损坏。将密封件滑过光杆，按要求连接到三通上。 F ．4 皮带与皮带轮的安装 当把皮带轮安装到地面驱动装置上时，在皮带轮的内侧安装一个锥套会更方便。应确认主动轮与 从动轮调整在同一平面上。 当皮带松时，通过增加两个皮带轮间的中心距来使皮带张紧。 系统运行几分钟，来定位皮带。在最高的载荷情况下 通常在启动时 观察地面驱动装置，皮带的松 边的轻微的下垂通常表明合适的张紧力。假如松边在最大负荷下很紧，皮带就太紧了。皮带过度的下 垂或震动表明张力不够。应停下驱动装置，重新张紧皮带。 经常通过观察皮带拉紧的松边检查皮带的张紧力。在运行几天之后，皮带会变松，重新张紧皮带以 使皮带的松边显示轻微的下垂是有必要的。 F ．5 光杆卡瓦的安装 分体式光杆卡瓦通常有一个空心底端用来与驱动轴上端的两个机加工扁平面配合。当拧紧