影响修井机液压系统的介质因素分析与主要对策.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 4 ． 2 01 2 影响修井机液压系统的介质因素分析与主要对策 冯先锋， 罗 霄， 云守庆， 郑逢仁 中国石化集团 中原石油勘探局 ， 河南 濮 阳4 5 7 0 0 1 摘要 修井机是液压传动技术在石油装备领域的应用 典型之一 ， 因工况环境恶劣 ， 修井机在投产 3 5年后 ， 其液压系统故障频繁 。该 文通过分析液压系统的主要 故障原因 ， 对如何防范液压油污染提 出了应对措施 。 关键词 修井机 ； 液压油 ； 污染 ； 措施 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 4 0 0 5 1 - 0 4 M e d i um F a c t or An a l y s i s o f I n fl ue n c e o n Hy d r a u hc S y s t e m o f S e r v i c e M a c h i ne a n d M a i n Co u n t e r m e a s u r e s F E NG X i a n - f e n g ， L U O X i a o ， Y U N S h o u q i n g ， Z H E NG F e n g - r e n S i n o p e c Z h o n g y u a n P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n B u r e a u ， P u y a n g 4 5 7 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t S e r v i c e ma c h i n e i s o n e o f t y p i c a l h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n t e c h n o l o g y a p p l i e d i n p e t r o l e u m e q u i p me n t ． B e c a u s e h o s t i l e w o r k i n g e n v i r o n me n t ， a f t e r s e r v i c e ma c h i n e s 3 - 5 y e a r s i n p r o d u c t i o n ， t h e h y d r a u l i c s y s t e m f a i l u r e i s f r e q u e n t ． T h r o u g h a n a l y z i n g t h e ma i n f a i l u r e c a u s e s o f h y d r a u l i c s y s t e m， t h e p a p e r p u t s f o r wa r d r e p l i e d me a s u r e s t o p r e v e n t t h e h y d r a u l i c o i l p o l l u t i o n ． Ke y wo r d s s e rvi c e ma c h i n e； h y d r a u l i c o i l ； p o l l u t i o n； t h e me a s u r e s 0 引言 修井机 是油 田对生 产井实施 大修作业 的专用设 备 ， 其核心系统是液压传动系统。因油 田特殊的工况环 境 ， 修井机在投产 3 5年后 ， “ 渗、 漏 、 跑 、 冒、 脏 ” 现象普 遍存在 ， 经 “ 治疗“ 后短时间内就会复发 ， 修理人员虽多 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 0 9 作者 简介 冯先 锋 1 9 7 6 一 ， 男 ， 河南开封人 ， 工程 师， 现从事油 田压裂设 备的研究和石油设备液压系统的修理。 一 - 一 一 一 - 一 一 一 一 - - 一 - 十 一 一 一 - - 卜 一 卜 4 加强技术培训 ， 把 P 1 0 4 B后密封失效故障事件 做成案例 ，使所有操作工及设备管理人员弄清高温密 封 的冲洗及冷却 的机理及作用 ，提高设备操作及维护 技能 5 使用 效果 ， 改造完成后进行 了试 试运行 2 0 1 0 年 8月 2 6日， 运行工况同前 ， 试运行 了 4小时 ， 没有发 生机封泄漏 ． 该泵正式验收合格 ， 并于 2 0 1 0年 8月 3 O 日投入运行 ． 至今泵运行正常 ， 无泄漏 ， 减少 了维修维 护成本 ， 经济效益显著。 4 结束语 通过对加氢裂化装置泵 P 1 0 4 B机械 密封 的改造 ， 同时对密封 冲洗 系统进行 了改造清 理 ，从现场情 况 看 ， 密封效果很好 ， 运行至今没有任何泄漏迹象 ， 避免 了因机械 密封泄漏故 障而对系统生 产造成 的不利影 谋对策 ， 但收效甚微 ， 成了修井机的“ 顽疾” 。如何通过 表象 ， 查找“ 渗 、 漏 、 跑 、 冒、 脏 ” 现象的主要原因， 制订应 对措施 ， 是减少修井机的故障停机率的有效途径 。 1 修井机常见故障原因分析 1 ． 1 修 井机 “ 渗 、 漏 、 跑 、 冒 、 脏” 现 象分 析 根据我们多年 的管理 、 修理经验 ， 对 修井机“ 渗 、 漏 、 跑 、 冒、 脏” 现象 的表面介质进行 了分析 ， 如表 1所 示 ． 液压油是造成“ 渗 、 漏 、 跑 、 冒、 脏” 的主要 因素。 响 ，大大节省了机械密封的备件费用和维 修费用 ， 不 仅为 企业增加 了效益 ， 消除 了危险点 ， 而 且有益于节 能环保。 参 考 文 献 [ 1 】 罗硕菁． 输油 主泵机械密封失效原因及对 策【 J J ． 石油与化工设 备， 2 0 1 0 ， 4 ． [ 2 ] 玮 占圣． 串联式机械密封在液态烃泵上的应用I J J． 石油化工设 备技术， 2 0 0 8 ， 4 ． 【 3 】 李小燕． 原料焦 油泵机械密封失效分析及技术 改进『 J 1 ． 山西化 工 ， 2 0 1 1 ， 4 ． [ 4 ] 王明武． 高温泵新型波纹管串联式机械密封的应用[ J ] ． 润滑 与 密封 ， 2 0 1 0 ， 3 ． 【 5 】 董大勤． 化 工设备机械基础【 M】 ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 6 】 吕瑞典． 化工设备密封技术[ M】 ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 1 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 4期 表 1 污染源分析 由表 2所示 ，液压系统 7 5 ％的故障原 因源 自液压 油的污染 ， 这已是液压行业公认 的结论 。 表 2故障原 因分析 2 液压油污染源危害分析 2 ． 1 固态 污染 源 液压油的固态污染物主要以颗粒状存在 ，包括碎 屑 、 固体颗粒 以及液压油变质形成的固态杂质等。这些 杂质有 的是元件加工和装配过程 中残留的 ，有的是液 压元件在工作过程中产生的．有的源于外界杂质的侵 入 。 其危害是 1 加速液压泵和马达的磨损 ， 当杂质颗粒进入到 液压泵齿轮或齿轮马达的齿轮端面和两端盖侧板 、 齿 顶和壳体之间，或当杂质颗粒进入到叶片泵或叶片马 达的叶片与叶片槽 ．转子端面和配油盘 、定子与转子 叶片顶部 之问 ， 或当杂质颗粒进入到柱塞泵或柱塞 马达的柱塞与柱塞缸体孔 ， 转子与配油盘 、 滑靴与倾斜 盘 、变量机构 的滑动副之间时 ，均有可能造成卡死故 障。即使不造成卡死故障， 也会使磨损加剧。杂质颗粒 还有可能堵塞泵前的进油滤油器 ，使泵产生气蚀或造 成多种并发故障； 2 容易造成液压缸渗漏或蠕动 ， 颗粒杂质会使活 塞与缸体 、活塞杆与缸盖孔及密封元件产生拉伤和磨 损， 使泄油量增大， 容积效率和有效推力 拉力 降低 ， 出 现渗漏或蠕动现象 ； 如果颗粒杂质卡住活塞或活塞杆 ， 还可能导致油缸不动作 ； 3 可能造成各种液压阀类元件失效 ， 污染颗粒可 能引起滑 阀卡死或节流阀堵塞 ， 造成阀动作失灵 ， 即使 不产生卡死或堵塞故障，污染颗粒也将使阀类元件运 动副过早磨损 ， 配合间隙加大 ， 渗、 漏严重 ， 性能恶化。 2 ． 2 水 的 污染 实践与研究 中， 人们认识到 ， 水 的浸入会造成液压 油性能急剧恶化 ， 特别是大量的游离水 ， 在液压系统内 破坏了润滑油膜 的形成 ， 油品润滑性能急剧下降 ， 使运 5 2 动副表面产生磨损 、 粘着和金属疲劳 ， 因磨损产生的金 属磨粒特别是铜或铁颗粒 ，又会成为水与油品产生氧 化分解反应的催化剂 ， 使反应速度加快 ； 氧化反应将生 成酸性腐蚀性产物 ， 不溶性污染物等有害物质 ， 使得零 部件受到腐蚀 ， 阀门卡滞或形成油泥等； 水会使油液的 粘度发生变化 ， 影响油膜的形成 ； 水进人油后还可导致 油的可压缩性 刚性降低 ， 导致工作不稳定 ； 在低温工作 条件下 ， 油液 中的微粒水珠凝结成冰粒 ， 堵塞控制元件 的间隙或小孔 ， 引起系统故障 ； 水的侵入还容易使系统 内滋生细菌 ， 改变油的性能 ， 减低了油 品的使用寿命 ； 同时， 水分还容易溶解分离油液 中的添加剂 ， 降低 了液 压油的性能， 导致设备工作不稳定。 1 水分浸人途径 1 大气中的水蒸汽。溶解于液压油内的水和大气 中的水汽之间存在着动态平衡 ，当液压油 同潮湿空气 接触之后 ， 这种平衡的出现是很快的 ， 在典型的运行温 度下 ， 一般吸水达 0 ． 0 2 ％～ 0 ． 0 3 ％。当气候温暖的时候 ， 空气 的绝对湿度很大 ， 油液中的水含量也相应地增大。 当气候变冷时 ， 油液中的溶解水便过饱 和， 这些水来不 及全部逸出而进入空气 ， 便在液压油中生成微小水滴 。 当温度再次上升时，这些微小水滴的一部分便重新变 成溶解状态 ， 而另一部分便会聚结在一起 ， 或成为沉淀 水 ， 仍呈游离水 的状态 ， 这种过程重复多次 ， 就会造成 水分 浸入液 压油 2 保存 、 运输 、 抽注和使用过程 中水分浸入。在保 存 、运输 、抽注和使用过程中由于外部条件 的种种不 同， 或意外事故发生 ， 如雨水 的浸入 ． 水冷 系统 的渗漏 或系统结构的欠缺 ， 都易使水分浸入油内。安装在油箱 中的冷却盘管或挡板由于腐蚀 、 破裂 、 摩擦 、 表 面的松 动都会产生泄漏 ， 在这种情况下 ， 水可直接进入液压油 箱。 工作环境可能以雨 、 雪 、 溶冰形式产生水的污染。 气 侯的变化能使水 、气通过油桶盖吸入存放在户外的新 油 中 油 桶应放 在 室 内 。 在潮湿的气侯 中． 冷却盘管或圆盘给水管“ 发汗” ， 凝 聚物 跑进 或掉入 油箱 时 ， 会 出现更 复 杂 的污染形 式 。 潮湿空气可以通过油箱 油桶 盖 的呼吸孔侵入 ． 这是 人们最容易忽略的地方 放置在露天的油桶会受到昼 热和夜冷的影响 ． 这就导致了膨胀和收缩 这种情形是 由于桶内液面上部空间的空气 白天受热而压力稍高于 大气压 ， 夜晚变冷又稍有真空作用之结果。这种看似很 小的空气压力差 ， 可 以达到捅盖产生呼吸效用 ． 空气白 天被压 出油桶 ， 夜晚又吸人油桶。如果桶盖周围存有积 水时 ， 包围着水的桶盖产生呼吸作用 ， 一些水就可能被 吸入桶 内， 经过一段时间后 ， 桶 内就会积存大量的水。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i e s＆ S e a l s o ．4 ． 2 01 2 2 水在液压油中的状态 液压油在保管 、 贮存 、 运输 、 抽注和使用过程中 ， 每 个环节都有可能造成水分侵入 ，水分在液压油中会呈 现不 同的状态 ， 主要有溶解水 、 游离水 、 沉淀水 ， 其 中， 游离水 、 沉淀水对液压系统 的损害最大。 1 溶解水是溶解 于液压油中的水分与液压油一 起为均匀的单相物质。水在烃内的溶解度很低 ， 因为烃 类分子 比水分子大得多 ， 偶极矩特别低 ， 极化性很弱 。 水与烃分子之间没有氢键 ，它们之间的吸引力仅靠诱 导力和分散力 。芳香烃和不饱和烃例外 ， 它们 的分子能 在一定限度内与水分子缔合。 溶解在烃 内的水分并不离解为离子 ，而是处于单 个分子状态 ，位于烃分子之间，在大多数烃 内并不缔 合 ， 一直到饱和浓度。水在液压油中的溶解度主要受外 部因素温度 、 湿度以及压力等的影响 ， 水的溶解度一般 与以上参数成递增关系。 另外 ， 液压油的深度对水 的溶解也有影响 ， 油箱 内 油品的深度增加 ， 影响水分的扩散平衡 ， 导致水溶解度 的变化 。 2 游离水在液压油中呈现第二相 游离水与油 品 中的溶解水呈平衡状态 ， 水滴呈不同粒度大小 ． 状态很 不稳定 ， 在各种力的作用下 ， 表现为悬浮 、 互相缔合或 逐渐沉降以及沉淀水等状态。 3 当游离水珠被 乳化膜包 围时 ， 就 形成 了乳化 水 ， 乳化水会相对稳定地存在 2 ． 3空气的污染 混入液压系统的空气 。 通常以直径为 0 ． 0 5 ～ 0 ． 5 0 m m 的气泡状态悬浮于液压油 中．对液压系统 内液压油的 体积弹性模量和液压油的黏度产生严重影响 ．随着液 压系统 的压力升高 ， 部分混入空气溶人液压油 中， 其余 仍以气相存在。当混入的空气量增大时。 液压油的体积 弹性 系数急剧下降 ， 液压油 中的压力波传播速度减慢 ， 油液的动力黏度呈线性增高。悬浮在油液中的空气与 液压油结合成混合液 ，这种油液的稳定性决定于气泡 的尺寸大小 ， 对液压系统等产生重大的影响， 可能出现 振动 、 噪声 、 压力波动 、 液压元件不稳定 、 运动部件产生 爬行 、 换 向冲击 ， 定位 不准或动作错乱等故障 。 同时还 使功耗上升 ， 油液氧化加速以及油的润滑性 能降低 。 2 ． 4粘稠状杂质及微生物的污染 混合污染物的污染 ，会在液压元件及管线 中繁殖 细菌 ， 加剧油液老化 ， 使油液发黑发臭 ， 更进一步产生 污染 ， 如此恶性循环 ， 有可能产生以下后果 1 污染物堵塞滤油器 ， 导致 油泵吸空 ， 产生振 动 和 噪声 2 污染物使液压缸或马达的摩擦力增大， 产生爬行 ； 3 污染物使伺服 阀等抗污染能力差 的元件完全 丧失功能 4 污染物堵塞压力表通道 ， 使压力得不到正确传 递 和反 应 5 污染 物侵蚀胶管及密封 圈 ， 产生霉变 ， 韧性和 密封性下降。 3 防范液压 油污染对策 3 ． 1 管理对策 1 修井机 及油桶在 露天运输 和放置 时 ， 注意防 雨 ， 避免因油箱 捅 盖呼吸效用造成水分浸入 ； 2 对液压元件不论是保养或更换新件 ， 在安装前 除管道必须清洗干净外 ， 铸件都要经过彻底的清洗 ． 包 括喷砂等利用机械作用的清理和化学清洗 。如在三氯 乙烯 中清洗 ， 然后用压缩空气吹干 3 液压系统在完成总装时还要进行空循环冲洗 ， 这时系统的其它元件尽可能断开 ，以防被管道清除的 脏物所污染 4 各液压元件装配前要用柴油洗刷 ， 禁止用带纤 维的织物 如棉纱 擦拭 ； 5 油箱要合理密封 ， 通大气处要设空气滤清器 ， 各密封处必须可靠 ； 6 禁止使用不耐油的密封件 、 软管和品质较差 的 液压元件 7 合理使用滤油器 的类 型 ， 应从滤油效率 、 阻挡 脏物的能力 、 允许工作压力 、 消除污染是否方便等多方 面考虑 ； 8 定期更换季节液压油液 ， 更换后的季节液压油 要经过经过滤后密封保存 ， 以备换季时再用 。添加新的 液压油时需预先过滤 ， 加以净化处理。 目前 ． 过滤时只 能将不溶性悬浮杂质清除 ， 而可溶性杂质无法滤除 ， 只 能用定期换油来限制其含量 ； 9 另外 ， 油液 即使密封过滤很好 ， 在长期的压力 和温度反复作用下会逐渐变质 、 失去应有的性能 ， 需要 根据使用经验定期检测 、 更换 ； 1 0 值得关注的是 一 台修井机一次更换液压油 的用量较大 一般要加近四大桶， 一大桶就是 2 0 0 L ， 为 节省成本 ， 使用单位一般是只添加不更换 ， 致使液压油 的污染物无法根除 ， 这样 ， 即使更换 了新 的液压元件 ， 也无法满 足其使用环境 ， 只会使其更早的出现“ 渗 、 漏 、 跑 、 冒、 脏” 现象 ， 大大减低其使用寿命。 3 ． 2先进的装备技术对策 针对中原油 田修井机在 目前使用 、维护及管理方 5 3 液 压 气 动 与 密 封， 2 0 l 2年 第 4期 面存在的弊端 ，我们可以通过使用 和加装先进的装备 来改变 目前“ 渗、 漏 、 跑 、 冒、 脏” 现象的频繁发生。 滤油机 的使 用在油 田可 以追逆到 l 0多年前 ， 但 那时的设备结构简单 ， 性能较差 ， 操作不便 ， 滤油效果 不佳。加上油 田单位在对液压油的使用 、 管理上控制 不够严格 ， 所 以 ， 多年来 滤油机的使用就一直 没有得 到重视 ， 一些单位心疼成本 ， 油污染了不舍得更换 ． 不 经过滤就加入 了新 油 ， 造成污染油被重 复使用 ， 加 剧 了对液压 系统的损坏 ， 致使 “ 渗 、 漏 、 跑 、 冒、 脏” 现象频 繁发生。 随着近年来人们对油品成本控制 的重视 ，随着石 化行业“ 清洁生产工作 ” 的开展 ， 油 田单位 已经开始重 视了滤油机 的使用 ， 目前 ， 市场上 已开发出了种类繁多 的滤油设备 ．有一套全智能高效双级多功能真空滤油 设备对于我们非镌实用 ， 它根据分离工程学 ， 以达到彻 底过滤液压油 的， 主要采用了如表 3所示的分离法。 表3 分 离法处理 分离法 目的 强磁分离法 聚结式分离法 真空闪蒸分离法 汽化 分离法 压力过滤分离法 吸附分离法 脱除油中的金属微粒 脱除油中的游离水 破乳、脱水及轻质烃 脱除油中的气体 除去油中的机械杂质 脱除油中的酸质、胶质 多功能滤油 ，在 不解体 的情 况下可 以实现对液 压 系统进 行全面 “ 清洗 ” ， 在 中原油 田部 分单位 得到 了推广 ． 见 到了效益 。 可 以对液压设备实 行按期过滤 “ 会 诊 ” ， 延 长 液压 油 的使用 周期 ， 减少 “ 渗 、 漏 、 跑 、 冒 、 脏 ” 现象 的发生 ， 减少油料 消耗 ， 提 高液压设备 的 完好率 。一般情 况下 ， 建议对液压系统每半 年过滤清 洁 一 次 。 3 R精密过滤器结构如图 1所示。它由壳体 、 滤芯 、 控制阀 、 压力表等组成 ， 3 R精密过滤器经过三层过滤。 从 图 1可 以看 出 ， 3 R精密过滤器 没有采用传 统的滤 芯 ， 而是使用特制 的超深度型滤芯 ， 如图 2所示 。它 的 特点是 过滤量是通常传统过滤元件 的几倍 、 几 十倍 ， 而且还能滤去油 中的水和氧化物 。不仅能避免微小颗 粒进入系统 ， 而且能净化工作油液本身 ， 因此有使油液 保持数年不变质无需更换的功能。 5 4 图 1 3 R精密过滤器的典型结构 标准绉纤维 横绉纤维 标准绉纤维 横绉纤维 图 2 3 R精 密 滤 芯 所以 ， 针对修井机野外使用环境的现状 ， 在对其液 压系统彻底过滤后 ，要尽快 的加装 3 R精密过滤器 ， 使 液压元件摆脱污染油的干扰 ，还液压系统一腔干净的 “ 血 液 ” 。 4 结束语 液压油的使用正越来越 引起人们的重视 ，尤其在 航空 、 发电等高可靠性要求 的场合 ． 对此提 出了严格的 要求 ， 国际和国内油品污染控制的研究者和有关生产单 位也不断有新的成果和产品问世 ，相信经过不断的努 力 ， 我们会找到更科学的办法 ， 使得液压油的污染得到 更加有效的控制 ， 彻底改变液压设备“ 渗 、 漏 、 跑 、 冒、 脏” 现象的频繁发生 ， 减少油料消耗 ， 提高设备的完好率。 参 考 文 献 【 1 ] 阎培闽． 液压系统油管的清洗方法及重要 意义[ J ] ． 液压气动与 密封， 2 0 0 9 ， 2 ． 【 2 1 马蕾． 液压换 向阀卡紧故障分析【 J J． 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 ， 2 ． [ 3 】 中国石油化工股份有 限公 司科技开发部． 石油 和石油产品试 验 方 法 国 家 标 准 汇 编 2 0 0 5[ M] ． 北 京 中 国 标 准 出 版 社 ． 2 0 0 6 ． [ 4 ] 尹永晶 ， 杨汉立． 石油修井机【 M 】 ． 北京 石 油工业 出版社， 2 0 0 3 ． 【 5 】 李建国 ， 丁玉梅 ， 等． 油封动密封机制的有 限元分析[ J ] ． 润滑 与 密封 ， 2 0 0 7 ， 1 ． 【 6 ] 宋连荣． 液压与气动[ M 】 ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 9 ． 【 7 ] 冯锦春． 液压与气压传动技术【 M ] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 9 ．