李福田，張 淼，許 敏，廖大林，王 宇

（1.中原油田分公司采油一廠，河南濮陽(yáng)457001；2.長(zhǎng)慶油田公司機(jī)械制造總廠，西安710201；

3.河南信宇石油機(jī)械制造股份有限公司，河南濮陽(yáng)457006；4.咸陽(yáng)市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西咸陽(yáng)712021）①

抽油機(jī)驢頭應(yīng)力測(cè)試及開(kāi)裂原因分析

李福田1，張 淼1，許 敏2，廖大林3，王 宇4

（1.中原油田分公司采油一廠，河南濮陽(yáng)457001；2.長(zhǎng)慶油田公司機(jī)械制造總廠，西安710201；

3.河南信宇石油機(jī)械制造股份有限公司，河南濮陽(yáng)457006；4.咸陽(yáng)市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西咸陽(yáng)712021）①

游梁式抽油機(jī)的驢頭經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、開(kāi)裂現(xiàn)象，影響生產(chǎn)和安全性。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)驢頭側(cè)板進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試、超聲波測(cè)厚，無(wú)損滲透探傷，對(duì)抽油光桿進(jìn)行安裝對(duì)中度檢測(cè)。分析認(rèn)為驢頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和抽油機(jī)安裝的對(duì)中度不符合規(guī)范是造成驢頭開(kāi)裂的主要原因。提出了改進(jìn)措施，避免驢頭發(fā)生裂紋，提高了抽油機(jī)的使用壽命。

游梁式抽油機(jī)；驢頭；裂紋；分析

目前，游梁式抽油機(jī)仍然是主要的采油設(shè)備。由于驢頭直接承收抽油桿柱、液柱的全部載荷，并受到動(dòng)載荷的作用。因此，驢頭必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度。驢頭是采用鋼板焊制而成［1］。自2000年以來(lái)，中原油田分公司采油一廠共發(fā)現(xiàn)驢頭開(kāi)裂83件，占全部損壞驢頭的16.6%。針對(duì)此問(wèn)題，應(yīng)用動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試［2］，超聲波測(cè)厚［3］，無(wú)損滲透探傷［4-5］和安裝對(duì)中檢測(cè)［6］，研究驢頭開(kāi)裂的原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)驢頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文選取3臺(tái)抽油機(jī)驢頭進(jìn)行了動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)、超聲波測(cè)厚和滲透探傷，6臺(tái)抽油機(jī)進(jìn)行安裝對(duì)中檢測(cè)。

1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)

1.1 檢測(cè)方案

選取裂紋起裂區(qū)域（易裂區(qū)域），即，在驢頭左、右側(cè)板與游梁連接處的圓弧周?chē)鞑?片應(yīng)變片（共8個(gè)位置布片，如圖1所示），進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)。布片盡量靠近圓弧邊緣；已經(jīng)焊補(bǔ)過(guò)的地方，應(yīng)變片貼在補(bǔ)焊的鋼板上；在有裂紋的地方，應(yīng)變片直接跨裂紋兩邊布置。

圖1 應(yīng)變片的布置區(qū)域示意

1.2 檢測(cè)結(jié)果及簡(jiǎn)要分析

1） 文38-C24井

驢頭的應(yīng)變片布置如圖2。

圖2 文38-C24井驢頭應(yīng)變片布置

檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。驢頭左側(cè)板（1～4測(cè)點(diǎn)）的應(yīng)力比右側(cè)板（5～8測(cè)點(diǎn)）高。如果不對(duì)驢頭進(jìn)行調(diào)整，左側(cè)裂紋將比右側(cè)裂紋更易于擴(kuò)大。

圖3 文38-C24井抽油機(jī)驢頭應(yīng)力檢測(cè)曲線

驢頭左側(cè)板受拉應(yīng)力，右側(cè)板受壓應(yīng)力。2號(hào)測(cè)點(diǎn)受拉應(yīng)力最大為100 M Pa，8號(hào)測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力最大為-65 M Pa。分析原因是由于驢頭安裝不良而受側(cè)向（橫向）載荷所致。經(jīng)檢測(cè)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)是驢頭連接板和銷(xiāo)子的互換性影響驢頭受力，造成了驢頭單邊受力較大、對(duì)稱(chēng)點(diǎn)應(yīng)力反向等現(xiàn)象。相同時(shí)刻任意相鄰的測(cè)點(diǎn)之間存在較大的應(yīng)力梯度，體現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)力集中特點(diǎn)。曲線形狀類(lèi)似正弦波，表明作用在驢頭上的應(yīng)力為脈動(dòng)應(yīng)力或交變應(yīng)力，承受的是脈動(dòng)載荷。

2） 文13-411井

驢頭應(yīng)變片布置如圖4。

圖4 文13-411井驢頭應(yīng)變片布置

檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。驢頭左側(cè)板（1～4測(cè)點(diǎn)）的應(yīng)力水平普遍比右側(cè)板（5～8測(cè)點(diǎn)）高近1倍。說(shuō)明了為什么左側(cè)板先開(kāi)裂。

圖5 文13-411井抽油機(jī)驢頭應(yīng)力檢測(cè)曲線

驢頭左、右側(cè)板均受拉應(yīng)力。左側(cè)3號(hào)測(cè)點(diǎn)受拉應(yīng)力最大，最大值為37 M Pa；右側(cè)板7號(hào)測(cè)點(diǎn)受拉應(yīng)力最大，最大值為22 M Pa。分析是由于驢頭安裝不良而受側(cè)向（橫向）載荷所致。經(jīng)檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)是驢頭連接板和銷(xiāo)子的互換性影響驢頭受力，造成了驢頭對(duì)稱(chēng)部位的受力不均勻。同一時(shí)刻任意相鄰的測(cè)點(diǎn)之間存在較大的應(yīng)力梯度，體現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)力集中特點(diǎn)。曲線圖類(lèi)似正弦波，表明作用在驢頭上的應(yīng)力為脈動(dòng)應(yīng)力或交變應(yīng)力，承受的是脈動(dòng)載荷。

3） 文56-1井

驢頭應(yīng)變片布置如圖6。

圖6 文56-1井驢頭應(yīng)變片布置

圖7 文56-1井抽油機(jī)驢頭應(yīng)力檢測(cè)曲線

檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。驢頭左、右側(cè)板均受拉應(yīng)力。驢頭左側(cè)板（1～4測(cè)點(diǎn)）的最大應(yīng)力為145 M Pa，右側(cè)板（5～8測(cè)點(diǎn)）最大應(yīng)力75 M Pa。同一時(shí)刻相鄰的測(cè)點(diǎn)之間仍然存在較大的應(yīng)力梯度，尤其是左側(cè)板。最大點(diǎn)應(yīng)力值大約是最小點(diǎn)應(yīng)力值的3倍。左側(cè)板應(yīng)力最集中部位是4號(hào)測(cè)點(diǎn)，最大應(yīng)力值為145 M Pa，而右側(cè)板應(yīng)力最集中部位是6號(hào)測(cè)點(diǎn)，最大應(yīng)力值為75 M Pa。左側(cè)板最大應(yīng)力比右側(cè)板大1倍。左、右側(cè)板應(yīng)力水平高導(dǎo)致了驢頭左、右側(cè)板均已開(kāi)裂。曲線圖類(lèi)似正弦波，表明作用在驢頭上的應(yīng)力為脈動(dòng)應(yīng)力或交變應(yīng)力，承受的是脈動(dòng)載荷。

1.3 對(duì)比分析

1.3.1 共性點(diǎn)

1） 相距很近的4個(gè)測(cè)點(diǎn)之間存在較大應(yīng)力梯度，最大點(diǎn)應(yīng)力較大，體現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)力集中特點(diǎn)。

2） 作用在驢頭上的應(yīng)力為脈動(dòng)應(yīng)力或交變應(yīng)力，說(shuō)明驢頭上承受的是脈動(dòng)載荷。驢頭開(kāi)裂是高應(yīng)力集中部位在脈動(dòng)應(yīng)力或交變應(yīng)力作用下的疲勞開(kāi)裂。

3） 已開(kāi)裂的驢頭原應(yīng)力集中部位應(yīng)力水平有所下降，而未開(kāi)裂的驢頭應(yīng)力較高。說(shuō)明驢頭是以開(kāi)裂來(lái)釋放應(yīng)力的。

1.3.2 不同點(diǎn)

1） 文38-C24井驢頭出現(xiàn)了左側(cè)板正應(yīng)力大，右側(cè)板負(fù)應(yīng)力大的現(xiàn)象。分析是由于安裝不良，驢頭受側(cè)向（橫向）載荷所致。需重新安裝，平衡兩邊側(cè)板的受力狀態(tài)，盡量使兩邊受力均衡。

2） 文56-1井和文13-411井都出現(xiàn)多峰波形，分析是由于井下抽油泵和抽油桿摩擦卡阻所致。

3） 文13-411井驢頭雙面應(yīng)力相對(duì)比較均衡，應(yīng)力水平比較低，但雙面均已開(kāi)裂。

2 無(wú)損滲透探傷

2.1 檢測(cè)方案

選取裂紋起裂區(qū)域（易裂區(qū)域），即，在側(cè)板兩側(cè)圓弧周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行滲透探傷。盡量靠近圓弧邊緣，包括耳板焊縫；已經(jīng)焊補(bǔ)過(guò)的地方，對(duì)焊縫周?chē)M(jìn)行加密探傷。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

裂紋檢測(cè)結(jié)果如表1。

表1 驢頭裂紋無(wú)損滲透探傷檢測(cè)情況統(tǒng)計(jì)

1） 幾乎所有的裂紋方向都是從驢頭上耳板內(nèi)側(cè)開(kāi)始向上裂起，顯示了很強(qiáng)的規(guī)律性。

2） 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)微裂紋已經(jīng)存在，說(shuō)明裂紋從產(chǎn)生到發(fā)展有一定的過(guò)程，符合疲勞開(kāi)裂的特點(diǎn)。

3 抽油機(jī)井光桿對(duì)中度測(cè)量

3.1 檢測(cè)方案

根據(jù)井場(chǎng)實(shí)際，調(diào)整經(jīng)緯儀左右和前后方向水平。站在抽油機(jī)的前方測(cè)量抽油機(jī)光桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的左右最大偏移，站在抽油機(jī)的側(cè)面測(cè)量抽油機(jī)光桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的前后最大偏移。測(cè)量時(shí)經(jīng)緯儀應(yīng)盡量放在抽油機(jī)的正前方或與抽油機(jī)垂直的正側(cè)面。為便于觀察，經(jīng)緯儀應(yīng)遠(yuǎn)離井口5 m以上。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

抽油機(jī)井光桿位移對(duì)中度檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2。超過(guò)50%的抽油機(jī)井光桿對(duì)中未滿足使用要求，不同程度地存在著偏移，最大達(dá)到57 m m。光桿不對(duì)中是導(dǎo)致驢頭開(kāi)裂的原因之一。

表2 抽油機(jī)井光桿位移對(duì)中檢測(cè)情況統(tǒng)計(jì)

4 腐蝕（壁厚）測(cè)量

4.1 檢測(cè)方案

根據(jù)井場(chǎng)實(shí)際，選擇4個(gè)準(zhǔn)備貼應(yīng)變片的位置測(cè)量其厚度。先將測(cè)厚面打磨平整，打磨面必須光亮、有光澤；涂上耦合劑，耦合劑要均勻涂抹在測(cè)點(diǎn)上。探頭要緊貼測(cè)量平面，不得有氣泡殘留。

4.2 檢測(cè)結(jié)果

驢頭鋼板腐蝕厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3。經(jīng)過(guò)多年使用，大部分抽油機(jī)都出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，最薄的驢頭鋼板只有7.6 m m。設(shè)計(jì)的壁厚是8 m m或10 m m。由此可見(jiàn)腐蝕量是相當(dāng)?shù)膰?yán)重。

表3 抽油機(jī)驢頭鋼板厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)

5 裂紋原因分析

5.1 抽油機(jī)驢頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

主要是連接耳板與側(cè)板連接方式不當(dāng)，力流傳遞截面變化太突然，造成抽油機(jī)驢頭側(cè)板局部應(yīng)力集中，使鋼板疲勞而產(chǎn)生裂紋。裂紋方向全是從上耳板內(nèi)部開(kāi)始朝上發(fā)展，可見(jiàn)裂紋的產(chǎn)生有其共性特點(diǎn)，與驢頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理有關(guān)，這是造成抽油機(jī)驢頭開(kāi)裂的最主要原因。

1） 中原總機(jī)廠曾針對(duì)這一問(wèn)題改進(jìn)了設(shè)計(jì)，加寬了驢頭連接耳板，并補(bǔ)焊了加強(qiáng)板，但加強(qiáng)板并未徹底消除驢頭上耳板根部處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中尤以無(wú)加強(qiáng)板的驢頭開(kāi)裂居多。從圖8中可以看出，有加強(qiáng)板的驢頭照樣開(kāi)裂，說(shuō)明這種補(bǔ)加強(qiáng)板的方法并未徹底解決問(wèn)題。

2） 圓弧角的彎曲弧度太小，難以滿足力流傳遞或重新分配的需要。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況看，大部分產(chǎn)生裂紋的驢頭，其耳板內(nèi)側(cè)的圓弧角都比較小，有些甚至是直角，使該處的應(yīng)力集中情況嚴(yán)重。

3） 驢頭鋼板選型太薄。壁薄導(dǎo)致側(cè)板邊沿受力截面積小，因而單位面積上的承載（應(yīng)力）將比厚壁鋼板大些，使驢頭更易產(chǎn)生裂紋。

圖8 補(bǔ)焊有加強(qiáng)板的驢頭側(cè)板產(chǎn)生裂紋

5.2 安裝不當(dāng)

部分抽油機(jī)存在安裝不對(duì)中的情況，使驢頭承載狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生橫向載荷，形成抽油機(jī)驢頭鋼板單邊承載或一面?zhèn)劝宄惺芾瓚?yīng)力另一面?zhèn)劝宄惺軌簯?yīng)力，客觀增加了承受拉應(yīng)力側(cè)板的應(yīng)力水平，更加劇了應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度，促進(jìn)了驢頭開(kāi)裂的發(fā)生。驢頭與游梁連接板及驢頭銷(xiāo)子互換上的不匹配是造成驢頭開(kāi)裂的次要原因。

6 結(jié)論

1） 抽油機(jī)驢頭開(kāi)裂的主要原因是設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中，次要原因是材料、焊接制造及安裝調(diào)試的缺陷。

2） 改進(jìn)措施：設(shè)計(jì)驢頭側(cè)板時(shí)，加強(qiáng)筋板要有較大的過(guò)渡圓角，避免銳角，消除應(yīng)力集中，改進(jìn)焊接工藝，精心安裝調(diào)試。

3） 改進(jìn)后的驢頭安全可靠，使用壽命顯著提高。

［1］ 李紅才，李海東，宋念友，等.抽油機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)式驢頭改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（12）：100-102.

［2］ G B／T50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ G B／T 11344—1989，接觸式超聲波脈沖回波法測(cè)厚［S］.

［4］ JB／T9218—1999，滲透探傷方法［S］.

［5］ JB／T4730.1-4730.6—2005，承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)［S］.

［6］ G B／T 3161—2003，光學(xué)經(jīng)緯儀［S］.

Stress Test and Crack Analysis of Pum ping Unit Horsehead

LI Fu-tian1，Z H A N G Miao1，X UMin2，LIA O Da-lin2，W A N G Y u4
（1．N o．1Oil Production Plant，Zhongyuan Oilfield Com pany，Puyang457001，China；2．M achinery M anufacturing Plant，Changqing Oilfield Com pany，Xi’an710201，China；3．H enan Xinyu Petroleu m M achinery M anufacturing Limited Co．，Ltd．，Puyang457006，China；4．Xianyang Special Equip ment Inspection Institute，Xianyang712021，China）

T he horsehead of pu m ping unit often generate cracks and splits，w hich influence production and safety.T hrough dyna mic stress tests，ultrasonic thickness measurement，penetration inspection of horsehead side plate and installation align ment detection of polished rod on the scene. T he analysis suggests that the main reason of horsehead cracks is unreasonable horsehead structure design and installation align ment of pu m ping unit，w hich doesn＇t conform to the specifications.In order to avoid horsehead cracks and increase the service life of pu m ping unit，so me improved measures are put forward.

beam pu m ping unit；horsehead；crack；analysis

T E933.107

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.001

1001-3482（2014）08-0103-05

2014-03-22

李福田（1965-），男，河南安陽(yáng)人，工程師，1992年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)，主要從事石油裝備管理工作，E-mail：lft1965＠126.co m。