长冲程抽油机皮带失效分析及预防措施

孙 健

作者通联：中国石油长庆油田分公司第二采油厂 甘肃庆阳市庆城县 745100

E-mail：hanshuichun1@126.com

随着越来越多的油田进入开发中后期，对机械采油设备的开发和研究技术水平也更高，其中长冲程抽油机（以下简称抽油机）因高效、节能以及可实现不停机无级任意调整冲程和冲次等优势被广泛使用。抽油机皮带失效会伴随一系列安全事故，影响油井正常生产和现场作业工人的人身安全。以下针对抽油机皮带失效进行较为系统的分析，并建立应对措施，确保抽油机安全、正常运行。

一、皮带失效分析

抽油机皮带的内部为钢丝与橡胶组成的复合结构，由于皮带周期性的缠绕作用，一定时间后，使得皮带内部钢丝产生疲劳断裂，同时橡胶部分可能因为老化、疲劳、擦挂等作用也会产生疲劳裂纹，最后扩展断裂，从而导致抽油机皮带失效。

1.失效时机

在抽油机正常工作过程中，皮带作上下往复运动，其中必然伴随着皮带的加速和减速过程。具体而言，当配重从上死点下行时，皮带先加速到正常速度后匀速下行，然后减速下行，达到下死点时速度正好为零；当配重从下死点上行时，皮带先加速向上达到正常速度后匀速上行，然后减速上行，达到上死点时速度正好为零。抽油机皮带在上述关键节点处的受力情况分析如下。

（1）当配重处于匀速运动阶段时，抽油机的皮带受到相当于静载荷的力，此时皮带配重端和光杆端所受到的拉力分别为：

式中 F1——皮带配重端所受拉力，N

F2——皮带光杆端所受拉力，N

m1——配重质量，kg

m2——光杆端负载质量，kg

g——重力加速度，m/s2

（2）当配重加速下行时，光杆端加速上行，假设此阶段配重端向下的加速度绝对值与光杆端向上的加速度绝对值相等，则此时皮带配重端和光杆端所受到的拉力分别为：

式中 a——配重端向下的加速度绝对值，m/s2

（3）当配重端加速上行时，光杆端加速下行，同样假设此阶段配重端向上的加速度绝对值与光杆端向下的加速度绝对值相等，则此时皮带配重端和光杆端所受到的拉力分别为：

式中 a′——配重端向上的加速度绝对值，m/s2

从以上各式可看出，当配重处于匀速运动阶段时，抽油机光杆端皮带和配重端皮带的失效可能性最小；当配重加速下行时，光杆端皮带受力增大，配重端皮带受力减小，此时抽油机光杆端皮带较配重端皮带失效可能性较大；当配重端加速上行时，光杆端皮带受力减小，配重端皮带受力增大，此时配重端皮带较光杆端皮带失效可能性较大。

2.失效形式

由于抽油机皮带为钢丝与橡胶的复合结构，这样皮带在制造加工过程中或多或少会有部分缺陷。如内部钢丝初始长度的微小差异，内部钢丝初始状态内部应力的差异，制造过程中钢丝排列的不均匀性，钢丝或橡胶材料本身不均匀性等。因此除抽油机所受载荷突然远远超过其承载能力的情况外，抽油机整个皮带断裂，出现断截面钢丝同时断裂的可能性很小，绝大多数情况下抽油机皮带的失效是一个积累损伤的过程。

正是由于皮带本身的制造缺陷及受力的周期性，皮带断带之前必然出现内部钢丝局部疲劳断裂，而不是同时出现。由于某股钢丝出现断丝，使得其他几股钢丝及橡胶带受力增大，其外在表现为抽油机皮带变形伸长；再经过一定时间其他几股钢丝陆续断裂，使橡胶本体难以承受较大负载，外在表现为抽油机皮带整体断裂失效。除此之外，当抽油机皮带出现局部钢丝断裂失效时，皮带在抽油机导向轮或主动轮上的缠绕也可能出现侧偏，导致抽油机皮带与导向轮的侧板发生较大摩擦，进一步加剧抽油机皮带的失效。

二、失效预防措施

为避免抽油机皮带失效引发相关事故，有必要在抽油机出现皮带失效之前采取相应的措施，及时更换抽油机皮带，防止安全事故的发生，确保抽油机正常、安全作业。

1.导向轮侧面安装触碰开关

当抽油机皮带内部单侧首先出现钢丝断裂时，皮带橡胶部分伸长量增大，皮带单侧弯曲导致其在导向轮上的缠绕出现侧偏（图1），加剧与导向轮的摩擦。当抽油机皮带内部单侧钢丝断裂导致皮带伸长量达到一定阶段时，与安装在导向轮侧面的触碰开关接触进而触发报警系统，实现抽油机整体停机进行检修。

图1 抽油机皮带单侧钢丝断裂

2.负载端下死点安装触碰开关

当抽油机皮带内部钢丝首先从中部位置断裂失效，同样皮带橡胶部分伸长量增大进而导致皮带的总伸长量会明显增加（图2），当内部钢丝断裂失效到一定程度时，抽油机整个皮带断裂失效。因此当抽油机皮带内部钢丝首先从中部位置断裂失效时，可以在负载端下死点安装触碰开关，当皮带伸长量达到一定阶段时，触发触碰开关进而触发报警系统使机组及时停机，避免发生安全事故。

公式（7）和（8）可计算出抽油机皮带在受到负载作用下的伸长量和抽油机皮带能够承受内部钢丝断裂失效的根数。

图2 抽油机皮带中部钢丝断裂

式中 δi——抽油机皮带受到负载作用下的伸长量，m

i——抽油机皮带内部钢丝断裂失效的根数

m——负载质量，kg

l——抽油机皮带的原始长度，m

n——抽油机皮带内部钢丝总数

E——抽油机皮带内钢丝绳弹性模量，Pa

A——抽油机皮带内钢丝的截面积，m2

[σ]——抽油机皮带钢丝的极限拉应力，Pa

如抽油机配重端配重块重9.7t，抽油机皮带原始长度为9m，内部钢丝的弹性模量为120GPa，钢丝直径为8.1mm，根数为11。经分析计算可知，该抽油机配重端皮带允许的最大断裂失效钢丝为4根，并且断裂失效4根钢丝后的皮带伸长量为20.2mm，比正常伸长量多7.4mm。另外，经分析可知抽油机皮带在加速换向阶段会有3.9mm的伸长量，因此将触碰开关安装在配重端正常下死点以下11mm 处，可防止抽油机配重端因皮带断丝失效而引发相关事故。