抽油机横梁轴承座连接螺栓断裂原因分析及改进措施
摘 要：ⅡCYJW系列规定质心下置平衡游梁抽油机虽然使用广泛、口碑良好，但是近些年已发生多起横梁轴承座连接螺栓断裂的情况，造成设备故障和财产损失，文章主要针对其一起连接螺栓断裂事件，认真分析导致事故发生的可能原因，并提出了相应的改进方法。
关键词：连接螺栓 原因 改进措施
一、引言
ⅡCYJW系列规定质心下置平衡游梁抽油机，近年来，各采油作业区皆出现该型号抽油机横梁轴连接螺栓断裂情况，由于该型号抽油机属于前置式，连接螺栓的断裂导致横梁和连杆掉落砸向井口，造成抽油机故障、井口大四通报废、井口流程损坏、环境污染等事故，严重影响油井正常生产。因此，及时查找事故原因显得尤为重要，本文通过对连接螺栓断裂事故进行现场调查和研究，分析了造成断裂的原因及整改措施，为杜绝此类事故再次发生提供一点帮助。
二、横梁轴承固定螺栓的作用
横梁轴承固定螺栓是连接横梁与连杆的主要部件，电机通过曲柄、连杆带动游梁做往复运动，固定螺栓不仅起到了固定作用，更实现了力和力矩的传输。
三、固定螺栓断裂的原因分析
1.应力集中
在游梁做机械运动时，固定螺栓一直在受力的过程中，疲劳破坏从高应力区域内晶粒产生塑性滑移开始，在交变应力作用下，逐渐发展成微细裂纹，随后裂纹两端在交变应力作用下不断扩展，最后导致断裂。因此，疲劳破坏实质是由于裂纹变形与发展而造成的破坏。疲劳端口表面一般存在着光滑与粗糙两个区域，这是因为在无数次高循环交变应力作用下，裂纹处的截面时而张开、时而压缩，因而形成光滑断口；而粗糙区则为最后脆断破坏的特征，属于高循环低应力疲劳。
螺栓的螺纹内应力集中系数一般在2.5左右，但在螺母结合的第一扣螺纹内，应力集中系数高达3.85。由于螺栓孔偏磨，螺栓承受附加弯矩，疲劳寿命大大降低。
由于螺纹根部没有足够大的圆形倒角回避拉应力缓冲过渡，导致根部应力集中，产生微观细纹，螺栓头与螺杆连接面积越来越小，螺栓的拉应力突然变成拉应力与剪切应力之和，裂纹加大，接触面积不断减小，导致突然断裂。这是典型的台阶状杆件受拉力应力集中断裂类型。
2.材质应用
目前业内该型抽油机连接螺栓生产材质大多选择35CrMo合金钢，而故障抽油机固定螺栓材质为45#钢。
45#钢的抗拉强度只有35CrMo合金结构钢的60%，45#钢的屈服强度只有35CrMo合金结构钢的40%，除此之外，35CrMo合金结构钢有很高的冲击韧性和疲劳极限。因此，45#钢的力学性能远逊于35CrMo合金结构钢。
3.结构设计
该系列抽油机的横梁支撑连接螺栓为上下贯通式，长度较长，一般在500 mm以上，支撑面钢板厚度只有8-10mm，在抽油机载负荷运行期间，螺栓受力容易弯曲，造成剪切扭伤，而游梁的支撑面强度不够，容易变形，从而造成螺栓连接面不平，螺栓连接松动，形成巨大冲击力，造成螺栓断裂。
4.安装调试
抽油机日常运行应在平衡度为85%～115%的工况下运行，对出现严重过平衡（平衡度>115%）或欠平衡（平衡度<85%）时，应立即进行调整。在正常平衡度工况下，抽油机电动机负功与总功的比值不超过3%，日耗电量不超过2%；当抽油机处于极端不平衡工况时，抽油机电动机负功与总功的比值可达40%以上，日耗电量也增加40%，减速器输出值扭矩峰值较平衡状态增加87%以上，因而连杆传输的扭矩也相应增加很多，连接螺栓在较大的剪切应力冲击性较易发生弯曲变形导致松动，进而引发事故。
四、针对以上因素的处理措施
1.连接结构优化
原设计中连接螺栓贯穿整个游梁与横梁连接，螺栓较长，易出现拉伸变形，优化方案是在游梁两侧靠下的部位，设置一个连接螺栓的平台，在不影响连接强度的情况下，可以使螺栓长度缩短很多，改善了螺栓的受力条件，以提高螺栓的抗疲劳强度。
2.连接件优化
对连接螺栓材质及加工工艺全面优化。原设计的连接螺栓为GB/T5782-2000标准螺栓，牙型为粗牙，材质为45#钢，性能等级为8.8级。现将螺栓改为等长双头螺柱，牙型为细牙，材质为35CrMo合金结构钢，螺纹加工工艺为滚制，热处理为调制HB=255-302，性能等级为9.8级，进一步提高连接螺栓的力学性能。
3.连接工艺优化
在双头螺柱两端各安装两只平方垫片，以增加螺柱的受力接触面积，从而增加螺栓的预紧力和摩擦力，防止由于连接螺栓孔孔径过大造成的受力不均等问题。
4.安装工艺优化
抽油机在安装调试时，要严格依照设计平衡配重，当井底工况发生变化后或抽油机迁装时，要及时调整平衡，认真计算平衡率和判断平衡位置。应用使上下冲程电动机做功相等的原则来计算与调整抽油机的平衡，能够很好的减小电动机的发电量；应用使上下冲程中减速器曲柄的最大扭矩相等的原则来计算与调整抽油机的平衡，能够很好的降低减速器输出轴的净扭矩峰值。
5.现场管理强化
5.1生产现场要做好抽油机的巡回检查，认真填写巡回检查记录，定人定岗定责。抽油机清洁、润滑、紧固、调整、防腐达到标准。
5.2依照“十字”方针，按时对抽油机日常维护，在用抽油机累计运转800小时进行一级保养，在用抽油机累计运行达2000小时进行一次二级保养。抽油机安装要平、正、稳、牢，新安装的抽油机在第一次运转24小时、运转一周、运转30天应分别紧固一次。
5.3抽油机在使用中，若发现异常响声、振动、轴承过热以及其它影响抽油机安全的故障时，应立即检查并及时排除故障。
5.4按润滑要求定期加油或换新润滑油，各类油脂不能出现跑冒漏和品质过期情况。
5.5新购螺栓必须提供材质理化分析报告、热处理工艺报告、机械性能测试报告，材料到货后进行抽检，从源头上保证螺栓的合格率。
五、结论
ⅡCYJW系列规定质心下置平衡游梁抽油机在青海油田已有广泛使用，该机型虽有诸多优点，但在面对复杂油井因素时仍有不足，以上对该机型在生产中出现的问题进行了分析和处理，通过低成本的局部改造，能够做到扬长避短，相信改造后的抽油机会有较高的经济利用价值和推广价值。
参考文献：
[1]刘鸿文 《材料力学》 高等教育出版社 2004.年4月
[2]中国机械工程学会热处理学会 《热处理手册》 机械工业出版社 2008.年1月
[3]刘永田 《机械制图基础》 北京航空航天大学出版社 2009年6月
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容