李卓睿，李鹏飞，李东淼
（1.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津 300280；
2.大港油田第一采油厂，天津 300450）
潜油电泵有部件种类多、工作环境复杂等特点，同时又在高温、高压、含杂质、强腐蚀性等恶劣海洋环境下工作，因此极易出现故障，严重影响设备的正常工作。而其一旦出现故障，将造成设备长期停运，给油气田带来巨大的经济损失。为降低人工成本，减少停机事故损失，在有限的数据环境下如何对潜油电泵进行实时、高效的故障诊断与维护具有重要的现实意义。
潜油电泵站是一套利用转动原理来提升液体的手动提升装置：首先在电机的驱动下，离心泵的各个叶轮高速转动，在离心力的作用下将泵的机械能量转化为力能量，达到提升地层中的石油并将其提升至地表的目的。
潜油电泵系统由潜油电缆、潜油泵、油气分离器、电机保护器、潜油电机和泵的工作状态检测装置等组成[1]。其中，潜油电缆、潜油泵和潜油电机是地下作业装置，油分离装置和电机保护器是电泵的防护装置，泵工作状态测试仪是检验装置。
（1）潜油电机是一种用于向地下输送电力的关键装置，它与一种特殊的电机保护装置相互配合使用。潜油电机的直径一般比较小，在20 cm 以下，目前国内大多数为三相鼠笼式充油感应电机，结构简单，造价低廉，安装、维护和检修方便。该型电机的转子绕组是一种短路线圈，这种线圈的特点是：在转子凹槽内放置一条比铁心大的导线，并在铁心的两端通过端环连接导线，构成一种类似于鼠笼式充油感应电机的短路线圈。
（2）潜油离心泵通常被称为潜油泵，是一种用于手动提升作业的潜油电泵机组。其工作机理是，利用潜油电机发电，推动离心泵的叶轮转动，将油水逐步提升，从而达到开发海洋石油的目的。在海上油田，潜油离心泵一般在1500 m 以下的深海环境中工作，并且具有比较高的级数。按照不同的海洋环境和生产需求，潜油离心泵的级数也会有所区别，一般在80 级以上。一些有强提液要求的油井，为了达到有效的生产，就必须采用200 级以上的离心泵[2]。
海洋油田的潜油电泵故障发生率很高，原因有3类：一是高温、高压和强腐蚀性的工作条件；
二是有可能受到气体、原油中杂质含量较大等多种因素的影响；
三是由于其本身的构造和部件的特殊性。
2.1 离心泵叶轮故障
2.1.1 叶轮冲蚀磨损数值模拟
以W150 型电泵为例，其叶轮为圆柱形叶片，共有8 个叶轮。由于叶轮流动区域呈现不规则的变化，因此采用四面体网格对其进行模拟（图1）。该模型适应性较强，可以模拟叶轮的不规则变化，然后对流动变化复杂的叶片进行局部加密。
图1 叶轮流道网格
（1）模型坐标系处理。采用离散相模型，并设置相关参数：流体排量为150 m3/d，砂粒进口体积分数为0.3%，砂粒直径为0.05 mm，砂粒密度为2700 kg/m3。对于可流通区域，采用多重参考系模型，将叶轮流域设置为可移动坐标系，同时将旋转速度设置为2300 r/min。
（2）进出口边界条件设置：叶轮入口设置速度进口，液相出口边界设置自由流动，颗粒相出口为逃逸；
设置固相入口边界为逃逸，固相射流源为面源；
设置颗粒质量流率和粒径，设置颗粒为惰性粒子，密度为2700 kg/m3；
进口截面颗粒速度和体积分数为均匀分布，颗粒相对液相系数为1，即进口边界液相和固相速度相同。
（3）液相壁面条件为无滑移，固相壁面条件为反射壁面，同时考虑壁面与颗粒之间的碰撞反射。
2.1.2 基于离散相模型的叶轮磨损分析
该叶轮前盖板有不同程度的磨损，包括出口、入口及其他部分（图2）。从磨损部位来看，距离吸力面较近的位置磨损较为严重，平均磨损率约6.29×10-5kg/（m2·s）；
叶轮后盖板后半部分有轻微磨损，而前部分磨损相对较为严重，平均磨损率约9.12×10-5kg/（m2·s），后盖板磨损程度大于前盖板。
图2 叶轮盖板磨损云图
该叶片吸力面出现磨损伤害较多，其中叶轮出口位置磨损最轻，中部位置磨损增加，头部位置磨损最为严重（图3）。而压力面出现磨损伤害主要集中于尾部和头部，中部位置磨损相对较轻。压力面和吸力面磨损率基本一致，但叶片吸力面磨损位置较多，分布范围较大，平均磨损率约1.39×10-5kg/（m2·s），压力面平均磨损率约4.25×10-5kg/（m2·s），可见吸力面出现的磨损较为严重。
图3 叶轮叶片磨损云图
2.1.3 故障原因分析
在油田开发过程中，潜油泵的常见故障有泵轴磨损、泵轴断裂、叶轮偏磨等。造成泵轴断裂的因素很多，如液体腐蚀和杂质含量超标等。在出现轴断裂的情况下，由于泵的各项性能指标将会有较大变化，进而引起系统的熵增大或过负荷停车。与其他超负荷停车故障相比，泵轴断裂故障对系统的振动状态有很大影响[4]。
潜油泵出现磨损故障时，叶轮的重心会偏离原来的几何中心。因为在旋转过程中有一种离心式的惯性力，所以旋转轴会在旋转过程中给叶轮带来一种弹性的回复力，在各种外力的作用下该系统达到了一个均衡，其振幅增大而频率保持恒定。但是在长期运行后，泵的轴载较大、单元振动较大、磨损故障等因素会对泵的轴向形成持续的撞击和摩擦力，从而导致泵轴损坏。
2.2 潜油电机故障
尽管有电机保护装置，但由于长期工作在高压力、高温度、高腐蚀等恶劣工况下，潜油电机也很容易出现故障。电机故障主要有两种，一种是电机损坏、另一种是电机烧毁。
（1）导致电机损坏的主要原因是堵塞和夹砂等，由于这种故障所引起的不均衡的压力，使电机在运转时发生损耗。
（2）电机烧毁的原因比较多，如保护器故障、液体供给不足、杂质过多、频繁启动等，都会引起电机过热，进而引起电机烧毁。所以，在保证设备正常运行的前提下，必须定期检测潜油电泵系统，以防止电机出现故障[3]。
3.1 电气故障
（1）对于潜油电气烧毁故障的维修，一般需要先检查电源是否正常，再根据电源进行电机的拆卸和组装。首先要对电机进行绝缘检查，如果发现绝缘电阻低，可以采用浸漆处理来提高其绝缘性能；
有打火现象，则要对电机内部进行清理，然后再用无酒精清洗干净，最后采用专业的设备对电机进行干燥处理，保证其干燥、清洁。
（2）对于潜油电机漏电故障，维修时首先也要查看电源是否正常，在确认没有问题后才可以进行下一步操作[5]。然后检查潜油电泵的外壳，如果发现有破损现象则要及时修补，确保其完好无损。最后再断开开关并进行测试，确保其工作正常。
（3）对于因堵塞和砂卡造成的故障，维修时应注意以下两个事项：一是在进行维修时，可以先清洗电机内部，然后清理掉电机内部的杂物，堵塞比较严重时可以配合使用真空吸砂器和抽油机来提高潜油电泵的抽吸效率；
二是清理电机的主轴，保证主轴的清洁，如果发现主轴有裂痕则可以将其更换。
3.2 离心泵叶轮故障
潜油离心泵的故障中，轴承损坏比较常见，维修时方法主要有两个，一是更换新的轴承，二是修复轴承：磨损严重的轴承需要进行更换，如果磨损不严重可以采用冷焊修复法进行修复。具体维修步骤为：首先，将轴承清洗干净，并将其晾干；
其次，用细砂纸清除掉轴承内部的研磨物，并用锉刀对其进行打磨，直至轴承内没有研磨物；
然后在轴套上涂一层石墨粉，并将轴套放入专用的设备中进行加热（一般情况下，经过2～3 h后、当轴套内的温度达到60～70 ℃时就可以将其取出并进行打磨）；
最后用细砂纸对轴套进行打磨直到没有任何痕迹为止[6]。
对于因轴磨损、轴断裂、叶轮偏磨多引发的故障，可以针对性地采取以下维修措施：
（1）轴磨损。对于轴磨损的维修可以分为两个步骤，一是从轴上拆下轴套，采用冷焊修复法进行修复，将轴清洗干净，并用锉刀将轴上的研磨物全部清除掉；
二是对轴进行重新加工。
（2）轴断裂。轴断裂后，首先需要将其拆卸下来，并用专用的工具对断裂部分进行清理；
然后再对轴进行打磨，使其表面达到一定的粗糙度；
最后将轴重新进行加工。
（3）叶轮偏磨。当叶轮发生偏磨后，需要先将叶轮的表面清理干净，然后利用专用工具进行磨平处理。
（1）由于堵塞和夹砂等引起的不均衡压力，是导致潜油电泵电机故障的主要原因，而保护器故障、液体供给不足、杂质过多及频繁启动等，也会导致电机过热甚至导致电机烧坏。
（2）潜油离心泵的常见故障有泵轴磨损、叶轮偏磨、轴断裂等，其常见的电缆故障为电缆击穿，原因包括化学、温度和机械等类别。故障的维修措施有多种，如检查电源是否正常、对电机进行拆卸和组装、进行绝缘检查和干燥处理、更换新的轴承或修复轴承（包括对轴断裂、叶轮偏磨进行维修）等。
（3）潜油泵井下电缆击穿事故发生的概率较大，应避免将其置于室外，并且在铺设缆索时应密切监视缆索的运行状况等。
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