压裂泵液力端产生裂纹的原因及预防措施

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1、第7期-51-压裂泵液力端产生裂纹的原因及预防措施桑伟（大庆钻探井下作业工程公司，吉林松原138000）[摘要]压裂泵的液力端（阀箱）为价格昂贵的易损件，该部件在高循环压力载荷下工作，且受工作介质（酸或碱液）的腐蚀。液力端损坏现象愈发普遍，给企业带来一定的损失。本文分析了液力端损坏的原因并提出了预防措施，可相对延长液力端的使用寿命。[关键词]压裂泵；液力端；裂纹；气蚀；预防措施2.1液力端产生裂纹的部位大多发生在排出阀锥孔到液缸拐角处。其主要原因是，在液力端排出阀锥孔处，有排出阀上总液压产生的较大应力的作

2、用。排出阀在工作时，不断起落造成小能量多冲击作用，拐角处的应力集中很大，较大的交变应力和腐蚀介质的联合作用，容易产生裂纹。相反，在液力端吸入阀座锥孔处，只有阀上总液压产生的应力作用，因距交叉拐角处较远，故应力集中对此处的影响也较小。2.2调质时出现微裂纹。目前国内压裂泵液力端所采用的钢材主要有43CrNi2MoV与42CrMo合金钢，前者用于100MPa以上压力的超高压液力端，后者用于100MPa以下压力的液力端。压裂泵调质前毛坯重量达2吨多，形状复杂，壁厚不均，调质时加热和冷却都不易均匀，在应力集中的交

3、叉孔相贯处有较大的残余应力，当这些残余应力达到一定值时首先开裂、延伸，至宏观裂纹出现。这种情况出现后，即使在出厂时通过静水压力实验没有发现裂纹，但由于存在较大的残余应力，经使用一段时间后，在交变应力和腐蚀介质的作用下，也会较快地出现裂纹。2.3液力端吸入室内产生气蚀造成液力端出现裂纹。可以排除液力端的制造原因，重点分析气蚀对液力端产生的影响。三缸容积式柱塞泵为往复运动方式，由于液体流动作用，在吸入和排出管线中产生周期性压力脉冲，这种周期性压力脉冲的产生，是因为柱塞在吸入冲程开始工作时，由速度为零到吸入冲程

4、中间达到最大，然后由冲程速度最大再回到零的加速和减速运动而引起的。在石油勘探开发作业中，压裂、酸化施工是改造油气藏的重要手段之一。压裂施工是通过注入高压流体使井底地层形成具有足够大小的填砂裂缝，以增加油气的流动性，提高油气采收率的一种有效的方法。吉林油田低渗透油气井需借助压裂和酸化作业才能达到稳产和增产的目的。随着油田开发的变化，大型压裂施工尤其是气井的施工只能动用更多的设备来满足施工要求。压裂作业需要的成套设备，通常包括多台压裂泵、1~2台混砂车、1台压裂仪表车、地面管汇和其它辅助设备。液力端是压裂泵的

5、易损件。由于压裂泵长期工作在恶劣的环境下，尽管液力端采用了成本很高的优质钢和精加工工艺，也常因高应力腐蚀发生开裂甚至损坏，寿命普遍较低，多数工作寿命不足350h，主要原因是液力端在工作时承受很高的疲劳载荷、介质腐蚀及冲蚀作用，且箱体某些形状易造成应力集中。随着油田超深井、超高压井的不断增多，压裂泵的工作压力和排量不断增大，在高压和高排量下，液力端损坏情况日益严重。因此，分析液力端损坏的原因和采取相应的预防措施具有重要意义。1液力端损坏的位置无论是进口的（OPI、SPM）还是国产的（濮阳、兰州、川中）200

6、0型液力端，都不同程度地出现过损坏。发生裂纹的部位，在液力端的三个缸中，靠泵排出口的那个缸裂得最多，中间缸次之，吸入缸裂得最少；在同一缸中裂纹出现最多的部位是排出阀座锥孔处、两孔相交处以及吸入阀座锥孔处。2液力端裂纹生成原因分析作者简介：桑伟（1971—），男，吉林松原人，学士，工程师。从事设备管理与维修工作已12年。石油和化工设备2013年第16卷技术交流-52-对于三缸泵，每个缸出现同样的压力脉冲，只是三个工作缸之间存在120°的相位差。三个缸每转入60°的角，一个吸入阀打开或另一个排出阀关闭。在任意

7、曲轴转角时，吸入和排出总管汇中所要求的总瞬时流速是该曲轴转角时每一缸腔中的流速总和。曲轴从0°转到60°，排出管汇中只能看到从三号缸流出的液体，而吸入总管汇中的流量要求则为第一缸和第二缸流量之和。同时，在任意时刻流速的加速度必定和流速本身反向。如第三缸120°时，吸入阀开启，需要液体流入，同时吸入总管汇的流速正在减少，但因为瞬时液体的需求量必定和流速本身反向，所以流速必然增加。而这种液体需求的突然增加而引起的损失也被称为加速度压头损失。在这种情况下，如果没有足够的液体按需求流入泵腔内，则压力将会突然降低，

8、在极端情况下，瞬时压力会突然降到接近某种极限时，液体中就开始产生空气泡，空气泡随液流进入泵的工作腔的扩散段，流速降低而压力升高，空气泡得以重新凝缩。液流中空气泡的产生、扩大、消失过程涉及物理、化学现象，发生噪音、振动，甚至对流体通道、液力端、工作腔材料产生侵蚀作用，使液力端产生裂纹。3预防液力端开裂应采取的措施预防液力端开裂，提高液力端寿命的方法较多，可从材质、工艺、预应力处理、防气蚀等方面进行。3.1选择合理的液力端材质合理