压裂泵无相贯线阀箱设计及有限元分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com20一■论文广场石20油10与年化第工13设卷备．压裂泵无相贯线阀箱设计及有限元分析陈辽望‘，崔晓宇，陈辽洋，梅宇光，何进(1．西南石油大学机电工程学院，四川成都610500)(2．中国石油辽河石油职业技术学院，辽宁盘锦124]03)(3．中国石油辽河石油高升采油厂，辽宁盘锦194]25)(4．中蓝连海设计研究院，江苏连云港222000)(5．西南油气田，四川成都61oO51)[摘要]一种新型液力端结构一无相贯线阀箱，用Pro／E_~维软件建立阀箱模型，在阀箱工作压力为80MPa的条件下，用ANSYSWorkbench软件对

2、新设计的阀箱进行有限元分析，新阀箱的最大的应力值比原结构阀箱的最大应力值小500MPa，应力值大幅下降，为延长压裂泵液力端的疲劳寿命提供了新的思路。[关键词]压裂泵；阀箱；相贯线；有限元分析压裂泵用于油田压裂作业，可改善地层渗透ANSYSWorkbench有限元分析，分析结果与现用能力，增加油井产量，其特点是工作压力高，排阀箱相比，应力值有大幅度下降，为提高压裂泵量较小。压裂泵工作时，其阀箱承受着高水平的液力端的疲劳寿命提供了新的解决思路。交变压力，容易产生疲劳破坏，尤其是液缸内的1液力端的新结构相贯线部位，有复杂的应力集中，这种应力集中压裂泵加速疲劳破坏的根

3、本问题在于高压液是造成阀箱失效的主要原”。为提高阀箱的使用缸与阀箱相贯处的相贯线，解决这一问题的思路寿命，可采用阀箱自增强技术和对相贯线进行倒在于从结构上取消这些相贯线。如图1所示，新液圆处理的特殊工艺【。这些方法在延长阀箱寿命方力端阀箱为无相贯线直通型圆筒结构，吸入阀安面起到了一定的作用，但因没有从改善结构设计装在空心柱塞上，因此没有吸入阀阀箱与液缸相方面解决应力集中，也就不能从根本上解决压裂贯的问题。排出阀采用卧式设计，其轴线与液缸泵阀箱的疲劳失效问题。本文主要从结构设计方轴线共线，因此也没有排出阀箱与液缸相贯的问面进行了一些新的探索。题。这种设计由于不存

4、在相贯线，因而从根本上为从根本上解决液力端阀箱相贯线应力集解决了阀箱在承受高交变载荷时由相贯线带来的中导致的疲劳失效问题，本文提出了无相贯线液应力集中问题。力端阀箱的新结构，并对其进行了Pro／E建模与9一l1一液体；2一吸入管；3一柱塞；4一柱塞密封；5一吸入阀；6一吸入液缸；7一排出阀；8一排出腔；9一排出管；l0一阀箱压裂泵液力端的吸入过程压裂泵液力端的排出过程图1新结构压裂泵液力端工作过程作者简介：陈辽望(1984一)，男，辽宁盘锦人，西南石油大学在读硕士，研究方向为石油矿场机械。学兔兔www.xuetutu.com第5期陈辽望等压裂泵无相贯线阀箱设计

5、及有限元分析一2J一新结构压裂泵液力端的工作过程如图1所示：DesignSimulation模块对所建模型进行进行应力分柱塞从左死点向右移动时，液缸的容积逐渐变析，首先对该模型进行网格划分(见图3)，该单大，缸内压力下降，压裂液在大气压或灌注压力缸结构离散为11477个单元，45549个节点。作用下从储液罐经进液软管、空心介杆、空心柱塞推开吸入阀进入液缸，直到柱塞移至右死点，完成吸入过程。当柱塞从右死点开始向左移动时，液缸容积逐渐缩小，缸内压力增高，吸入阀关闭，排出阀打开，将液缸内的压裂液排到高压管中，进入井下，完成排出过程。2新结构阀箱的有限元分析新结构液缸

6、的优点在于无相贯线结构，可以减轻甚至避免应力集中问题。2．1模型建立图2为在Pro／E中建模设计的无相贯线阀箱单缸模型(剖视图)。由图可知，此新阀箱分为工作图3液缸和排出腔，它将原有的四通相贯结构简化为2．4边界条件直通圆筒结构。约束与动力端连接端面，阀箱下部固定，另剖面上的XOY平面不允许有z方向位移。2．5施加载荷及计算工况计算中考虑各腔均为垂直均布压力，设工作压力为80Mpa，阀锥锥度为1：6，吸入腔直径为133mm。此阀箱有两种工况：当为排出过程时，排出阀开启，吸入阀关闭，液缸和排出腔压力都为80MPa；当为吸入过程时，吸入阀开启，排出阀关闭，液缸压力

7、接近于0，排出腔压力保持为80MPa。在分析时，只取最大工况，即排出过程。图2无相贯线阀箱单缸模型2．6计算结果2．2阀箱的计算参数阀箱的计算采用等效应力，按第四强度理论阀箱的材料为40CrNiMo，其力学性能如表1计算：所示。oi=√o+oy+o：～oy—o一ozo+3++百三)表1阀箱材料力学性能表式中，o、o：a为沿X、Y、Z轴方向的应力；t、分别为XoY、YOZ、及XOZ平面上的剪切应力。图4为该阀箱的三维分析及关键部位的受力2．3计算模型与网格划分图。在计算模型的简化时，取一个缸单独受压，通过对应力图的分析得知，阀箱的最大应力其应力值与相邻两缸同时受

8、压时的应力值差别很出现在排出腔内的排出