王晓兵[1]2016年在《压裂泵泵阀失效机理研究及有限元分析》文中研究指明压裂泵应用于油气的增采作业中,随着油气开采难度的加大,压裂泵正向着高排量、高压力及高冲次方向发展,而泵阀是压裂泵液力端的一个关键部件。然而,提高排量、压力和冲次后,泵阀寿命极短,一般只使用1-2口井就损坏。泵阀损坏主要原因是由泵阀工作锥面被压裂液陶粒颗粒磨损刺漏引起；泵阀材料的耐磨性或者泵阀密封表面的硬度不够,导致泵阀不能适应压裂泵的工作环境；泵阀密封面的刺漏将导致泵阀关闭不严,泵阀发生失效。为延长泵阀使用寿命,提高其工作效率,本文对压裂泵泵阀的失效形式进行分析,确定泵阀的主要失效机理；利用数值方法求解阀盘的运动微分方程,以求解的结果作为后续流场分析和冲击动力学分析的初始条件,对泵阀开展磨料磨损试验研究、流场仿真分析和冲击动力学分析研究,对泵阀不同凡尔胶皮结构进行疲劳寿命研究；最终提出泵阀结构的改进方案,并进行初步分析研究,以提高泵阀的冲击和冲蚀磨损性能。在上述研究过程中,本文主要完成了以下几个方面的研究工作：(1)通过泵阀现场调研和理论知识相结合,开展泵阀主要失效形式分析,找到泵阀的主要失效机理包括磨料磨损、冲蚀磨损和冲击疲劳磨损；(2)对泵阀的运动微分方程进行求解,得到泵阀的位移、速度和加速度表达式及其图像,并对泵阀的冲次和锥角进行了研究;(3)开展泵阀的磨料磨损试验研究,设计试验方案,并研究了压裂液含砂量和正压力对压裂泵泵阀磨损的影响；同时根据实验数据,通过最小二乘法,总结了泵阀的磨损预测方程；(4)开展泵阀的流场研究,建立整个泵阀系统的流场叁维仿真模型,并对不同升程、不同冲次和不同凡尔胶皮结构的流场进行分析；同时开展颗粒对泵阀壁面的冲蚀研究,分析颗粒的冲击过程、颗粒的直径、冲击角和冲击速度对泵阀壁面的影响。(5)开展泵阀的冲击疲劳研究,分析凡尔胶皮结构对泵阀冲击的影响,通过拉伸试验和疲劳试验得出泵阀的力学性能和阀的疲劳寿命S-N曲线,进而对不同凡尔胶皮结构进行寿命预测；(6)提出阀盘锥面采用球面接触、凡尔胶皮接触锥面锥角的变化和采用减振板的泵阀结构的叁种改进方案,其中球面接触和带减振板的泵阀结构能够减小泵阀的冲蚀和冲击作用。本文从泵阀的失效机理出发,建立了一套较为完善的对泵阀失效形式的试验与仿真分析方法,该方法对后续压裂泵泵阀的设计和优化等具有一定的参考价值。
曾志春[2]2017年在《压裂泵泵阀胶圈失效机理与结构优化研究》文中研究说明压裂泵是压裂酸化作业系统中的核心设备,由于运输介质中含有固体颗粒以及泵阀的往复工作特性,使得阀体上的胶圈极易受到固体颗粒磨损以及冲击载荷的作用,造成胶圈的破坏失效。胶圈的失效不但影响压裂酸化作业的效率还会导致泵阀提前失效,因此研究掌握压裂泵阀胶圈在含砂压裂液下的磨损失效机理和规律,开展胶圈的结构优化研究具有重要意义。本文以70MPa压裂泵的泵阀胶圈为研究对象,开展了泵阀胶圈的失效机理与结构优化研究,具体的分析过程和研究方法如下:(1)基于压裂泵实际结构组成和工作原理,考虑泵送液体可压缩性和泵阀阀体质量对运动惯性力的影响,运用AMESim对压裂泵泵阀运动规律进行了仿真研究,仿真结果与传统理论方法数值计算结果的对比验证了仿真模型的正确性,并分析了不同影响因素下泵阀的运动规律,所得结果可以作为泵阀阀隙流场分析的数据基础。(2)在不同升程、不同冲次、不同锥角及不同固相浓度下,运用Fluent对泵阀阀隙流场进行了仿真分析,得到了流道内胶圈处的固液两相流速度分布规律,揭示了造成胶圈下部发生穴窝状脱落的原因。基于Fluent仿真分析结果,确定了胶圈近壁区域固相颗粒的运动速度,为胶圈材料的冲蚀磨损研究提供了数据基础。(3)在不同颗粒形状、不同颗粒直径、不同冲击速度、不同冲击角度下,运用Abaqus对胶圈材料冲蚀过程进行了仿真分析,得到了冲蚀过程中胶圈材料应力应变和能量的变化规律,从微观角度揭示了胶圈材料冲蚀磨损时材料流失的本质,并基于能量磨损理论对比分析了不同形状颗粒的冲蚀特性,揭示了不同形状颗粒(较钝颗粒和较尖锐颗粒)冲蚀时靶材的失效机理。(4)在MDW-100型万能摩擦磨损试验机上完成了胶圈在含砂压裂液下的摩擦磨损试验,对胶圈在含砂压裂液下的磨粒磨损机理和规律进行探讨,重点分析了砂粒浓度,载荷,阀体与阀座之间的滑动速度对胶圈磨粒磨损行为的影响规律并探讨了胶圈在含砂压裂液下的磨粒磨损失效机理。(5)建立阀体与胶圈冲击阀座的有限元模型,确定了胶圈应力最大处出现在胶圈底角处,该处易发生疲劳失效而脱落,这与现场胶圈下部发生块状剥落的形貌相吻合。最后在有限元模型的基础上利用正交试验方法对胶圈结构进行优化,得到较优的胶圈结构参数。
张凤田[3]2002年在《压裂泵泵阀磨损机理研究及其有限元分析》文中提出随着压裂工艺的广泛运用和发展，现场上要求压裂泵阀承受更高的压力，更大的冲击载荷，具有更好的综合性能，以保证在更加恶劣的工况下有较高的使用寿命。因此，在发展压裂工艺的同时，还必须对压裂泵阀进行深入的研究。 本文为提高压裂泵阀的寿命，针对GT78-1000压裂泵阀作了大量的基础性研究。详细阐述和分析了它的运动特性；根据其实际工况，通过模拟试验，研究了压裂泵阀冲击磨料磨损的磨损规律和磨损形式，并且将其与纯冲击磨损、滑动磨料磨损进行了对比；分析了压裂泵阀的冲击磨料磨损、冲蚀磨损等磨损机理；借助ANSYS有限元分析工具，对泵阀关闭状态下和冲击过程中的应力应变分布规律进行了详细分析。 最后，得出了一些有关冲击磨料磨损、压裂泵阀方面有益的结论，并提出了一些压裂泵阀选材、热处理工艺、结构设计等方面的改进措施和建议。
莫丽, 曾志春, 王晓兵[4]2016年在《基于ANSYS/LS-DYNA的压裂泵阀胶皮冲蚀磨损数值模拟》文中进行了进一步梳理针对压裂泵泵阀阀胶皮在压裂液固体颗粒冲蚀磨损下引起疲劳破坏的工程问题,运用有限元软件ANSYS/LSDYNA建立橡胶的单颗粒和双颗粒冲蚀力学模型,研究了颗粒冲蚀速度、颗粒尺寸、颗粒冲击次数对冲蚀性能的影响,并分析了阀胶皮的冲蚀失效机理。结果表明,冲蚀磨损程度随颗粒冲蚀速度的增加而增大;同一速度下,随颗粒直径的增大冲蚀磨损速度增大;颗粒冲击次数是造成阀胶皮冲蚀磨损的重要因素,经颗粒多次冲击后,阀胶皮恢复弹性的能力降低直至发生塑性变形后疲劳失效。
陈礼[5]2018年在《车载煤层气压裂泵单向阀组关键部件寿命问题研究》文中指出车载煤层气压裂泵是压裂开采工艺的核心设备。主要用于煤矿井中的煤层气开采,使煤矿中的煤层气被有序开采,避免瓦斯爆炸,开采的气还可利用,变废为宝。车载煤层气压裂泵工作环境为煤矿井下,由于工作空间非常小,且装载于可移动的轨道车上,因此要求车载煤层气压裂泵结构非常紧凑、承载能力非常高、整机单位功率重量比大。而尤其是作为泵内液力部分运动件的泵单向阀,其尺寸小,过流能力要求高,工作频次高,流体压力高,而且流体中还可能存在固体颗粒等,其工况非常恶劣,从而导致泵单向阀的寿命比较短。由于制造厂家不同,现场工况的差异等原因,导致车载煤层气压裂泵泵单向阀的寿命不一。引起该现象的可能原因是泵单向阀的失效,而失效的形式有多种。据统计,泵单向阀的主要失效形式高达八种。经调研国内某型车载煤层气压裂泵的泵单向阀寿命短,达不到普通行业水平,其表现形式主要是导向断裂失效形式。因此本研究以该型号泵单向阀为研究对象,分析查找失效原因,提出改进方案,从而避免此失效形式,以达到提高该单向阀寿命的目的。(1)对泵单向阀使用的材料进行理化分析,研究单向阀使用材料成分和热处理对泵单向阀导向断裂及寿命的影响。(2)通过理论计算、有限元仿真和实际测试等对泵单向阀的模态分析,泵单向阀—弹簧频率分析等,研究泵单向阀的工作频率是否避开系统共振频率范围,进而对泵单向阀的导向断裂失效的影响。(3)分析泵单向阀工作原理,利用ABAQUS软件建立泵单向阀系统的有限元模型进行碰撞工作过程的受力分析,分析碰撞过程中产生应力对寿命短的失效形式导向断裂的影响。(4)根据理化分析、模态分析和碰撞分析结果,提出改进阀板与导向连接处的结构,通过增大R进行结构改进,改善结构合理性,减小泵单向阀工作过程的应力,避免导向断裂失效,提供泵单向阀寿命,并对改进产品进行分析并提出了实现最佳效果的方案。(5)通过工厂内模拟试验和用户现场工况实地试验,验证了改进后泵单向阀在使用中导向断裂失效得到了解决,泵单向阀的使用寿命得到了提高并达到行业通常水平。
周和平[6]2004年在《新型压裂、酸化泵机理研究及结构设计》文中研究说明随着压裂技术在高渗层防砂压裂、复合压裂、深穿透压裂以及大砂量多级压裂等方面取得突破，使得压裂设备的主机压裂、酸化泵的功能有了较大的扩展和改变，压裂工艺的迅速发展对压裂设备的性能提出了更高的要求。由于各种原因，国产压裂泵的设计和生产技术发展较慢，使得国产压裂泵因品种规格少，部分零部件可靠性不高、使用功能单一而不能满足现场生产需要，并成为制约压裂设备发展的主要因素。因此，研究压力高、排量大，工作可靠，多用途、输送介质多样化，高质量、高技术含量，能满足现代钻采工艺的新一代压裂、酸化泵，具有非常重要的现实意义和社会经济效益。针对目前国内压裂、酸化泵设计和生产中存在的突出问题，本文在往复泵已有研究成果的基础上，开展了压裂、酸化泵的基础研究，重点是泵的基础理论、工作机理、材料选用、结构设计等方面的工作。在此基础上，结合现代设计、分析软件，完成了泵的结构设计和关键零部件的力学分析。通过建立系统动力学模型，运用计算机仿真技术对新型压裂、酸化泵的工作行为进行了仿真计算。利用神经网络技术对所设计的泵进行了结构优化，为我国研制新型压裂、酸化泵提供了新的理论依据和方法。本论文的研究工作是中原油田特种车辆厂与西南石油学院合作的科研课题“新型压裂、酸化泵机理研究与结构设计”的主要内容。本论文主要开展了以下几方面的研究工作。 (1) 通过广泛查阅、检索国内外文献资料，深入调研、分析了现有压裂泵的性能和使用情况，全面系统地了解、掌握和分析了国内外压裂、酸化泵的技术发展动态和水平，找到了国内压裂、酸化泵存在的主要问题和发展方向。 (2) 通过开展压裂、酸化泵工作机理研究，对压裂泵的工作特性、运动规律和受力状况有了较为全面和系统的认识，为泵的结构设计提供了理论依据，对提高压裂泵的设计水平具有非常重要的意义。 (3) 通过对国内外先进压裂、酸化泵结构和性能进行比较和多个设计方案对比论证，根据现场生产需要提出了技术可行、结构先进的新型压裂、酸化泵设计方案和技术参数。 (4) 利用PRO／E，ANSYS等现代设计软件，采用计算机辅助设计(CAD)和有限元分析相结合的方法，设计出了新型压裂、酸化泵的零件和整体结构。在建立新型压裂、酸化泵实体模型的基础上，利用现代设计分析软件对主要零部件进行了有限元计算，并对其结构进行了优化设计。 (5) 通过对低温材料的研究，设计出了能输送液体CO_2及液氮等低温液体的液力端，完成了低温材料加工工艺研究和设计，完善了低温液力端零件的设计图纸，实现了新型压裂、酸化、低温泵输送低温介质和常温介质一体化的要求。 (6) 建立了新型压裂、酸化泵液力端流体模型和动力端动力学模型。在此基础上，从系统的观点出发建立了新型压裂、酸化泵的系统动力学模型。利用仿真技术，研究了在压裂泵运行过程中，液缸内压力变化、泵阀升程、柱塞、连杆在冲击载荷下的应力变化、曲轴力矩变化以及角速度的变化等规律，为下一步的结构优化打下了基础。摘要 (7)在仿真的基础上，采用神经网络技术，建立了新型压裂、酸化泵基本结构参数的神经网络优化模型，利用此模型实现了新型压裂、酸化泵的结构优化。 总之，通过本论文的研究工作，建立了比较完善的新型压裂、酸化泵设计理论和方法.将传统设计方法与计算机技术、软件技术相结合开展了新型压裂、酸化泵的开发和研究，大大提高了泵的设计效率，缩短了压裂、酸化泵的研发周期。同时，开发了具有自主知识产权的新型压裂、酸化泵产品，将压裂、酸化泵研究水平向前推进了一步。因此，本论文的研究工作不仅具有较高的理论水平，而且具有重要的应用价值。 关键词:压裂、酸化泵机理研究仿真分析结构优化
莫丽, 王晓兵, 王军, 张光才[7]2018年在《基于CFD压裂泵泵阀结构冲蚀流场研究》文中研究说明针对压裂泵泵阀冲蚀磨损严重的特点,利用CFD软件对泵阀阀隙流域进行流场仿真计算,得到不同泵阀升程、冲次、凡尔胶皮突出高度h_1和凡尔胶皮接触长度L的流场分布状态。结合压裂泵泵阀的失效机理,通过对计算结果中的流场状态分析表明:小升程下,阀隙流速最大;高冲次会提高流速和增大泵阀滞后高度;h_1的值越大,阀盘对阀座冲击越小,但阀隙最大流速增大,阀隙过流面积减小;L的值越小,阀盘对阀座冲击越大,但流速减小,且有利于减小泵阀的冲蚀磨损。
马玉龙[8]2016年在《6500HP型压裂泵液力端的研究》文中研究指明在压裂泵的生产活动中,液力端是整个设备中最容易损坏的部件,这是由于液力端在不断地承受着高压甚至超高压高频的交变载荷。由于结构原因,液力端易损件的寿命往往只有几百个小时,使用周期和维修周期都很短,液力端又是整套压裂设备中价格最为昂贵的一个部件,因此尽可能提高液力端关键件的工作能力和使用寿命对生产活动和经济性方面来讲至关重要。本文在国内外已有的研究成果的基础上对6500HP型压裂泵的液力端进行了理论研究和结构设计。本文主要完成了以下几个方面的工作内容:研究了五缸柱塞泵的工作机理,对柱塞的运动情况、泵流量和压力的变化规律、泵阀的运动规律进行了系统的分析,为泵的结构设计和性能优化提供了的论依据。由于传统直通式液力端在结构上无法消除相贯线,因此由于相贯线的存在所带来的应力集中和疲劳破坏无法从根本上得到解决。因此,本文对6500HP压裂泵的液力端进行了新的设计,采用一种直通式无相贯线阀箱结构,并设计了一种新的空心柱塞以满足结构要求,同时对泵头体、泵阀以及柱塞泵的密封进行了结构设计。根据柱塞泵的性能参数,利用AutoCAD、UG对柱塞、泵头体等主要结构进行了设计和模型建立。采用ANSYS有限元分析软件对空心柱塞进行了强度分析,对空心柱塞的应力应变情况进行探究,对结构进行改进和优化。采用FLUENT软件对新型液力端内部流场进行了分析,并与传统直通式液力端流场进行对比,结果表明新型压裂泵液力端的流场情况较传统结构来说具有很大的优越性。
参考文献：
[1]. 压裂泵泵阀失效机理研究及有限元分析[D]. 王晓兵. 西南石油大学. 2016
[2]. 压裂泵泵阀胶圈失效机理与结构优化研究[D]. 曾志春. 西南石油大学. 2017
[3]. 压裂泵泵阀磨损机理研究及其有限元分析[D]. 张凤田. 西南石油学院. 2002
[4]. 基于ANSYS/LS-DYNA的压裂泵阀胶皮冲蚀磨损数值模拟[J]. 莫丽, 曾志春, 王晓兵. 机械设计. 2016
[5]. 车载煤层气压裂泵单向阀组关键部件寿命问题研究[D]. 陈礼. 重庆理工大学. 2018
[6]. 新型压裂、酸化泵机理研究及结构设计[D]. 周和平. 西南石油学院. 2004
[7]. 基于CFD压裂泵泵阀结构冲蚀流场研究[J]. 莫丽, 王晓兵, 王军, 张光才. 系统仿真学报. 2018
[8]. 6500HP型压裂泵液力端的研究[D]. 马玉龙. 兰州理工大学. 2016