超高壓大排量柱塞泵關鍵部位結構優(yōu)化

邢立偉

【摘 要】超高壓大排量柱塞泵工作時，泵頭體內表面間歇性承受極高的工作壓力。泵頭體不規(guī)則的內表面形狀會導致應力集中，應力集中的位置相比于其它位置會較早產(chǎn)生疲勞開裂，導致泵頭體的破壞。本文應用大型有限元分析軟件ABAQUS，研究了新開發(fā)的超高壓大排量STP3300型泵頭體在靜壓下的應力分布狀態(tài)，并對多個部位嘗試進行了結構優(yōu)化設計。根據(jù)研究結果，將易開裂的十字相貫線部位的最高應力降低了16%以上，大幅度降低了STP3300型泵頭體的開裂傾向。

【關鍵詞】STP3300；泵頭體；ABAQUS

隨著油氣總儲量日漸減少，無論是油氣田的增效增產(chǎn)開采，還是前景廣闊的新能源開發(fā)與利用，例如頁巖氣開采，都越來越倚重于大型成套壓裂設備的研制與應用。

中石化石油工程機械有限公司第四機械廠是“國家重大技術裝備國產(chǎn)化基地”、“中國石化集團固井壓裂設備國產(chǎn)化基地”、“湖北省高新技術企業(yè)”。通過采取從國外引進部分先進加工設備，并在技術上不斷取得自主創(chuàng)新與突破，四機廠成為了國內最大的固井壓裂裝備制造出口基地。在短短20余年的時間里，先后成功開發(fā)了800型、1000型、1800型、2000型和2500型及2800型等成套壓裂設備，很好的滿足了國內外對高端壓裂設備的需求，并填補了國內大量技術空白，部分產(chǎn)品甚至達到國際領先水平。為了響應國家進行第二次油氣資源開發(fā)的號召，四機廠作為主要單位負責承擔起了國家十二五重大專項—《3000型成套壓裂裝備研制及應用示范工程》課題。本課題研究對象STP3300型泵頭體設計與優(yōu)化即為該重大專項項目研究內容之一。

本課題采用有限元軟件ABAQUS，研究在靜壓狀態(tài)[1～3]下STP3300型泵頭體的受力狀態(tài)，并重點研究如何降低關鍵部位的最大應力，從而提高其使用壽命。

1 有限元模型及材料參數(shù)

本研究對象為四機廠擬制造的STP3300型泵頭體（以下簡稱“泵頭體”），該型號泵頭體由三個缸組成，每個缸的柱塞腔的側面孔與柱塞相連，三個缸共用一個排出腔，由于模型的對稱性，取泵頭體的一半，建立數(shù)值分析模型。建好后的實體模型見圖1。有限元模型將除柱塞孔外的孔堵死，模擬加壓的工況，加壓內腔。將4根螺栓與泵頭體設置為接觸關系，采用庫倫模型，摩擦系數(shù)設為0.2。取一定安全系數(shù)；由于采用線性靜態(tài)分析本模型，取泵頭體內表面均勻分布的壓力載荷為140 MPa；除壓力載荷外，泵頭體還承受重力作用。泵頭體的約束條件為：螺栓遠離泵頭體那一端固定，對稱面約束Z方向的移動。采用C3D4單元劃分網(wǎng)格，整體網(wǎng)格密度設為20，內表面的應力狀況是分析的重點，內表面附近局部網(wǎng)格密度設為3.5。網(wǎng)格劃分完成后，共有794907個網(wǎng)格，166248個節(jié)點。材料參數(shù)為，屈服強度950MPa，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3。

2 有限元求解結果與分析

2.1 原始結構求解結果

在ABAQUS中對建立的模型施加140MPa后，計算所得的泵頭體中間腔應力分布如圖2所示。由圖2可以看出，在壓力作用下，泵頭體內腔應力集中的位置有5處，分別在排出腔上部（A）、柱塞腔左上角（B）、柱塞腔左下角（C）、柱塞腔右上角（D）、柱塞腔右下角（E）。

由圖2可以看出，中間腔的最大應力約為509MPa，位于排出腔上部。將側面腔從柱塞孔中部剖開，應力圖如圖3所示，應力集中的位置有6處，分別在排出腔上部近端（F）、排出腔上部遠端（G）、柱塞腔左上角（H）、柱塞腔左下角（I）、柱塞腔右上角（J）、柱塞腔右下角（K），上下左右的方位在從中間向側面看的時候確定。側面腔的最大應力位于排出腔上部遠端G點，應力大小約為564MPa。由此可以看出，在同種工作狀態(tài)下，側面腔的最大應力比中間腔的最大應力高出約11%，這種結果符合國內外泵頭體失效規(guī)律，即對于整體泵頭體，大部分產(chǎn)品均在側面腔體內失效。

2.2 結構改進

針對泵頭體應力集中的狀況，給出了四種結構改變，試圖減少應力集中，具體如下。

（1）在柱塞腔的下部加斜坡結構（簡稱加斜坡），斜坡可以對柱塞腔下部的凸臺有支承加固作用。

（2）排出腔下移，這樣是為了試圖避免相貫線急劇變化導致的應力集中。

（3）柱塞腔切去部分材料（簡稱切除法）。如圖2及表1所示，柱塞腔上下左右四角（B、C、D、E）的應力較大，而中間L和M處的應力較小，由圖可知L和M處的材料較多，因此可考慮切去L和M附近的部分材料，以使各處應力均衡，達到減少應力集中的作用。

四種結構改變經(jīng)過計算，各處應力集中的應力值如表1所示。

由表1的“最大值”列可知，四種結構改變后的應力集中情況都有所改善。由表1的“平均值”列可知，四種結構中，“切除法”的綜合改進效果最明顯，“無斜面”綜合改進效果很小。“無斜面”這種結構改變需要添加大量材料，而換得的改進效果不明顯，可認為這種方法是不可取的。

具體對于不同的位置，分析的結果如下：

（a）無論是中間腔還是側面腔，“加斜坡”時，柱塞腔的左下角（C、I）和右下角（E、K）應力下降明顯，平均降幅為22.7MPa，這可以解釋為“加斜坡”對柱塞腔左下角和右下角處的結構進行了加強。

（b）“排出腔下移”時，排出腔上部（A、F、G）的應力下降非常明顯，平均降幅為73.2MPa，說明“排出腔下移”減少了相貫線急劇變化導致的應力集中。

（c）“切除法”時，柱塞腔上下左右四角（B、C、D、E、H、I、J、K）的應力值全線下降，平均降幅為76.2MPa。

根據(jù)以上分析，將“加斜坡”、“排出腔下移”、“切除法”三種結構改變疊加，簡稱綜合改進。對綜合改進后的實體模型進行計算，應力云圖如圖4所示。

將綜合改進后各處應力集中位置的應力值與原始結構比較，得到表2，可知綜合改進獲得了較好的效果，最大應力減少了100.1MPa，應力的平均降幅為81.8 MPa。

3 結論

通過對STP3300泵頭體進行的研究與分析，可以得到如下結論：

（1）原始結構狀態(tài)下，當STP3300型泵頭體工作應力為140MPa時，側面腔內最大應力為564MPa，中間腔內最大應力為509Ma。側面腔應力比中間腔高出11%，是側面相對中間腔易開裂的主要原因。

（2）通過增加斜坡、排出腔下移、及對腔體適當切除多余部分可以明顯降低STP3300型泵頭體的最大應力。采用這3種方法綜合改進后，最大應力平均降低幅度達到16%以上。

【參考文獻】

[1]周思柱，周后俊，華劍，等.材質對超高壓壓裂泵泵頭體自增強性能的影響研究[J].機械設計與制造，2010（7）：67-68.

[2]陶春達，戰(zhàn)人端.100MPa 自增強壓裂泵閥箱疲勞強度分析[J].機械強度，2005， 27（1）：104-107.

[3]陳純明，康宜華.固井壓裂用TH泵泵頭體有限元分析及材質選用[J].石油機械，2002，30（10）：35-51.

[責任編輯：楊玉潔]