壓裂泵液力端閥箱超高壓力自增強(qiáng)技術(shù)研究

陳 濤，王云華，王崇桓，趙崇勝，曹 雷

(1.上海清河機(jī)械有限公司，上海201802；2.大慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)工程公司，吉林 松原138000；3.四川宏華電氣有限責(zé)任公司，成都 610037；4.長(zhǎng)慶油田分公司 機(jī)械制造總廠，西安 710201)

壓裂泵(車)是目前提高油、氣井采收率的重要設(shè)備，通過向井下泵送高壓泥漿液、清水、各種壓裂液等各類作業(yè)介質(zhì)，對(duì)地層進(jìn)行加砂壓裂或酸化壓裂作業(yè)，并進(jìn)行壓力測(cè)試等工作[1]。伴隨著壓裂施工要求的不斷變化，尤其是我國(guó)西南川渝等地頁(yè)巖油氣的開發(fā)，各類大型壓裂設(shè)備相繼問世，壓裂設(shè)備的工作壓力以及排量要求不斷提高，同時(shí)這些要求對(duì)作為高值易損件的閥箱實(shí)際使用壽命影響極大。因此,如何有效延長(zhǎng)壓裂泵閥箱使用壽命便成為了設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工藝中一個(gè)重要的目標(biāo)。

關(guān)于液力端閥箱的失效模式，張慶根、趙艷瓊、莫麗等先后在閥箱破壞的原因、失效形式、延長(zhǎng)閥箱壽命等方面開展了研究[2-4]，也總結(jié)了眾多提高液力端使用壽命的指導(dǎo)性結(jié)論，其中超高壓自增強(qiáng)工藝對(duì)有效延長(zhǎng)液力端使用壽命有著顯著的指導(dǎo)意義。超高壓自增強(qiáng)工藝的原理是在閥箱內(nèi)腔施以超高壓力，使得閥箱內(nèi)腔表面材料形成塑性變形。閥箱內(nèi)腔塑性變形后的殘余壓應(yīng)力在閥箱實(shí)際工作中會(huì)抵消部分工作壓力導(dǎo)致的應(yīng)力，從而達(dá)到減小關(guān)鍵位置應(yīng)力集中程度的效果，閥箱的疲勞使用壽命得到延長(zhǎng)[5-8]。本文通過對(duì)閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置在工作狀態(tài)下應(yīng)力集中程度的分析，以及自增強(qiáng)處理后的對(duì)比，超高壓力自增強(qiáng)后閥箱內(nèi)腔殘余應(yīng)力場(chǎng)在受載條件下的分布特征，以及不同自增強(qiáng)壓力下閥箱內(nèi)腔應(yīng)力狀態(tài)的對(duì)比，獲得了符合現(xiàn)狀的壓裂泵閥箱高壓自增強(qiáng)工藝和參數(shù)。

1 壓裂泵閥箱工作狀態(tài)下內(nèi)腔有限元分析

以某型號(hào)壓裂泵液力端閥箱為例，使用有限元分析工具進(jìn)行工作狀態(tài)分析。當(dāng)網(wǎng)格尺寸減小為8 mm時(shí)，計(jì)算應(yīng)力結(jié)果已基本穩(wěn)定，其與網(wǎng)格尺寸為10 mm 時(shí)的結(jié)果差異主要是由于網(wǎng)格尺寸不同帶來的計(jì)算積分點(diǎn)的不同，所以可以認(rèn)為網(wǎng)格尺寸為8 mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂，以下分析結(jié)果網(wǎng)格尺寸均為 8 mm。

在140 MPa的工作壓力下，其內(nèi)腔的應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 某型號(hào)壓裂泵液力端閥箱在140 MPa工作壓力下內(nèi)腔應(yīng)力分布

從圖1可以看出，內(nèi)腔應(yīng)力集中點(diǎn)主要在相貫線的4處位置，即，A、B、C、D處，這是與現(xiàn)場(chǎng)壓裂泵液力端閥箱常見開裂失效位置是一致的。通過高壓自增強(qiáng)工藝處理，減小A、B、C、D4處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度，可有效延長(zhǎng)液力端閥箱的使用壽命。

2 現(xiàn)有超高壓自增強(qiáng)工藝有限元分析

目前設(shè)計(jì)的自增強(qiáng)壓力加載方式為臺(tái)階式加載，當(dāng)自增強(qiáng)壓力值到達(dá)一定增量后保壓一段時(shí)間，再繼續(xù)加載，重復(fù)直至達(dá)到設(shè)計(jì)的自增強(qiáng)壓力值，然后全部卸載。使用有限元法仿真超高壓自增工藝時(shí)，壓力載荷施加與實(shí)際工藝一致，在最后施加工作壓力，觀察超高壓自增強(qiáng)后的實(shí)際效果，壓力加載形式如圖2所示。

圖2 實(shí)際工藝與有限元仿真的載荷加載曲線

通過使用有限元分析手段對(duì)關(guān)鍵失效位置的應(yīng)力梯度與網(wǎng)格尺寸的變化分析，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為8 mm時(shí)計(jì)算應(yīng)力結(jié)果已基本穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂。按照?qǐng)D2所示的壓力載荷曲線，最高施加300 MPa的自增強(qiáng)壓力。如圖2a中時(shí)間節(jié)點(diǎn)9，自增強(qiáng)壓力卸載后壓力端閥箱內(nèi)腔應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 300 MPa自增強(qiáng)壓力卸載后內(nèi)腔

通過分析可知，經(jīng)過300 MPa的自增強(qiáng)壓力后液力端閥箱內(nèi)腔相貫線位置出現(xiàn)了塑性變形，并且存在較大的殘余應(yīng)力，內(nèi)腔存在的是殘余壓縮應(yīng)力，外部存在殘余拉伸應(yīng)力，等效最大壓縮殘余應(yīng)力為829.93 MPa。

再觀察圖2b中時(shí)間節(jié)點(diǎn)11，即超高壓自增強(qiáng)后內(nèi)腔施加工作壓力140 MPa后的仿真結(jié)果，其應(yīng)力分布云圖如圖4所示，最大等效應(yīng)力為463.97 MPa，內(nèi)腔的等效應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生了變化。

圖4 300 MPa自增強(qiáng)后施加140 MPa工作壓力時(shí)內(nèi)腔Von-Mises應(yīng)力分布云圖

如前文所述，A、B、C、D4處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布將很大程度上決定液力端閥箱的疲勞壽命。將自增強(qiáng)后應(yīng)力(圖4)與圖1應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 300 MPa超高壓自增強(qiáng)與未進(jìn)行超高壓自增強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較

通過比較可以看出，經(jīng)過超高壓自增強(qiáng)后液力端閥箱整體應(yīng)力分布比較均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在相貫線位置，A、B、C、D4處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度得到了大幅度的減小。分析自增強(qiáng)后A位置的Vector Principal三向主應(yīng)力矢量狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)殘余壓應(yīng)力占主導(dǎo)地位，如圖6所示。

圖6 某型號(hào)壓裂泵液力端內(nèi)腔A位置300 MPa自增強(qiáng)后的三向主應(yīng)力矢量狀態(tài)

通過以上分析可以看出，經(jīng)過300 MPa的超高壓自增強(qiáng)后閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置A、B、C、D4處生成了有效的殘余壓縮應(yīng)力，因此，在140 MPa工作壓力條件下閥箱內(nèi)腔常見開裂位置的應(yīng)力大小得到了有效控制。

3 高壓自增強(qiáng)工藝的優(yōu)化

在進(jìn)行液力端閥箱的超高壓自增強(qiáng)的過程中必須要考慮到材料的包辛格效應(yīng)，這是因?yàn)榻饘俨牧嫌捎谒苄宰冃蔚脑黾樱O限在一個(gè)方向上提高，同時(shí)在反方向?qū)?huì)降低[6，9]。劉小寧在文獻(xiàn)[10 ]中對(duì)于超高壓容器常用鋼材的包辛格系數(shù)進(jìn)行了探討，其中結(jié)論之一是對(duì)于無試驗(yàn)數(shù)據(jù)的超高壓容器用鋼，建議其包辛格系數(shù)取值為0.909 1。

目前在非常規(guī)油氣壓裂作業(yè)中，為了使得壓裂泵液力端達(dá)到更長(zhǎng)的使用壽命，馬氏體沉淀硬化不銹鋼(17-4PH、15-5PH)材質(zhì)的閥箱的使用成為主流，不同廠商對(duì)材料的屈服強(qiáng)度要求不同，一般控制在900～1 000 MPa，包辛格系數(shù)取值為0.909 1。根據(jù)產(chǎn)品材料的實(shí)際情況可計(jì)算得出初始反向屈服極限約為890.9 MPa，經(jīng)300 MPa超高壓自增強(qiáng)后的壓裂泵液力端閥箱殘余應(yīng)力為829.93 MPa，其值小于初始反向屈服極限，也就是說超高壓自增強(qiáng)壓力有繼續(xù)優(yōu)化的空間。嘗試將自增強(qiáng)壓力調(diào)整至305、310、320 MPa，仿真后進(jìn)行最大等效殘余應(yīng)力的比較，結(jié)果如表1所示。

表1 不同自增強(qiáng)壓力下液力端閥箱內(nèi)腔最大等效殘余應(yīng)力比較 MPa

根據(jù)表1的分析結(jié)果可知，310 MPa下的自增強(qiáng)效果逼近初始反向屈服極限，當(dāng)自增強(qiáng)壓力達(dá)到320 MPa后其等效殘余應(yīng)力值已大于初始反向屈服極限，考慮到工程誤差，留取安全余量，判斷自增強(qiáng)壓力的最佳值為310 MPa。自增強(qiáng)導(dǎo)致的塑性變形可能導(dǎo)致液力端閥箱的尺寸失效，最關(guān)鍵的是腔體孔徑的變化可能會(huì)影響其與柱塞的配合精度。310 MPa自增強(qiáng)后的變形云圖如圖7所示，左側(cè)與柱塞配合腔體的孔徑變化為 0.01 mm，滿足精度0.05 mm的要求，主要塑性變形發(fā)生在內(nèi)腔A、B、C、D4個(gè)位置，在右側(cè)吸入壓蓋密封孔位置也發(fā)生了約0.02 mm的變形，但變形尺寸可以滿足密封孔的尺寸公差要求。

圖7 310 MPa自增強(qiáng)壓力下液力端閥箱內(nèi)腔變形云圖

在有限元仿真過程中，壓力載荷均布施加并且每個(gè)分析步的結(jié)果都是穩(wěn)定的，但在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，泵頭體內(nèi)自增強(qiáng)壓力載荷不可能瞬間達(dá)到設(shè)定值，也不可能瞬間實(shí)現(xiàn)均布，因此就需要逐級(jí)加載并保壓，通過多個(gè)載荷步最終達(dá)到設(shè)定值，減少加載過程可能產(chǎn)生的沖擊載荷以及應(yīng)力集中帶來的負(fù)面影響，避免自增強(qiáng)工藝對(duì)液力端閥箱產(chǎn)生損傷。經(jīng)過試驗(yàn)，載荷增量可考慮按照20～50 MPa 逐級(jí)增加，每級(jí)保壓5 min，到達(dá)最終自增強(qiáng)壓力后保壓 15 min，卸載時(shí)以最高自增強(qiáng)壓力的10%左右減少，控制在每5 min壓降100 MPa左右，20 min左右實(shí)現(xiàn)完全泄壓，圖8為優(yōu)化后的超高壓自增強(qiáng)工藝壓力加載示意圖。優(yōu)化后的310 MPa自增強(qiáng)工藝的自增強(qiáng)結(jié)果優(yōu)于原工藝，有效地減小了閥箱關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中程度，提高了閥箱的疲勞壽命。

圖8 超高壓自增強(qiáng)工藝壓力加載曲線

4 結(jié)論

1) 不論是碳鋼液力端閥箱，還是不銹鋼液力端閥箱，超高壓自增強(qiáng)工藝都可有效減小關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中程度，從而延長(zhǎng)液力端閥箱的疲勞壽命。

2) 液力端閥箱自增強(qiáng)壓力需要考慮到材料的包辛格效應(yīng)，在無明確閥箱材料包辛格系數(shù)的前提下可取值為0.909 1，自增強(qiáng)壓力產(chǎn)生的殘余應(yīng)力要小于初始反向屈服極限，考慮到工程誤差，建議取值小于理論計(jì)算得到的初始反向屈服極限，留下安全余量。

3) 自增強(qiáng)載荷增量及保壓時(shí)間在實(shí)際工況下很難達(dá)到有限元仿真的效果，可考慮20～50 MPa逐級(jí)增加，每級(jí)保壓5～10 min，到達(dá)最終自增強(qiáng)壓力后保壓15 min。泄壓過程和加壓過程一致，采用逐級(jí)降壓方案，可適當(dāng)減少泄壓臺(tái)階值，直至壓力全部泄出。

4) 超高壓自增強(qiáng)工藝的確認(rèn)必須考慮到密封面的塑性變形問題，合理安排整個(gè)液力端閥箱的生產(chǎn)工序。