壓裂泵液力端閥箱內腔結構優化研究

摘要：壓裂泵液力端閥箱內腔在加工完成后會自然形成相貫線，該相貫線位置存在嚴重的應力集中問題。這些位置也是液力端閥箱常見的開裂位置，雖然通過相貫線倒圓角的方式可以減小應力集中程度，但是應力減小的幅度不是十分明顯。針對此問題，通過有限元仿真對比的方式進行了閥箱內腔優化研究，提出了減小閥箱內腔應力集中程度的技術方案，同時提出了應用該方案時應注意的一些問題。研究結果對于提高壓裂泵液力端使用壽命及優化壓裂泵液力端設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：壓裂泵；閥箱；相貫線；應力集中；優化

中圖分類號：TE934.2文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.007

Optimization Study on Intracavity Structure of Fracturing Pump Fluid End

CHEN Tao1，LU Yixin1，ZHANG Changchun2， ZHAO Chongsheng3 ，WANG Xin4

（1. Shanghai Qinghe Machinery Co.， Ltd.， Shanghai 201802 ，China; 2. Jilin Oitfield Engineering

Technology Service Company， Songyuan 138000，China; 3. Honghua Group ， Chengdu 610037，China ;

4. Haimo Subsea Technology （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201306 ，China ）

Abstract：The intersection line will be generated at the intracavity structure of the fracturing pump fluid end after machining. There is a serious stress concentration at the intersection line， which is also a common crack location of the fracturing pump fluid end. Although the chamfers can reduce stress concentration to a certain degree however it is not obvious. Aiming at this problem， the optimization of the intracavity structure of the fracturing pump fluid end was studied by means of finite element simulation and comparison， and a technology program to effectively reduce the stress concentration in the intracavity structure of the fracturing pump fluid end was proposed， and problems that should be paid attention to when applying technology were put forward. The results provide applicable guidance to increase service life and optimum design of fracturing pump fluid end.

Key words：fracturing pump;valve pot; intersecting line; concentration of stresses; optimization

隨著非常規油氣開采技術的發展，高壓井、深井的數量逐漸增多，高壓柱塞泵液力端承受的壓力也隨之提高，苛刻的高壓條件導致閥箱的使用壽命減少［1-6］。液力端的閥箱屬于高值易損件，有效提高閥箱的使用壽命有著極其重要的意義。

隨著施工工況的變化，閥箱材料已經從碳鋼發展到了不銹鋼。目前大部分液力端閥箱材料使用17-4PH或者15-5PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼。不同的施工工況對于閥箱的使用壽命影響較大，主要受到施工壓力、酸比以及砂比等因素影響，采用馬氏體沉淀硬化型不銹鋼的閥箱使用壽命是一般碳鋼材料閥箱壽命的2～5倍。不論采用何種材料，閥箱在結構不發生變化的情況下常見開裂失效位置和原理是一致的，也就是在內腔應力集中位置發生的腐蝕疲勞失效。

液力端閥箱的失效形式為典型的疲勞失效。為了延長使用壽命，常采用的方式主要有［6-11］：①使用疲勞強度更好的材料，比如碳鋼升級為不銹鋼；②表面處理，比如氮化處理等，提高內腔表面的抗腐蝕、沖擊能力；③自增強處理，比如超高壓自增強，或者滾壓處理，在受力表面形成壓應力。以上措施都可以在一定程度上延長液力端閥箱的壽命，但是關于液力端閥箱內腔結構優化設計對于閥箱使用壽命的關注卻非常之少。本文通過有限元仿真對比、驗證的方式進行了閥箱內腔優化的研究，提出了有效減小閥箱內腔易開裂位置應力集中程度的技術方案，同時提出了應用該方案時應注意的一些問題，可為壓裂泵的優化設計提供借鑒。1 工作狀態下閥箱內腔有限元分析以某型號壓裂泵液力端閥箱為例，使用有限元分析工具進行工作狀態分析，當網格尺寸減小為8 mm時，應力計算結果已基本穩定，其與網格尺寸為10 mm時的結果差異主要是由于網格尺寸不同帶來的計算積分點的不同，所以可以認為網格尺寸為8 mm時，計算結果已經收斂。以下分析結果的網格尺寸均為8 mm。

在140 MPa的工作壓力下閥箱內腔的應內力場如圖1所示。

從圖1可以看出，內腔應力集中點主要在相貫線4處位置，即，如圖1所示的A、B、C、D處。事實上液力端閥箱常見的閥箱失效開裂位置與有限元分析應力集中位置相符合［11-14］，如圖2所示。

2相貫線倒角半徑值對于應力集中的影響

以某型號壓裂泵液力端閥箱為研究對象，常見的液力端閥箱內腔相貫線倒圓角后形狀如圖3所示。圖3中標注的R為加工中形成的相貫線倒圓角的半徑值，具體R值各個生產廠家加工的不盡相同，但是對相貫線進行倒圓角后會有效地改善液力端閥箱內腔應力集中程度，這是行業內所公認的。為研究相貫線倒圓角半徑值變化對于閥箱內腔應力集中程度的影響，分別以倒角半徑R數值為0 （不處理）、3、5、8、10、12、14 mm建立閥箱模型，在相同受力狀態下對閥箱進行有限元分析，得到數據整理后如表1所示。

由表1可看出，液力端閥箱相貫線只要進行倒圓角處理，4個位置的應力集中程度都會降低，總的趨勢是隨著圓角半徑的增加，4個位置的應力集中程度會在一定程度上較小，但是隨著圓角半徑的增加，應力減少的趨勢明顯變緩。總的來說液力端閥箱相貫線倒圓角可以在一定程度上減小A、B、C、D 4處的應力集中程度，但是減小的程度有限。

3閥箱內腔結構變化的研究

既然相貫線圓角半徑的變化對A、B、C、D 4處的應力集中程度影響有限，考慮通過對閥箱內腔的再加工，形成新的相貫線，如果新生成的空間曲線長度、走向發生改變，即，走向、長度明顯不同于原相貫線，那么應該能起到分散應力集中的作用。

考慮內腔的可加工性，在不影響閥箱使用安全和配件安裝的前提下，在已形成相貫線的液力端閥箱內腔中加工一些幾何形狀，分別為圓柱體和球體。相貫線添加幾何形狀后的內腔如圖4～5所示。

使用有限元分析工具對原模型、內腔添加圓柱體模型、內腔添加球體模型進行有限元分析，3者分析過程中的載荷、約束條件完全一致，當網格尺寸減小為8 mm時，應力計算結果已基本穩定。所以可以認為網格尺寸為8 mm時，計算結果已經收斂。網格尺寸均為8 mm，得到此模型A、B、C、D 4處位置的應力，如表2所示。

通過有限元分析可以看出，對比原模型，在內腔添加圓柱體模型、內腔添加球體模型后A、B、C、D 4處的應力減小幅度非常明顯，其中內腔添加圓柱體后相較于原模型4處位置應力平均減小15.41%，內腔添加球體后相較于原模型4處位置應力平均減小17.91%。

在有限分析過程中發現，在原模型內腔加工一定的幾何形狀雖然能有效減小閥箱內腔關鍵位置的應力集中水平，但是由于應力在空間上的分散導致原本應力集中水平較低的位置應力集中水平反而提高。以閥箱內腔關鍵位置A為例，如圖6所示，圖6a為原模型A位置的應力集中位置以及最大值位置，圖6b為內腔形狀改變后應力集中位置以及最大值位置，可以看出圖6b較之于圖6a高應力分布區域擴大，但是最大值小于原模型，總體來說內腔形狀改變使應力集中的峰值得到有效減小。根據疲勞開裂理論，只要應力集中的峰值得到有效減小，那么疲勞壽命也會相應的得到提高。

4優化措施

在閥箱內腔設計過程中要考慮到泵效，務必保證內腔體積增大后不會對泵效產生影響。

1）在閥箱內腔設計過程中需要考慮液力端零配件的通用性，需要對內腔加工的幾何形狀尺寸加以控制。由于內腔容積的增大，需要判定液力端的使用安全性。

2）在液力端閥箱內腔加工完成后，需要對相貫線進行倒圓角處理，包括在內腔內加工一定的幾何形狀后新生成的空間曲線也要進行倒圓角處理，才能更好地發揮分散應力集中的作用。

3）根據內腔的優化原理，液力端閥箱內腔添加一定幾何形狀加工完成后需要著重對原應力集中位置A、B、C、D 4處相鄰區域進行打磨處理，保證表面的粗糙度要求。

4）根據機加工設備的特性、參數合理設計內腔結構，保證所設計的幾何形狀能夠加工完成。

5）經過長期對比分析，不同型號壓裂泵液力端閥箱內腔優化形狀不盡相同，且不一定是規則的圓柱體或者球體，加工成不規則的幾何形狀在一些模型中也能較好地減小應力集中水平。

5結論

1）在壓裂泵液力端閥箱內腔加工一定的幾何形狀能有效減小閥箱內腔關鍵位置的應力集中水平，同時可兼顧液力端通用配件的安裝以及使用。一旦閥箱內腔關鍵位置的應力集中峰值得到改善，閥箱疲勞壽命就會得到提升。

2）經過對比，相同施工工況下，通過閥箱內腔形狀的改造，在內腔A、B、C、D 4個關鍵位置應力集中峰值減小17%情況下，現場使用壽命可提高20%以上。

3）有限元分析表明，不論內腔形狀如何改變，對于相貫線一定要進行倒圓角處理。但是隨著圓角半徑的增加，應力減少的趨勢明顯變緩。

4）提出了應用該方案時應注意的一些問題，尤其是應力分散后對于關鍵位置周邊表面粗糙度要重點加以關注，對于內腔容積變化后的泵效以及閥箱本體安全性能要進行評估。

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