大功率油氣壓裂泵疲勞與密封技術研究綜述

基金項目：國家自然科學基金企業長興發展聯合基金項目“超大功率電驅動智能壓裂裝備建制方法”（U19B6003-05-06-03）。

張國友.大功率油氣壓裂泵疲勞與密封技術研究綜述88-97

Zhang Guoyou.Reviews of research on fatigue and sealing technology of high-power fracturing pump88-97

深井、超深井勘探開發對壓裂泵各項性能提出更高、更好的迫切需求，推動了壓裂泵各項研究的不斷發展。為此，闡述了壓裂泵動力端和液力端2個關鍵部分的壽命評估、結構優化和材料改性的發展歷史、最新研究進展及展望，針對疲勞失效和密封失效進行了分析。提出了適用于裂紋長度較小的疲勞壽命計算方法，由此可進行泵頭體剩余疲勞強度評估；通過柱塞表面織構改進，形成復合材料，以綜合體現各原料自身的優勢來提升丁腈橡膠的耐油、耐磨和耐老化等性能的方式，實現對動力端柱塞密封性能改進；目前泵頭體液壓自增強技術實施復雜，對密封要求很高，已有部分研究把激光自增強技術應用于壓裂泵泵頭體中。所得結論可為壓裂泵未來研究提供有益指導。

油氣壓裂泵；泵頭體；疲勞壽命；密封性能；自增強技術

TE934

A

012

Reviews of Research on Fatigue and Sealing Technology

of High-Power Fracturing Pump

Zhang Guoyou

（Sinopec SJ Petroleum Machinery Co.，Ltd.）

The exploration and development of deep and ultra-deep wells raise an urgent demand for fracturing pumps with higher and better performance，which triggers various researches on fracturing pumps.This paper reviews the history of life evaluation，structural optimization and material modification of two key parts （dynamic end and hydraulic end） of the fracturing pump，and presents the latest progress of research and the prospects.The fatigue failure and seal failure were analyzed.A fatigue life calculation method for small crack length was proposed，and it can be used to evaluate the residual fatigue strength of the pump head.The sealing performance of the plunger at the dynamic end was improved by upgrading the oil，wear and aging resistance of nitrile-butadiene rubber （NBR） after the plungers surface texture was modified and the materials with their respective strengths were combined into a composite.The existing hydraulic autofrettage technology is difficult to apply and raises a high requirement for sealing.Some scholars have introduced laser autofrettage into fracturing pump heads.The findings in this paper are valuable for future researches on fracturing pumps.

fracturing pump;pump head;fatigue life;sealing performance;autofrettage

0" 引" 言

張國友：大功率油氣壓裂泵疲勞與密封技術研究綜述

壓裂泵作為水力壓裂作業的關鍵核心裝備，廣泛應用于頁巖油氣的開采［1-4］。如今，隨著全世界頁巖油氣的勘探開采逐漸向深層、超深層的方向發展，對壓裂泵也不斷提出了超高壓、長壽命、大排量等需求。近幾十年來，國內外學者紛紛針對壓裂泵開展了大量研究［5-9］，這其中關于壓裂泵發展有3個方面的問題尤為突出：①壓裂泵液力端作為壓裂裝備的“心臟”，造價昂貴且易于損壞，成為了壓裂作業中的一項“卡脖子”難題；②壓裂泵動力端柱塞密封副容易失效；③壓裂泵的設計如何改進。

本文旨在回顧壓裂泵研究中“失效”“密封”“設計”3個方向的發展現狀，系統性地對不同學者的研究方向進行總結，并針對當下的研究熱點和未來的發展趨勢闡述了自己的觀點，以期拋磚引玉，對壓裂泵后續的研究起到一定的助益作用。

1" 壓裂泵液力端疲勞壽命研究現狀

油氣壓裂泵是由動力端和液力端組成的往復式柱塞泵，是頁巖油氣開采過程中水力壓裂作業的核心裝備。壓裂泵泵頭體如圖1所示。目前，我國頁巖油氣開采已經向萬米深層進軍，壓裂作業的工況也隨之變得更加復雜，而壓裂泵液力端服役壽命不長一直以來是被予以詬病的問題。為提高壓裂裝備在高溫、高壓及高精等運行參數下的可靠性，國內外學者［5-9］針對壓裂泵液力端疲勞壽命進行了多方面的研究，探索了泵頭體在不同工況下的失效規律，分析了不同泵頭體材料的失效機理，建立了相應的判斷準則和計算方法，旨在為泵頭體強度更高、壽命更長、結構更輕型化的先進制造技術提供相應的理論和應用依據，為提高油氣采收率做出貢獻。

1.1" 泵頭體疲勞壽命研究

1.1.1" 考慮應力的泵頭體疲勞壽命計算方法

在壓裂泵泵頭體服役壽命的研究中，如何建立相應的數學方法，考慮現場實際工況，對泵頭體服役壽命進行評估是一個難題。曾云等［10］通過大量的泵頭體材料基礎試驗測試，得到了3種不同泵材的S-N曲線（應力與壽命變化關系曲線），并采用名義應力法（見式（1））和改進的應力場強法（見式（2））對泵頭體疲勞壽命進行了評估，結果都在2～3倍的誤差帶之間，可推廣應用于壓裂現場的泵頭體可靠性評估。

Sa=σaKfεβCL（1）

σFI=1V∫Ωf（σij）φ（r）dV（2）

式中：Kf為疲勞缺口系數；ε為尺寸系數；β為表面質量系數；CL為加載方式系數；σa為材料的S-N曲線對應應力，MPa；Sa為結構的S-N曲線對應應力，MPa；σFI為缺口應力場強度，MPa；Ω為疲勞損傷區域；V為疲勞損傷區域的體積，m3；f（σij）為關于三維空間任一點處應力σij的破壞函數，MPa；φ（r） 為權重函數；r為場徑距離，即疲勞損傷區域任意一點和應力峰值點之間兩點距離的矢量，m。

張思等［11］、周思柱等［12］對五缸壓裂泵泵頭體相貫內腔的裂紋擴展壽命進行了評估，通過試驗測試得到了30CrNi2MoVA泵頭體材料的斷裂韌度、疲勞裂紋擴展速率參數和門檻值，研究了不同應力比R下泵頭體疲勞裂紋擴展規律，提出了一種適用于裂紋長度較小的疲勞壽命計算方法（見式（3）），為泵頭體剩余疲勞強度評估奠定了基礎。

ΔN=∫aca01C（ΔKimax）mda=

∫aca01C（σmπa）mda（3）

式中：ΔN為初始裂紋a0擴展到臨界裂紋ac時的疲勞壽命；a為裂紋長度，mm;ΔKimax為在載荷下泵頭體相貫內腔前緣裂紋最大應力強度因子，MPa·mm0.5；C、m為某一材料疲勞裂紋擴展速率擬合參數，為常量；σm為修正后的名義應力，MPa。

1.1.2" 考慮腐蝕等因素的泵頭體疲勞壽命預估方法

在實際壓裂作業中，受不同地層的影響，對壓裂液的酸堿性要求變化較大，因此部分學者考慮了腐蝕等影響因素，分別對40CrNi2MoV［13］、30CrNi2MoV［14］、25Cr2Ni4MoV［15］及17-4PH［16］這4種不同泵頭體材料進行了試驗分析；分析不同腐蝕環境下十字內腔的裂紋萌生及擴展機制，驗證了壓裂泵頭體在酸化環境下的裂紋擴展速率相較空氣環境快6.39倍，也從側面角度探索出一種方向：通過改進壓裂液配方工藝可提升壓裂泵頭體服役疲勞壽命。實際壓裂作業中面對不同地層時，除了采用的壓裂液酸堿程度不同之外，水力壓裂的壓力也處于實時變化之中，因此變壓力工況下壓裂泵泵頭體的服役壽命也值得深入研究。胡瑾秋等［17］在40～140 MPa之間的多種工況下，對壓裂泵泵頭體疲勞壽命進行了分析，并對服役井口的檢修提出了指導方案。劉先明等［18］結合現場壓裂泵泵頭體5個缸壽命不同的情況，采用nCode軟件結合ANSYS得到了壓裂泵泵頭體5個缸壽命分布規律。由于壓裂泵泵頭體本身承受復雜的多變載荷，李寧［19］使用了多軸臨界面法，考慮殘余應力松弛的影響修正了Manson-Coffin公式，該計算方法面對循環次數NF＜106時，計算結果和試驗結果更為接近，誤差為±5%。圖2展現了不同學者對壓裂泵泵頭體材料腐蝕疲勞的研究情況［13-16］。

1.2" 泵頭體斷裂特性研究

壓裂泵泵頭體疲勞壽命的研究中，目前受制于現場復雜工況和檢測技術的約束，難以做到對泵頭體實時檢修。因此考慮泵頭體的主要失效形式，對泵頭體十字相貫內腔裂尖開裂因素進行研究，以對其剩余強度進行評估。國內學者張思等［20-21］研究了泵頭體內腔開裂時裂尖應力場和應力強度因子，如圖3所示。

通過對Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型裂紋進行分析，建立了裂紋應力場的理論模型，判斷出泵頭體內腔裂紋的斷裂模型為Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ復合模式，但是以Ⅰ型張開型裂紋為主，最后擴展為橢圓形裂紋。

此外，對于壓裂泵泵頭體這一類壓力容器，常常以裂紋張開位移量來評估斷裂性能。魏超等［21］進行了泵頭體十字相貫內腔裂紋前緣J積分計算，并考慮塑性區形態，建立了前緣張開角度的塑性區與張開位移之間的數學模型，為泵頭體內腔斷裂失效提供了一種新的計算方法。以上學者基于彈塑性力學和斷裂力學建立了泵頭體十字相貫內腔臨界斷裂條件和準則，為泵頭體服役性能可靠性評估提供了指導。

1.3" 泵頭體材料性能測試研究

材料的基礎力學性能參數是評估結構服役壽命的關鍵參量。從傳統力學研究可知，Wohler提出的S-N曲線是評估大型裝備疲勞壽命必需的基礎數據。直接使用材料的S-N曲線預測結構的疲勞壽命已被公認不太準確，但S-N曲線仍是所有疲勞壽命預估方法中的核心，拋開S-N曲線或概率應力疲勞壽命曲線，疲勞壽命便無從談起。為此，國內學者［1，4，19］針對不同類型壓裂泵泵頭體的材料進行了大量的基礎試驗測試，結果如表1、圖4和圖5所示。

超高壓泵頭體的疲勞壽命屬于高周疲勞，一般循環次數在105～107次，油氣壓裂開采作業現場更多重視的是泵頭體的剩余強度。因此，為進一步評估壓裂泵泵頭體的疲勞壽命，張思等［20］對30CrNi2MoVA材料進行了斷裂韌度測試，如表2所示。受現場工況變化制約，進一步研究了在不同應力比（0.1、0.2、0.5）和可靠度下的疲勞裂紋擴展速率（見圖6）和疲勞裂紋擴展門檻值（見表3），并與其他含Cr材料合金鋼的疲勞裂紋擴展速率進行了比對（見圖7）。圖6中，P為概率，γ為自信度，ΔK為應力強度因子。

2" 壓裂泵密封性能研究現狀

壓裂泵液力端除十字相貫內腔容易發生開裂失效之外，柱塞密封副也是易損部件之一，對于其密封性能的研究直接關乎到壓裂設備性能能否提升、油氣開采能否增產增效。因此，國內外學者通過材

料改性、結構優化、表面涂層等手段對柱塞密封系統進行了改進。

2.1" 柱塞表面織構改進

壓裂泵柱塞主要的失效形式是磨損，抗磨減摩是增強壓裂泵密封性能的一種主要技術。其中，以表面織構技術為代表。在近20年的研究中，國內學者采用了激光加工技術、精密雕刻技術和納秒燒灼技術［22-24］3種方法對壓裂泵柱塞表面進行加工，通過不同形狀、尺寸和分布的表面織構來增強潤滑性能，從而減輕摩擦磨損。織構的形狀對耐磨性能提升的影響已被眾多學者廣泛認知。杜文鑫等［25］研究了正弦溝槽織構對耐磨性能的影響規律，分析了40～140 MPa時壓裂泵柱塞表面油膜承載力和摩擦因數，驗證了正弦溝槽織構對壓裂泵柱塞密封副的動壓潤滑性能有一定的改善效果。單一織構對密封及潤滑性能皆有一定程度的改善，隨著研究的進展，不同學者又通過理論分析、數值模擬和試驗測試的手段探索了組合織構和復合織構對壓裂泵柱塞副的耐磨性能，如圖8所示。D.Z.SEGU等［26］研究了不同組合、不同分布的圓形、橢圓、正方形織構對潤滑特性改善的規律。廖文玲等［27］研究了復合表面織構對壓裂泵柱塞動壓潤滑性能的影響，對比了單一織構，外織構深度和內織構凹坑是影響承載能力的關鍵因素。

2.2" 密封圈材料性能改性

壓裂泵柱塞密封系統中，密封橡膠的性能及使用壽命也是除柱塞之外極為關鍵的因素。目前，壓裂柱塞密封橡膠主要選用的材料為丁腈橡膠（NBR）。受到本身材料性能的制約，NBR在耐老化和耐疲勞等性能上不足，成為影響柱塞密封性能的關鍵因素。因此，對NBR各項性能進行改性成為國內外學者研究的重點。在丁腈橡膠中加入填料是目前提升NBR各項性能的主要手段，包括加入硫化劑［28］（過氧化二異丙苯DCP、雙叔丁基過氧化異丙基苯BIPB和2，5-二甲基-2，5-雙叔丁基過氧化己烷DHBP）、催化加氫［29］、石墨烯［30］、芳綸纖維等各種纖維、樹脂等配方，通過形成復合材料以綜合體現各原料自身的優勢來提升NBR的耐油、耐磨和耐老化等性能。隨著油氣勘探逐漸向深層、超深層進發，且面對不同地域和季節時，高溫或低溫環境［31-32］也同樣對壓裂泵的性能提出了更高的要求。壓裂柱塞密封橡膠未來的發展也將朝著大溫差、耐腐蝕、低成本和長壽命等方向發展。

3" 壓裂泵結構設計及自增強技術

3.1" 泵頭體內腔結構設計

超高壓壓裂泵泵頭體受制于油氣開采現場對工作壓力的要求，目前相貫內腔的設計主要以十字交叉孔來滿足排量和壓力標準的要求，但同時也產生了應力集中的現象，導致疲勞開裂。為此，黃天成等［33-34］為改善泵頭體疲勞壽命，考慮了泵頭體外形尺寸和缸腔、柱塞腔的部分尺寸，對十字內腔及相貫線突出圓角半徑進行了改進，從半徑7 mm改為6.35 mm；該半徑值在十字相貫經過自增強處理后，等效殘余應力值最大為705.28 MPa，經仿真受到的最大應力從466 MPa減小為331 MPa，從而有利于泵頭體疲勞壽命的延長。李美求等［35］針對超高壓泵頭體進行了壁厚等參數的設計，滿足了輕量化、方便運輸和高強度的要求，質量降低43%，壁厚減少了8 mm且強度符合標準。還有部分學者對泵頭體十字相貫內腔疲勞強度系數、應力集中系數、安全系數等進行了綜合計算，為泵頭體優化奠定了基礎。總的來說，壓裂泵泵頭體屬于典型的厚壁壓力容器，其內腔結構的設計不僅要滿足高壓的要求，而且對壽命的要求也同樣很高。盡管有大量學者進行了深入分析和優化，但在惡劣工況下，泵頭體的服役壽命依然遠低于其他常規壓裂裝備。雖然超高壓和長壽命難以同時兼顧，現有的技術僅限于理論分析、有限元模擬和試驗測試，但隨著研究逐漸由宏觀轉向微觀，對材料失效的機理認知將更為清晰。隨著新材料的研發，壓裂泵泵頭體服役壽命不長的“瓶頸問題”也終將會得以解決。

3.2" 泵頭體自增強技術

作為一項預應力處理技術，自增強技術廣泛應用于常規的圓筒壓力容器［36］，主要通過壓力容器內壁經自增強工藝處理后產生的殘余壓應力來延長服役壽命。壓裂泵泵頭體屬于厚壁壓力容器，最常采用的自增強工藝方式為液壓自增強，如何確定十字相貫內腔的最佳自增強壓力是關鍵的問題之一。周思柱等［37］、王國榮等［38］分別針對不同類型、不同結構、不同材料泵頭體進行了最佳自增強壓力（介于當時的泵頭體材料，一般取值400" MPa左右）研究。E.A.BADR等［39］進行了與泵頭體內腔相似的十字交叉孔方塊結構自增強研究，利用有限元計算了臨界應力平面上的周向應力與施加壓力比，結合Neuber法則和運動硬化法則得到了十字孔最佳自增強壓力和殘余應力理論計算方法，可縮減大量有限元計算成本。然而，泵頭體十字內腔結構復雜，且存在較為明顯的應力集中現象，難以通過理論公式計算得到精確解。為此，采用有限元計算是最有效的途徑。泵頭體材料的彈塑性本構關系是進行有限元計算之前必須考慮的問題，HU Z.等［40］使用UPF自定義開發了高強度厚壁圓筒材料的本構模型，如圖9所示。該模型能準確地描述拉伸加載和塑性應變后卸載回彈整個階段的動態變形行為，與試驗數據高度符合。其表達式為：

σER=σ*plL+σY" ε*plL=0

σ*plL+βσYε*plL＞0（4）

式中：σ*plL為彈性卸載應力，Pa;σY為材料的屈服應力，Pa；βσY為包辛格卸載應力，Pa;σER為反向加載屈服應力，由彈性范圍來定義，Pa；ε*plL為加載過程中的應變。

試驗應力-應變關系示意圖

test on high-strength steel for pressure vessel

MA Y.L.等［36］對厚壁壓力容器殘余應變進行了有限元分析和中子衍射測試，分析了不同自增強壓力與承載能力和半徑比之間的關系，對厚壁壓力容器的結構進行了優化。M.KIANI等［41］通過有限元對比分析了24種十字交叉孔應力集表達式，對比評估了精確度。為進一步分析泵頭體內腔的最佳自增強壓力，嚴奉林等［42］基于泵頭體缸壁最小厚度設計理論（見式（5）），考慮材料的包辛格效應，計算壁厚。考慮包辛格效應的最佳自增強壓力Pz計算如式（6）所示。

δ=Riσtσt-3pi-1+C（5）

Pz=σs31+lnRzRi-RzR02

Rz=Riexp3pi2σs

（6）

式中：C為附加余量，mm；σt為設計溫度下的許用應力，MPa;Ri為柱塞缸內徑，mm；R0為按照厚壁圓筒理論設計時的圓筒外壁厚度，mm；pi為工作壓力，MPa；σs為屈服強度，MPa；Rz為最佳自增強半徑，mm；δ為泵頭體柱塞缸壁的最小厚度，mm。

李寧等［43］進一步發展了泵頭體材料的本構關系，通過混合硬化模型來準確地描述材料的硬化行為和包辛格效應，開發了UMAT子程序并將之用于超高壓泵頭體自增強彈塑性應力分析中，以節點塑性應變增量來判斷殘余應力是否導致反向屈服。除了對超高壓泵頭體最佳自增強壓力進行分析之外，該方法也研究了2種不同徑比裂紋經過自增強處理后裂尖的閉合效應和殘余壓應力區域。

自增強技術作為一項壽命延長技術已廣泛應用于壓力容器，目前針對泵頭體這類厚壁復雜壓力容器主要采用的是液壓自增強手段，但是這種技術實施起來較為復雜，而且對壓裂泵的密封要求非常高。在最近幾年的研究中，激光沖擊自增強作為一種新興的增材制造技術已廣泛應用于航空航天領域。目前，也有部分學者開始把激光自增強技術應用于壓裂泵泵頭體中，該項技術具有很大的潛力。

4" 結論與展望

壓裂泵作為頁巖油氣開采增產增效的重要核心裝備，由于其自身結構復雜，深井、超深井對其外部特性的要求逐漸提高，關于其各方面性能的研究對油氣開采增產增效和國家能源戰略建設具有重要的意義。

（1）關于壓裂泵泵頭體服役壽命的評估方法，不同學者主要按疲勞力學、斷裂力學和連續介質損傷力學3個大類建立相應計算方法，皆以追求更高的計算精度為目標。這些計算方法的建立主要基于試驗測試和有限元分析，試驗中所采用的都是標準件，與壓裂泵實際結構存在一定的差異。盡管通過一些影響因素分析建立了評估方法，但目前對于工程實際使用還不太適合。而且油氣開采壓裂現場對壓裂泵的需求有所不同，現場更多的是想得到不同壓裂泵在服役一段時間之后剩余壽命的評估結論。因此，今后的研究將進一步考慮工程實際，優化計算方法，建立相應的壓裂泵剩余壽命評估軟件，以期為現場作業提供更多的幫助和指導。

（2）在壓裂泵的壽命和密封性能提升研究中，國內外學者主要以關注結構設計優化和材料性能改性2個方向為主，并為此建立了相應的理論和方法。隨著近幾十年的發展，結構設計上想要顛覆傳統理論，完成原創性的突破進展概率較小。因此，考慮現代材料學、仿生學和計算力學等多學科交叉融合，將新的理念引入到壓裂泵材料及結構改進上，從微觀-細觀的角度尋求突破是未來具有潛力的有效途徑。

（3）壓裂泵設計在未來的發展將以輕量化、電動化和考慮應力分布的新型結構等方面為主流方向，而隨著綠色低碳理念的不斷深入和智能制造技術水平的不斷提高，壓裂泵勢必會朝著中小型和智能化發展。因此，將人工智能檢測技術與壓裂泵的結構設計進行結合，對壓裂泵的剩余強度進行更加有效的評估，必將是一個可以預見的發展趨勢。

［1］" 曾云．基于改進應力場強法的超高壓泵頭體疲勞壽命預估方法研究［D］．荊州：長江大學，2020．

ZENG Y.Research on fatigue life assessment method of ultra high pressure pump head based on improved stress field intensity method［D］.Jingzhou： Yangtz University，2020.

［2］" 楊子玉．壓裂泵泵頭體與高壓管匯耦合振動分析及隔振研究［D］．荊州：長江大學，2019．

YANG Z Y.Analysis on coupled vibration and research on vibration isolation of fracturing pump head and high pressure pipe joints［D］.Jingzhou： Yangtz University，2019.

［3］" 廖文玲．壓裂泵柱塞密封副織構參數優選［D］．成都：西南石油大學，2018．

LIAO W L.Optimization of texture parameters for fracturing pump plunger sealing pair［D］.Chengdu： Southwest Petroleum University，2018.

［4］" 張思．壓裂泵泵頭體相貫內腔裂紋擴展規律及疲勞壽命研究［D］．荊州：長江大學，2018．

ZHANG S.Research on crack propagation and fatigue life of corssbores structure of fracturing pumphead［D］.Jingzhou： Yangtz University，2018.

［5］" ZHANG S，ZHOU S Z，LI M Q.Research on fatigue crack propagation process of fracturing pumphead［J］.Engineering Failure Analysis，2020，116： 104726.

［6］" ZENG Y，LI M Q，WU H，et al.Experiment and theoretical investigation on fatigue life prediction of fracturing pumpheads based on a novel stress-field intensity approach［J］.Materials，2022，15（13）： 4413.

［7］" WEI C，ZHOU S Z，LI M Q，et al.Numerical investigation on fatigue crack growth of fracturing pump head using cohesive zone model［J］.Theoretical and Applied Fracture Mechanics，2020，107： 102564.

［8］" 劉慧舟，胡瑾秋，張來斌，等．基于紅外熱成像與CNN的壓裂裝備故障精準識別及預警［J］．中國石油大學學報（自然科學版），2021，45（1）：158-166．

LIU H Z，HU J Q，ZHANG L B，et al.Accurate identification and early-warning of faults of fracturing equipments based on infrared thermal imaging and convolutional neural network［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2021，45（1）： 158-166.

［9］" 韓棟，修吉平，李佳玲，等．壓裂泵泵頭體失效分析［J］．失效分析與預防，2012，7（2）：126-131．

HAN D，XIU J P，LI J L，et al.Failure analysis on head body of fracturing pump［J］.Failure Analysis and Prevention，2012，7（2）： 126-131.

［10］" 曾云，周思柱，李寧，等．壓裂泵泵頭體材料的疲勞實驗與疲勞壽命預估［J］．熱加工工藝，2020，49（6）：47-49．

ZENG Y，ZHOU S Z，LI N，et al.Fatigue test and fatigue life prediction of fracturing pump head body material［J］.Hot Working Technology，2020，49（6）： 47-49.

［11］" 張思，周思柱，李寧．壓裂泵泵頭體相貫線裂尖應力場及應力強度因子研究［J］．科學技術與工程，2017，17（5）：185-190，223．

ZHANG S，ZHOU S Z，LI N.Research on stress distribution and stress intensity factor of crack tip on interesting line of fracturing pumphead［J］.Science Technology and Engineering，2017，17（5）： 185-190，223.

［12］" 周思柱，魏超，華劍，等．壓裂泵泵頭體內腔相貫線裂尖塑性區計算與分析［J］．中國科技論文，2018，13（16）：1926-1930．

ZHOU S Z，WEI C，HUA J，et al.Calculation and analysis on crack tip plastic zone at intersecting line of the fracturing pump head［J］.China Sciencepaper，2018，13（16）： 1926-1930.

［13］" 王付遠．基于腐蝕影響下的泵頭體材料疲勞壽命預估［D］．荊州：長江大學，2020．

WANG F Y.Fatigue life prediction of pump end material based on corrosion［D］.Jingzhou： Yangtz University，2020.

［14］" 陳林燕，王國榮，曾蓮，等．淬火溫度對30CrNi2MoV鋼力學和耐蝕性能的影響［J］．石油機械，2017，45（8）：87-91．

CHEN L Y，WANG G R，ZENG L，et al.Effect of quenching temperature on mechanical properties and corrosion resistance of 30CrNi2MoV steel［J］.China Petroleum Machinery，2017，45（8）： 87-91.

［15］" 李文華，夏風，趙少林，等．25Cr2Ni4MoV鋼在鹽酸介質下的腐蝕疲勞行為研究［J］．腐蝕科學與防護技術，2013，25（4）：276-280．

LI W H，XIA F，ZHAO S L，et al.Corrosion fatigue behavior of 25Cr2Ni4MoV steel in hydrochloric acid［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2013，25（4）： 276-280.

［16］" HU G，DENG S Y，WANG G R，et al.Corrosion cracks propagation analysis and fatigue life prediction of the cylinder of 6 000 HP hydraulic fracturing pump［J］.Engineering Failure Analysis，2022，141： 106652.

［17］" 胡瑾秋，王倩琳，張來斌，等．變壓力工況下壓裂泵的疲勞失效演化規律研究［J］．石油機械，2017，45（4）：67-73，78．

HU J Q，WANG Q L，ZHANG L B，et al.Fatigue failure evolution of fracturing pump under changing pressure condition［J］.China Petroleum Machinery，2017，45（4）： 67-73，78.

［18］" 劉先明，杭崢，王波，等．基于nCode的壓裂泵液力端疲勞壽命分析［J］．石油機械，2023，51（4）：90-96．

LIU X M，HANG Z，WANG B，et al.Fatigue life analysis on hydraulic end of fracturing pump based on nCode designlife［J］.China Petroleum Machinery，2023，51（4）： 90-96.

［19］" 李寧．超高壓泵頭體自增強后的殘余應力與疲勞壽命研究［D］．武漢：武漢科技大學，2015．

LI N.The study on residual stress and fatigue life of autofrettage super-high pressure pump head［D］.Wuhan： Wuhan University of Science and Technology，2015.

［20］" 張思，周思柱．應力高階項對相貫內腔裂尖應力場的影響［J］．科學技術與工程，2018，18（9）：78-85．

ZHANG S，ZHOU S Z.Influence of higher order terms on stress field of crack tip on interesting line of crosshole［J］.Science Technology and Engineering，2018，18（9）： 78-85.

［21］" 魏超，周思柱，華劍，等．壓裂泵泵頭體內腔相貫線裂尖J積分研究［J］．石油機械，2018，46（11）：85-90．

WEI C，ZHOU S Z，HUA J，et al.Research on J integral of crack tip on intersecting line of fracturing pump head［J］.China Petroleum Machinery，2018，46（11）： 85-90.

［22］" 王國榮，楊昌海，李蓉，等．激光表面織構化對壓裂泵柱塞摩擦性能的影響［J］．潤滑與密封，2015，40（3）：17-20，63．

WANG G R，YANG C H，LI R，et al.Effect of laser textured surfaces on tribological properties of fracturing pump plungers［J］.Lubrication Engineering，2015，40（3）： 17-20，63.

［23］" 何霞，鐘林，王國榮，等．織構化柱塞對壓裂泵密封副的摩擦學性能影響［J］．摩擦學學報，2014，34（4）：364-370．

HE X，ZHONG L，WANG G R，et al.Tribological properties of fracturing seal with textured plunger［J］.Tribology，2014，34（4）： 364-370.

［24］" 何霞，廖文玲，王國榮，等．織構邊緣凸起對壓裂泵柱塞密封副摩擦性能的影響［J］．潤滑與密封，2016，41（7）：96-101．

HE X，LIAO W L，WANG G R，et al.Influence of edges bulgeof texture on tribological performances of plunger-seal pair in fracturing pump［J］.Lubrication Engineering，2016，41（7）： 96-101.

［25］" 杜文鑫，何霞，陳文斌，等．正弦微溝槽織構對柱塞密封副摩擦學性能的影響［J］．表面技術，2021，50（7）：225-232．

DU W X，HE X，CHEN W B，et al.Influence of sine micro groove texture on the tribological performance of plunger seal pair［J］.Surface Technology，2021，50（7）： 225-232.

［26］" SEGU D Z，HWANG P.Friction control by multi-shape textured surface under pin-on-disc test［J］.Tribology International，2015，91： 111-117.

［27］" 王國榮，廖文玲，趙明建．復合織構化壓裂泵柱塞密封副動壓潤滑性能仿真研究［J］．潤滑與密封，2019，44（1）：20-30．

WANG G R，LIAO W L，ZHAO M J.Simulation analysis on hydrodynamic lubrication performance of fracturing pumper plunger seal with compound texture［J］.Lubrication Engineering，2019，44（1）： 20-30.

［28］" HOCH M，毛杰，蔣鯨喆，等．非填充氫化丁腈橡膠低溫性能相關性的研究［J］．特種橡膠制品，2023，44（1）：1-6．

HOCH M，MAO J，JIANG J Z，et al.Study on correlation of low temperature properties of unfilled hydrogenated nitrile butadiene rubber［J］.Special Purpose Rubber Products，2023，44（1）： 1-6.

［29］" 莊毅，王雷雷，鄭方遠，等．不同種類硫化劑對氫化丁腈橡膠性能的影響［J］．合成橡膠工業，2023，46（1）：51-54．

ZHUANG Y，WANG L L，ZHENG F Y，et al.Effect of different curing agents on properties of hydrogenated nitrile rubber［J］.China Synthetic Rubber Industry，2023，46（1）： 51-54.

［30］" 付權圣，溫彥威，樓陽，等．不同氧化程度氧化石墨烯對羧基丁腈橡膠力學性能的影響：實驗和分子模擬［J］．合成橡膠工業，2023，46（1）：59．

FU Q S，WEN Y W，LOU Y，et al.Effect of graphene oxide with different oxidation degrees on mechanical properties of carboxylated acrylonitrile-butadiene rubber： experiment and molecular simulation［J］.China Synthetic Rubber Industry，2023，46（1）： 59.

［31］" 郭寶億．重型振動篩O形密封橡膠圈直徑檢測［J］．西安工業大學學報，2022，42（4）：375-379．

GUO B Y.Diameter detection of O-shaped seal rubber ring of heavy vibrating screen［J］.Journal of Xian Technological University，2022，42（4）： 375-379.

［32］" 杜鋼，李光茂，周鴻鈴，等．濕熱環境下密封橡膠的老化特性研究［J］．高壓電器，2022，58（6）：112-120．

DU G，LI G M，ZHOU H L，et al.Study on aging characteristics of sealing rubber in damp heat environment［J］.High Voltage Apparatus，2022，58（6）： 112-120.

［33］" 黃天成，呂倫，袁新梅．柱塞泵泵頭體應力集中及疲勞壽命分析［J］．機械設計與制造，2008（12）：193-194．

HUANG T C，LYU L，YUAN X M.Stress concentration and fatigue life analysis for plunger pump end［J］.Machinery Design amp; Manufacture，2008（12）： 193-194.

［34］" 黃天成，周思柱，呂倫，等．柱塞泵泵頭體有限元分析及結構優化［J］．石油礦場機械，2008，37（10）：40-42．

HUANG T C，ZHOU S Z，LYU L，et al.Finite element analysis and optimum structure of the fluid end of plunger pump［J］.Oil Field Equipment，2008，37（10）： 40-42.

［35］" 李美求，段夢蘭，黃一，等．自增強超高壓閥體設計［J］．機械設計，2011，28（9）：79-82．

LI M Q，DUAN M L，HUANG Y，et al.Ultra-high pressure valve body design base on autofrettage［J］.Journal of Machine Design，2011，28（9）： 79-82.

［36］" MA Y L，ZHANG S Y，YANG J，et al.Neutron diffraction，finite element and analytical investigation of residual strains of autofrettaged thick-walled pressure vessels［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2022，200： 104786.

［37］" 周思柱，嚴奉林，李寧，等．包辛格效應在泵頭體自增強上的應用［J］．石油機械，2013，41（7）：62-66．

ZHOU S Z，YAN F L，LI N，et al.Application of the bauschinger effect on pump head autofrettage［J］.China Petroleum Machinery，2013，41（7）： 62-66.

［38］" 王國榮，陳林燕，趙敏，等．壓裂泵閥箱疲勞壽命影響因素的研究［J］．石油機械，2013，41（1）：59-63．

WANG G R，CHEN L Y，ZHAO M，et al.Research on the influencing factors of fatigue life of fracture pump valve chamber［J］.China Petroleum Machinery，2013，41（1）： 59-63.

［39］" BADR E A，SOREM J R，TIPTON S M，et al.An analytical procedure for estimating residual stresses in blocks containing crossbores［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2000，77（12）： 737-749.

［40］" HU Z，PARKER A P.Implementation and validation of true material constitutive model for accurate modeling of thick-walled cylinder swage autofrettage［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2021，191： 104378.

［41］" KIANI M，ISHAK J，KELLER M W，et al.Comparison between nonlinear FEA and notch strain analysis for modeling elastoplastic stress-strain response in crossbores［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2016，118： 45-54.

［42］" 嚴奉林，周思柱，李寧，等．自增強超高壓柱塞泵泵頭體設計［J］．機床與液壓，2013，41（11）：102-104．

YAN F L，ZHOU S Z，LI N，et al.Design of ultra-high pressure fluid ends of the reciprocating pump based on autofrettage［J］.Machine Tool amp; Hydraulics，2013，41（11）： 102-104.

［43］" 李寧，李友榮，周思柱，等．基于混合硬化模型的超高壓泵頭體自增強研究［J］．石油機械，2015，43（2）：74-78．

LI N，LI Y R，ZHOU S Z，et al.Research on autofrettage for ultra-high pressure pump head based on hybrid hardening model［J］.China Petroleum Machinery，2015，43（2）： 74-78.

張國友，高級工程師，生于1970年，2009年畢業于長江大學機械工程專業，獲碩士學位，現從事科研及管理工作。地址（434024）湖北省荊州市。電話：（0716）8429057。email：zhanggy.oset@sinopec.com。

2023-11-28

楊曉峰