（机械工程专业论文）3500型压裂泵液力端的设计计算.pdf

摘要 石油被称为不可再生宝贵的资源，随着用油量的逐日加大，石油储量越来越少，也 显得越来越重要。石油是工业的血液，它决定着整个国家的发展水平，石油的开采量随 着全球经济的高速发展而日益加大。 随着我国加砂压裂、酸化压裂工艺的不断强化和油气井深度的不断增加，压裂泵愈 来愈朝着大排量、高压力、大功率的方向发展。在油气勘探技术的发展的同时，油气井 分布也越来越广泛，并且，对压裂设备的移运性的要求会更高。因此，压裂泵工况更加 恶劣，为进一步提高压裂泵的使用寿命并对它进行结构改进和整体研究就具有十分重要 的意义。 本文根据3 5 0 0 型压裂泵泵头的工作原理及设计要求，确定出其尺寸，然后用p r o 厄 软件画出泵头三维模型，用计算机辅助设计软件c a d 画出其剖面图，然后对泵头模型 用a n s y s 软件进行有限元分析，找出受力较大易受损部位，然后对原结构进行改进， 主要改进方法是对尖角部位进行倒角等，并用a n s y s 软件反复进行受力和变形分析， 找出最合适的倒角大小，使受力大的部位受力和变形最小，从而增强其受力能力，除此 之外，还给出了其他的增强压裂泵泵头强度的方法；以延长泵头体的使用寿命。 关键词： 压裂工艺 液力端材料强度有限元分析 d e s i g nc a l c u l a t i o no f 3 5 0 0h y d r a u l i c f r a c t u r i n gp u m p d o n ga i f e n ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ux i n g p i n g a b s t r a c t o i li sc a l l e dn o n r e n e w a b l ep r e c i o u sr e s o u r c e s ，w i t ht h ed a i l yi n c r e a s eo i l ，o i lr e s e r v e s l e s sa n dl e s s ，i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t o i li si n d u s t r i a lb l o o d ，i ti sd e c i d i n gt h e d e v e l o p m e n tl e v e lo f t h ew h o l ec o u n t r y ，o i le x t r a c t i o nw i t ht h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to f g l o b a le c o n o m y i sg r o w i n g a l o n gw i t ho u rc o u n t r ys a n d u pf r a c t u r i n g ，a c i d i f i c a t i o no f t h ef r a c t u r i n gt e c h n i q u e s c o n s t a n t l ys t r e n g t h e n e da n di n c r e a s eo f o i la n dg a sw e l ld e p t h ，f r a c t u r i n gp u m pi sd e v e l o p i n g m o r ea n dm o r et o w a r dl a r g ed i s p l a c e m e n t ，h i g hp r e s s u r e ，h i g hp o w e r w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fo i la n dg a se x p l o r a t i o nt e c h n o l o g y t h ed i s t r i b u t i o no fo i la n dg a sw e l li sm o r ea n dm o r e w i d e l ya n dt ot h ef r a c t u r i n ge q u i p m e n t r e m o v e dt h er e q u i r e m e n t so fs e xw i l lb eh i g h e r t h e r e f o r e ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o no ff r a c t u r i n gp u m pi sm o r eb a d ，i no r d e r t of u r t h e ri m p r o v e t h es e r v i c el i f eo ff r a c t u r i n gp u m p ，t h e r ei si m p o r tm e a n i n gt oi m p r o v ei t ss t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h et y p e3 5 0 0f r a c t u r i n gp u m ph e a do ft h ew o r kp r i n c i p l e a n dd e s i g n r e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e rd e t e r m i n e st h es i z e ，t h e nd r a w st h e3 dm o d eo f t h ep u m ph e a dw i t h p r o es o f t w a r e ，a n dp r o f i l ew i t hc a ds o f t w a r e ，a n a l y s i s e st h ep u m ph e a dw i t ha n s y s s o f t w a r e ，f i n d so u tm o r es t r e s sd a m a g ee a s i l y ，t h e nt h eo r i g i n a ls t r u c t u r ew a si m p r o v e d ，t h e m a i nm e t h o di sp o i n t e dt op a r t sf o rc h a m f e r i n ge t c w i t ha n s y ss o f t w a r er e p e a t e ds t r e s sa n d d e f o r m a t i o na n a l y s i st of m dt h em o s ts u i t a b l e c h a m f e r i n gs i z e ，m a k e t h ef o r c ea n d d e f o r m a t i o np a r t so ft h em e c h a n i c a lm i n i m u m ，t oi m p r o v i n gt h e i rm e c h a n i c a la b i l i t y i n a d d i t i o n ，i tg i v e so t h e rm e t h o d st oe n h a n c ef r a c t u r i n gp u m ph e a ds t r e n g t hi no r d e rt op r o l o n g t h es e r v i c el i f eo f t h ep u m ph e a d k e yw o r d s ：f r a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，t h eh y d r a u l i ce n d ，s t r e n g t ho fm a t e r i a l sf i n i t e e l e m e n ta n a l y s 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 1 1 研究背景 第一章绪论 石油被称为不可再生的宝贵资源，随着用油量的逐日加大，石油储量越来越少，也 显得越来越重要。石油是工业的血液，它决定着整个国家的发展水平，石油的开采量随 着全球经济的高速发展而日益加大。与此同时，油井的产油率成为石油工业的重大课题， 通过改进采油工艺和设备来提高油气产量n 们。 目前，压裂设备( 例如压裂泵) 作为提高油气产量的主要设备之一，随着经济的发 展，社会的进步，压裂工艺技术也得到了前所未有的发展，由此，提高了采油工作效率， 使采油量逐年增加。最近一些年，压裂工艺的不断改进，各种新型压裂液被研制成功， 压裂工艺对压裂设备的要求日益增高，压裂设备对油田生产率的提高也越来越重要阳1 。 目前，压裂作业已不仅仅是中后期的老油田开发工作中的重要增产措施，同时对开发新 油田也起着至关重要的作用。压裂设备也向着大功率、高压、大排量、输送介质多样化、 多功能发展心引。 随着我国加砂压裂、酸化压裂工艺的不断强化和油气井深度的不断增加，压裂泵愈 来愈朝着大排量、高压力、大功率的方向发展。在油气勘探技术的发展的同时，油气井 分布也越来越广泛，并且，对压裂设备的移运性的要求会更高。因此，压裂泵工况更加 恶劣，为进一步提高压裂泵的使用寿命并对它进行结构改进和整体研究就具有十分重要 的意义瞳引。 为了确保新压裂酸化泵设计的可行性和可靠性，并使其能更好地满足实践中的用要 求，必须在设计过程中建立采用先进的设计方法、完善的设计理论、对产品主要零部件 进行详细有效的分析和研究，使新产品不仅具有成本低、结构新颖、性能优越，而且要 有综合的工作性能和较高的技术水平，以此替代进口产品来满足我国油田生产的需求， 从而提高油田的综合经济效益，降低油田生产成本，成为我国石油天然气勘探开发的重 要设备。 压裂工艺是提高可开采储量和油气产量的重要措施之一，其中压裂泵是实施压裂作 业的主要设备。压裂泵的泵头体或者称之为液力端是压裂泵中所有零件中价格昂贵的易 损件，它的工作环境相当恶劣并承受着脉动循环的超高内压作用，正如酸化压裂采油， 就是典型的腐蚀疲劳问题。压裂泵的液力端在使用一段时间后，内部的螺纹会出现根部 第一章绪论 断裂的现象，最终导致整个泵头体报废，与柱塞泵整体寿命相差甚远，况且，使用过程 中频繁的检查与更换凡尔、凡尔胶皮、凡尔座及柱塞n 羽，也会使得螺纹磨损严重，一般 泵头体工作1 0 0 0 小时左右，其螺纹就会出现明显的磨损。 1 2 国内外压裂泵技术研究现状和发展前景 1 2 1 国外压裂泵技术研究现状和发展前景 1 国外研究现状 随着石油工业的快速发展，压裂工艺和技术也得到了长足的发展，尤其是在美国等 一些经济发达的西方国家，其中最主要的一些制造和研究压裂工艺的有西方公司、s s 公司、哈里伯顿、b j 公司、斯伦贝谢、等h 引。 依据压裂施工工艺，美国压裂设备制造商对压裂设备的整体要求，选购柴油机、压 裂泵、传动箱、底盘卡车等是按照部件生产商家提供的部件参数进行的。美国的很多压 裂设备制造公司除了从事设备制造以外还从事油田工程技术服务3 。这些公司生产和研 制的压裂设备不但能满足大多数压裂泵设备能够满足的压裂泵工作要求和工况，同时又 具有自己独特的个性。 在国外，专用在油田使用的柱塞泵早就已经实现了产品的系列化、通用化和标准化。 国外压裂泵从小功率发展到大功率，从低压发展到高压，都照顾到了部件的系列化及通 用性。按照经济合理的观点，一般来说，国外固井设备和压裂、酸化设备都是通用的。 所以，在国外的有些公司都特别注意发展固井、压裂设备两种设备的通用性。随着c a d c a e c a p p c a m 一体化技术的不断成熟，c a d c a m 技术的不断发展，可以很好的利用 计算机方便、快捷的完成压裂泵及其它压裂工艺设备的设计和计算，为设计师们大大的 缩减了工时。在现代社会，计算机得到了广泛的应用，各个领域都离不开计算机，同样， 计算机也成为设计师们得力的助手，促进了压裂工艺设备的设计和制造的快速发展，为 全人类油气产量的提高，起到了不可替代的作用。 2 国外发展前景 主要的海外压裂设备市场有独联体地区( 哈萨克、阿塞拜疆等) 、北美和俄罗斯的 设备采购。在北美，压裂设备主要用于非常规气开发，而海外的其他些地区主要用于 提高石油的产量，而压裂设备在中东地区市场有限，处于高峰期的主要是油井单产，就 目前的形势看，他们还没有进入大规模依靠压裂设备来增产的阶段。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 目前，国外的压裂、酸化泵正向大功率、高压、大排量方向前进。在经济竞争愈演 愈烈的当今社社会，压裂设备制造商们要想提高自己的市场占有率，其最强有力的手段 无非是改进设备，提高压裂设备的使用寿命和一些强大功能的通用化和互换性。 1 2 2 国内压裂泵技术研究现状和发展前景 1 国内压裂泵技术研究现状 由于我国的经济相对那些西方发达国家还有一定的差距，一般还处在模仿和在国外 同类的产品基础上改进的阶段和水平。同样，应用于油气开采方面的压裂工艺设备也和 他们不可同日而语，无论在设计上还是在制造上，和那些压裂技术先进的国家是没法比 的，其中存在的这种差距的关键问题是：从目前情况来看，我国以自己的实力自行研 制和使用的压裂设备技术还不够成熟，压裂设备的功能还不够齐全；在我国很多油气 田生产线上使用的大多压裂泵还属于小排量、压力上升慢的类型；0 我国对压裂技术的 研制水平还没有那么到位，离引领世界潮流的压裂工艺研制技术还差很远；大部分使 用中的压裂设备都不能长期承受其恶劣的工作环境和繁重的工作任务要求，长期磨损， 使用寿命很短，况且大都是价格昂贵的设备，短时间内大量设备损坏增加了成本，降低 了生产效率；我国虽然也存在一些生产压裂工艺设备的企业，但是生产出的产品还没 形成标准化，还满足不了互相性要求。 近年来，我国实行经济发展战略是西部大开发战略，同样，石油工业也随着西部大 开发的发展而向西部专业。由于，我国的油气储量的逐渐减小，并且随着国内车辆的大 量使用，油气的使用量在逐年大量增加，这些都迫切需要我国必须加快对输入特殊介质 的压裂设备、沙漠压裂设备、浅海滩涂压裂设备、深井压裂设备的研制速度。因此，我 国必须投入大量的人力物力来设计和生产出大功率、大排量、使用寿命长的压裂设备来 适应经济的发展。由于，压力泵属于压裂工艺中最重要的设备之一，它工作的环境一般 都很恶劣，本身又是工作要求很高，比如功率很大，并且，它的生产和研究过程很复杂， 要求的技术很高，再加上我国对压裂工艺设备的研制技术还不成熟，因此，我国生产压 裂设备的厂家数量较少，主要集中在三家工厂：兰州通用机器厂、江汉第四石油机械厂 和成都般发特种车辆厂n 引。与外国相比，我国在零件设计加工方面也存在很多不足，缺 乏竞争力。与工业发达国家相比，我国的三维c a d 技术在应用的深度和广度方面的差 距也很大。我国现在的c a d 技术的应用还基本上停留在计算机辅助设计上，而且一般 还是基于设计图纸上的。而且，我国对压裂设备的生产过程仍采用钻扩铰的传统加工 第一章绪论 方式对泵头大直径深孔进行加工，泵头加工专用的工艺装备如刀具、夹具和机床等的设 计量也很少。 2 国内发展前景 我们国家的压裂设备市场目前的情况正处于高峰期，有持久不断的市场驱动力。 2 0 0 2 年，我国的大庆油田在全国首批采用压裂设备实施增加油气产量，也由此大庆油田 的增产幅度高达4 0 6 0 。页岩气、天然气的开发、传统油田的增产等非常规气开发将 成为以后几年里我国最重要的增产油气产量的重要措施和动力之一。 我国的压裂、酸化等油气田大量使用的专用柱塞泵的设计和制造与国外的柱塞泵的 设计水平和制造数量及质量相比存在很大差距，造成这种差距的原因有很多，总结起来 其中最重要的是我国开发油气田的历史太短，对油气田专门使用的柱塞泵比如压裂泵等 研究制造开始的时间也晚，为了向世界先进的压裂技术靠拢，我们的主要的努力发展方 向有以下几方面：努力实现产品系列化、标准化、通用化；压裂工艺设备的基本构件 的研究及制造要更全面；压裂设备功能和形式的多样化；压裂设备品种的多样化。随着 石油工业在国民生产中发挥的作用越来越大，我国在压裂泵工艺技术研究及压裂泵设备 的制造方面也以很快的速度发展，与世界压裂技术先进的国家的差距也会越来越小。 1 3 压裂泵的工作原理及基本结构 压裂泵的重要工作就是在很高的压强下将压裂液运输到井底，致使井底的岩石裂 开，次年改成很多裂缝，用这种方法来提高油气渗透率，增加油气在地层下面快速的流 动，从而增加油气的产量。压裂液包括酸化液和混砂液。酸化液是压裂时对地层起腐蚀 作用的一定浓度的酸液，如盐酸等，它可以扩大裂缝，并能够促使窟窿的形成。混砂液 一般是在清水、粘性液体内或原有液体中加入一定比例的支撑剂的混合液体。在压裂过 程中，混沙液中的砂粒等支撑剂可以起着很好的支撑的作用，还可以扩大地层裂缝【2 0 1 。 总而言之，压裂就是用压裂液体能够传导压力的作用，把高压设备的压力传导给岩 层，高压致使岩层产生数条裂纹，增大了岩层下油气的运输通道，提高了运输速度。从 而提高了产油率。 在压裂泵的压裂过程中，压裂液传导给地层的压力来自于位于地面上面的高压强的 压裂泵。压裂泵的动力端的动能通过液力端转换成压裂液的液体能量，使压裂液以一定 的速度注入到地层以下。随着压裂液的不断注入，地层以下的压力也逐渐增大。当压裂 液的注入速度大于地层对液体的吸收能力时，就会在地层形成一股逐渐增大的压力，当 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 压力达到一定程度就被撑破岩层，使其产生缝隙或裂纹，从而增大了地层液体的渗透和 过流速度，同时油气在地层的流动速度也会增大，这样就使油气产量明显增加，生产效 率大大的提高。 停泵以后，为了防止在上部岩石的重力作用下裂缝重新闭合，必须要向注入地层的 压裂液中加入一些如石英砂之类的支撑剂，充填在压开的裂缝中的支撑剂里，可以起到 支撑缝面的作用。与天然的地层岩石相比，这种填砂裂缝的结构要疏松得多，因此，可 以在很大程度上改善流体在井底附近地层的流动速度和扩散的面积，使油气的产量成倍 增长。 1 3 1 压裂泵的基本部件介绍 压裂泵是油田上常用到的一种往复泵，它主要由液力端和动力端组成。压裂泵的动 力端的主要功能是把原动机的机械能传递给液力端，再由液力端直接输送液体，最终把 原动机的机械能转换为液体的压力能。组成压裂泵的动力端的主要部件有曲柄、连杆、 十字头、泵壳等。液力端的主要部件有阀箱、柱塞、吸入阀、排出阀、高压密封总成。 1 动力端的组成 压裂泵的动力端由三部分组成：箱体组件、蜗轮蜗杆减速传动系统、曲轴连杆机构。 其中，箱体组件由主箱体、副箱体、箱体侧盖板和轴承端等零件组成m 1 。 曲轴连杆机构主要有四大部件：曲轴组、十字头组合及柱塞组、连杆组。 ( 1 ) 曲轴组 曲轴组包括二拐曲轴、三拐曲轴、外齿圈、内齿圈和中间定位杆等零件；连杆组由 连杆体、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴瓦等组成；其中，曲轴组与轴承和箱体联接，并通 过内外齿圈固定联接来传递蜗轮的扭矩，通过十字头和连杆连接驱动柱塞，从而达到提 高压力的目的。 ( 2 ) 十字头及柱塞组 组成十字头组的零部件包括柱塞杆、十字头、柱塞、导筒、中间内外接头等。在压 裂泵工作的过程中，十字头起到一个传递力和方向的作用。它的一端通过堵头与连杆相 连，它的另一端与拉连接来带动拉杆，最终达到带动柱塞并使柱塞在缸体内不停的做往 复运动的目的。 ( 3 ) 连杆组 连杆组一端与十字销连接来传递动力，另一端经由连杆大端头与曲轴连接，进而推 第一章绪论 动柱塞达到增压的目的；连接曲轴和连杆的结构是连杆盖，它与连杆的相连方式是用螺 栓连接。曲轴推动连杆的同时，连杆盖处于放松状态，但是，当曲轴拉连杆时，连杆盖 则处于受拉状态。 ( 4 ) 蜗轮蜗杆减速传动系统主要由蜗轮、蜗轮端盖、蜗杆、轮毂、止推轴承座等零部 件组成。 2 液力端的组成 液力端总成的主要部件有：泵头体，吸入和排出阀总成、阀盖和吸入总管、柱塞、 柱塞密封盘根总成等。如下图1 1 所示： 图1 - 1 动力端和液力端结构 f i 9 1 - 1 t h es t r u c t u r eo fp o w e re n da n df l u i de n d 1 3 2 压裂泵的基本参数 ( 一) 有效压头 单位重量液体所具有的位能、压能及动能的大小分别用位置水头、压力水头和速度 水头表示。以上三者之和称为液体的总水头，也就是单位重量液体所具有的总能量，其 大小可以用液柱高度表示。 若将一系列管线与泵联系在一起，通过泵对液体做功，也就是把泵的机械能传给液 体，使泵内液体本身的能量增加。重量的单位为，能量的单位为n m ( 即j ) ：日表 示单位重量液体由泵获得的能量，其单位为j n ，称为泵的有效压头或扬程。为了更详 细的说明有效压头的概念，以下从能量平衡的角度进行详细分析。 从图1 2 可以看出，在断面i i 和断面处，其能量平衡方程式可以表示为： 墨+ 芷+ 日：生+ z + 生+ y ( - 1 ) y2 9y 2 9 二一 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 式中 只、最j 吸水池和排水池液面上的压力，a ； u 。、u 4 吸水池和排水池池液面上液体的流动速度，m s ： 日泵的有效压头，表示泵向单位重量液体提供的能量的多少，j n ； z j 吸水池与排水池液面的高度差，m 。z = z l + 日o + z 2 ； 办及入管段与排出管段总的水头损失，m 。h = + e h 捧。 图1 - 2 往复泵压头计算示意图 f i 9 1 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc a l c u l a t i n gr e c i p r o c a t i n gp u m pp r e s s u r eh e a d 泵的排出阀、泵的吸入阀及液缸内的水头损失都是属于泵内损失，它们都直接影响 到泵的工作效率，但不应包括在管路损失之内。 变换上式，可得 日：z + 生兰+ 鲨二立+ y 办( 1 - 2 ) y2 9 - 由上式可以看出，泵的有效压头日就好比是排水池液面与吸水池液面的总比能差， 然后再加上吸入管路和排出管路中的水头损失。即泵供给单位重量液体的能量，被用来 提高液体的总比能，还能用来克服全管线中的液流阻力两方面。 吸水池和排水池的空间一般很大，此时，“。兰0 ，“。兰0 ，并且当& = 只时，上式 变为 第一章绪论 日= z + h ( 1 - 3 ) 在以上情况下，泵的有效压头就和排水池与吸水池液面高度差相当，然后再加上管 路中的水头损失。在特殊情况下，例如当往复泵用于钻井时，此时的吸水池与排水池往 往是公用的，也就是 = 只，“l = = 0 ，z = 0 因而泵的有效压头为 h = 厅 ( 1 - 4 ) 此种情况下，泵供给液体的能量全部用于克服管路中的阻力。 从上式( 1 2 ) 、( 1 - 3 ) 及( 1 - 4 ) 来看，不管是在哪种条件下，在求得泵的有效压头 之前，必须先求出全管路中的阻力损失。由于泵内部管路结构一般都比较复杂，因此， 计算过程也较繁琐。以下采用比较简便的方法，可以直接确定泵的有效压头。 令日：和日。分别为单位重量液体在泵前i i - i i 断面和泵后- 断面上所具有的能 量，i i 断面为基准面，那么，液体在i i i i 断面和断面的总比能为 月确专+ 等 m 5 ， 日3 - z l + h o + 生+ 垡 ( 1 - 6 ) ) ， 2 9 式中。z t i i i i 断面处吸入管到吸入池液面高度的差值，m ； 尸吸i i i i 断面处吸入管中的液体压力，m p a ； i i i i 断面处吸入管中的液体流速，m s ； 风i i i i 断面和泵后叫i i 断面高度的差值，在这两个断面处，分别安 装真空表与压力表，因此h o 也就是表高度差值，m ； 尸捧爿 出管中i 断面处的液压，m p a ； “捧崮 出管中中断面处液体的流动速度，m s 。 很明显，液体在泵前与泵后能量发生变化的原因是由于泵供给液体能量所致，其变 化值也就是泵的有效压头，即 h = 何，一日， ( 1 7 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 将式( 1 - 4 ) 与( 1 - 5 ) 代入式( 1 - 6 ) 则 日：墨 鱼+ 竺苎：竺墼：+ 日o ：当墨+ 三二鱼+ 兰苎：兰墼：+ o( 1 8 ) y2 9yy2 9 由于 当绝对压力大于大气压时：表压力= 绝对压力一大气压力 当绝对压力小于大气压时：真空度= 大气压力一绝对压力 尸袁是指压力表指示的压力，& 是指真空表指示的真空度，那么 岛= 尸捧。只 尸l = 只一岛 故泵的有效压头又可以由下式表示 日：拿+ 阜+ 垡蔓+ 凰 仆9 ， i y2 9 对于一般的往复泵，其排出管直径与吸入管一般相等或相近，所以，“捧= “吸或 “捧“吸，上式( 1 - 9 ) 中等号右端第三项数值很小，可忽略不计，此时，式( 1 - 9 ) 就 变成 日：垒+ 垒+ 凰( 1 - 1 0 ) 所以，往复泵的有效压头，主要决定于一下三项： 1 在泵的排出口，装压力表处的高度与吸入口装真空表处的高度差为h o ，对有些 泵来说，日。是常数。 2 泵吸入口出真空表的读数，也就是真空度& 。真空度的大d 、和它的物理意义 可以从断面i i 和断面i i i i 处的能量平衡方程式导出，由于 号一z - + 争+ 垡2 9 + m yy 。 或 学，+ 争+ 蔷+ v ，z p 一 9 第一章绪论 故 争- z l + 垡2 9 + ky 一 ( 1 1 2 ) 从式( 1 1 2 ) 可以看出，泵的吸入真空度的数值取决于泵的安装高度、液体在吸入 管中的阻力损失及液体在泵进1 2 处的速度。若这三项数值都较大时，真空度也就会随着 增大，反之真空度会较小。若从能量的观点来讨论，泵的真空度大小形象的表示了液体 在吸入管段的做功，即在吸入管段内往复泵泵供给液体的或自身所消耗的能量。 3 泵排出口处压力表的读数表示的是表压力尸袅的大小。我们从断面一和断面 的能量平衡方程式能导出与它有关的因素。 因 争1-鲨-z2-4i-等4-29 k= 一7 疗。 y ， 厶一符 罕+ 生2 9 = z 2 + 学+ ky 。 ， 一件 所以 争一z ：+ 学i - k 一等 yy。2 9 由式( 1 1 3 ) 可以看出，当排水池较高，排水池液面压力及管线阻力较大时，表压 力较大，反之则小。如果排水池液面为大气压力，z ，数值不大，则表压力主要取决于排 出管线中的阻力，管线越长，阻力越大，表压力也越大。当往复泵用于钻井时，总是井 浅时泵压较小，而随着井深的增加，表压力也随之增加。表压力大小表示了液体在排出 管线内做功的大小，也就是泵在排出管线内所消耗的或供给液体的能量。 在实际计算中，由于考虑到泵的排出压力一般较高，表压力也很高，达几十至几百 大气压力，而真空度& 及高度差h 。相对很小，可忽略不计，因此，通常用表压力代表 泵的有效压头，即h 鱼。 ， 往复泵的功率与效率 设泵的有效压头为日，重量排量为q g ，则单位时间( 每秒) 内液体由泵所获得的 总能量，即泵在单位时间内所做的功为 n = q h k w 1 0 ( 1 1 4 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 因为 q g = 翰，p = p g h ( 1 1 5 ) 故，式( 1 1 4 ) 又可写为 n = q p g h x l 0 。3 = p q 1 0 旬 式中n 泵的输出功率，k w ； p 一输出液体的密度，k g m 3 ； q 泵的水力功率或输出功率， m 3 s 。 表明泵的实际工作效果，因此称它为泵的有效功率，又称泵的水功率或输出功率。 显然泵之所以能将能量传给液体，是由于外界机械能输入的结果。假定发动机( 柴 油机、电动机等) 输送到泵主轴上的功率为主( 一般称主为泵的主轴功率或泵的输 入功率) 。因为在泵内有功率损失，所以主 n ，将二者之比用效率叼泵表示，叩泵称为 泵的总效率。 叩泵2 瓦n ( 1 - 1 6 ) 或 也2 i n2 器( 1 - 1 7 ) 泵内的功率损失包括以下几个方面( 图1 - 3 ) ： 图1 3 往复泵内功率分配示意图 f i g l - 3 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd i s t r i b u t i n gr e c i p r o c a t i n gp u m pi n t e r n a lp o w e r 第一章绪论 1 机械损失机 它是克服泵内齿轮传动、轴承、柱塞、盘根和十字头等机械摩擦方面所消耗的功率。 往复泵做的总功的功率与损失的功率之差所得的数值称为泵的转化功率，以表示之， 则 n i = n 茎一心机 ，与主的比值玎机称为机械效率，即 ”惫 往复泵的转化功率n ，指的是在单位时间内往复泵由机械能转化为液体能的那部分 功率，这部分功率全部用来对往复泵内液体做功，把动力端的机械能转换为液体本身的 能量，从而使液体的能量增加。往复泵在单位时间内获得能量的液体体积用q 来表示， 往复泵单位重量的液体所得到的能量大小用为h ，( h ，称为转化压头) 来表示，则转化 功率可以用下式表示 = 警k w ( 1 - 1 9 ) ，3 2 容积损失a n 漏泵实际排出的液体体积总比理论体积小，这是由于有一部分获得 能量的高压液体q 漏从柱塞与缸套间的间隙、柱塞密封或阀与阀座间漏失，造成某些能 量损失。实际排量q 与泵内接受能量的液体量q j 之比，称为泵的容积效率，即 刀宜：旦：一里 ( 1 - 2 0 ) 。翥2 赢 在图i - 3 中，q 漏所带走的能量以z i n 漏表示。 但泵内接受能量的液体量q 往往低于泵的理论平均排量q 理均，这是因为有时缸内 存在少量气体而减少了吸入，或因为阀门迟关造成液体回流。由上面两个原因所减少的 排量，几乎没有能量损失。所以，可把排量系数分为两个部分 口2 口1 7 7 容 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 式中口。充满系数，考虑缸中有气阀f - j 迟, 关对排量的影响，几乎没有能量损失 卟去； ，7 容容积效率，考虑因密封不严造成高能液体漏失对排量的影响，有能量损 失。 3 水力损失 考虑液体在泵内流动时，消耗在沿程和局部( 包括阀在内) 阻力上的压头损失，等 于有效压头与转化压头之比，称之为水力效率，即 7 7 ：旦：旦 ( 1 - 2 1 ) 7 7 水。面2 h + h 式中办泵内各项水力损失相加之和，m 。 泵的转化效率叩，是指泵的有效功率比泵通过柱塞传给液体的转化功率所得值，即 q n r n _ l sqh 仇2 可。虿q , h 亟y2 翥瓦邓卯水 7 5 由以上可得，泵的总效率为 7 7 泵：芋：导矿n i 砘嘞魄- r # t ( 1 - 2 2 ) 7 7 泵2 瓦2 矿瓦2 叩，7 7 机2 7 7 容7 7 水 。2 ” 往复泵转化效率的大小能表示泵的液力端结构的完善程度，而机械效率的大小则 表示机械传动部分的完善程度。泵的总效率可由试验测出，一般情况下7 7 泵= 0 7 5 0 9 0 。 一般情况下，往复泵是经过皮带、变速箱等与发动机相连的，在对整台泵所需功率 进行计算时，应考虑皮带及变速箱的传动效率叩传。故，整个机泵组所消耗的功率 岭鲁= 纛 ( 1 2 3 ) 在选择发动机的型号时，需要考虑往复泵的可能过载情况，应使所选功率比理论上 的发大一些，一般可以选择大l o 左右。 1 4 本课的提出及研究方向 石油是现存不可再生的极其宝贵的能源之一，它是工业的血液，对于一个国家经济 第一章绪论 的发展起着至关重要的作用。伴随着全球经济的高速发展，石油工业的发展速度也得到 了很大的提高。就目前的工业发展形势来看，依靠提高压裂设备来提高有油气的生产效 率是很关键的。 最近，我国油气井深度的不断增加及酸化压裂工艺和加砂压裂的不断强化，同时， 压裂泵也逐渐朝着大排量、高压力和大功率方向发展。另外，油气井也随着油气勘探技 术的发展而分布越来越广泛，这对压裂设备提出了更高的移运性即要求对力的承受能力 一定要大。所以，为进一步提高其使用寿命，对工况更加恶劣的压裂泵进行研究有十分 重要的意义。 本文从以下几个方面进行论述： ( 1 ) 在理解往复泵基本的理论知识的基础上，根据压裂泵的工作原理、基本的结构构 成及其各部分的功能，对压裂泵进行运动学、动力学分析。 ( 2 ) 根据3 5 0 0 型压裂泵液力端的设计要求及工况，由理论计算确定3 5 0 0 型压裂泵的 泵型，进而确定其泵头各部分具体的数据，如缸径、进出口直径尺寸的确定、柱塞型号 的确定等。最终用三维设计软件p r o e 及计算辅助设计软件c a d 设计出3 5 0 0 型压裂泵 泵头三维模型及其剖面图。 ( 3 ) 对以上设计好的3 5 0 0 型压裂泵泵头三维模型，用常用的有限元分析软件a n s y s 进行静态力有限元分析，找出泵头受力较大且易受损部位，然后对原结构进行改进，主 要改进方法是对尖角部位进行倒角、增加厚度等，并针对改进后的新泵头模型用有限元 法分析软件a n s y s 软件反复进行受力和变形分析，同时考虑到经济及加工的方便，最 终找出最合适的倒角大小，使受力大的部位受力和变形最小，从而增强其受力能力，延 长泵头体的使用寿命。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第二章3 5 0 0 型压裂泵液力端设计计算 2 1 泵型及总体结构型式选择 进行总体设计，首先要就是根据设计要求来选择合适的压裂泵类型及总体结构。现 把往复泵进行分类：机动泵、直接作用泵、手动泵、活塞( 柱塞) 泵、计量泵、隔膜泵、 立式泵、对置式泵、卧式泵、角度泵、轴向平行式泵等n 。 l 、机动泵 用独立的旋转原动机( 如电动机、柴油机、汽油机等) 进行驱动的泵，称为机动泵。 用电驱动的泵又称为电动泵。 机动泵通常由传动端、液力端、原动机、减速机及其它附属设备( 例如润滑、冷却 系统等) 组成。减速机可以是独立的或附属于传动端。习惯上，称前者为“泵外减速”， 称后者为“泵内减速”此时减速机称为减速机构。也有些泵不经减速而与低速电动机直 接经联轴器连接，称为“直联泵”。 2 、直接作用泵 直接作用泵是指液力端活塞( 柱塞) 与动力端活塞直接用一根活塞杆连结的泵。它 的动力端的工作介质可以是蒸汽，压缩气体( 一般是空气) 或有压液体( 通常是油) 。 而最常用的是蒸汽，这种泵也叫做蒸汽直接作用泵。 直接作用泵通常由动力缸、液力端、配汽( 气或液) 机构及其它附属设备等部分组 成。 3 、手动泵 手动泵是指用人力通过杠杆机构驱动活塞( 柱塞) 做往复运动的泵。 4 、活塞泵和柱塞泵 在液力端往复运动件上无密封元件的叫柱塞，有密封元件的叫活塞。相应的泵分别 称为柱塞泵和活塞泵。 ( 1 ) 柱塞泵 由于柱塞泵的柱塞形状简单，且密封( 填料箱) 结构经常会变形，因此： 柱塞直径不应该过大。 柱塞泵由于结构原因，大多制成单作用泵，几乎不制成双作用泵。 由于柱塞泵密封( 填料箱) 在结构上易于变形，并且材料选择上也比较灵活，因 第二章3 5 0 0 型压裂泵液力端的设计计算 此柱塞泵适用的排除压力范围较广泛，并且应该制成高压泵。 ( 2 ) 活塞泵 由于活塞泵的密封元件必须安装在活塞体上，因此： 活塞尺寸不应该过小。 活塞泵宜制成双作用泵而且大多是双联( 缸) 双作用泵。作为泥浆泵也有制成三 联( 缸) 单作用泵的，但是三联双作用泵则很少见。 直接作用活塞泵多采用双联( 缸) 双作用型式，这样就可以简化配汽( 液) 机构， 能改善泵阀的工作条件，还能使泵阀几乎无冲击关闭。 双联( 缸) 双作用直接作用泵，两活塞相位差的大小为1 8 0 0 ，而双联( 缸) 双作用 机动泵，两活塞相位差的大小为9 0 0 。 活塞泵更换缸套和活塞，以此来达到有级调节流量的目的。 活塞泵由于受结构限制，一般只适用于低、中压泵，但可用于较大流量。 5 、隔膜泵和油隔离泵 泵的液力端由隔膜( 膜片、波纹管等) 组成工作腔，用隔膜周期弹性变形代替活塞 ( 柱塞) 做往复运动的泵，称为隔膜泵。其周期变形是在液( 油) 压工作腔里借助于活 塞( 柱塞) 往复运动造成的液( 油) 压驱动的泵，叫液压隔膜泵，借助于做往复运动的 机件来直接驱动隔膜周期变形的泵，叫机械隔膜泵。 6 、计量泵 在额定的排出压力和最大流量下，根据需要可调节流量，而且流量一经调定就能以 该流量对单联泵) 或按精确的流量比( 对双联以上的泵) 输送介质，这种泵均称为计量 泵。 7 、卧式泵 卧式泵是指液缸或活塞( 柱塞) 中心线为水平布置的泵。 往复泵大都是卧式泵，卧式泵的共同点是： 操作者观察泵的运转情况方便，有利于拆、装，使用、维修均。 因为柱塞做的是往复水平运动，密封件在工作时须承受活柱塞自重，因此很容易 产生偏磨，特别是柱塞较重、悬臂较长时，这种现象就更为明显。 虽然卧式泵有缺点，但也有突出优点，因此，采用卧式泵的较多。 8 、立式泵 立式泵是指液缸或活塞( 柱塞) 中心线是垂直布置的泵。 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 立式泵的共同特点是： 高度较高较大，要求厂房高，但长、宽方向较小，故占地面积少。 机械惯性力水平分力小而且垂直分力大，由于泵基础有较强的承受承受分力的能 力，故对泵基础要求不高。 泵的外形以及动力端机构尺寸较小，结构也较简单，这样就利于减小总体尺寸和 重量。 通常，立式泵的吸排阀、管布置上存在很多困难，并且拆装、维护很麻烦，尤其 是当液力端安装在传动端下侧时更明显。如果把液力端安装在传动端上侧时，则有所改 善。 由以上总结，根据本设计中3 5 0 0 型压裂泵的工作要求和使用性能，此处采用的是 卧式三缸柱塞泵。 2 2 液力端结构型式选择 在往复泵上，把柱塞从十字头处脱开到泵的进、出口法兰处的部件称为液力端。液 力端是介质流过的部分，通常由液缸体、柱塞及其密封( 填料箱) 或活塞和缸套、缸盖 和阀箱、吸入阀和排出阀组件、阀箱盖以及吸入和排出集液器( 或集合管) 等所组成。 选择液力端的结构型式应与选择泵型及总体结构型式同时进行。选择液力端结构型式应 遵循下述几个基本原则【1 】： ( 1 ) 要求过流性能好，水力阻力损失小，因此，液流通道最好短且直，还要尽量避免 拐弯和急剧变化。 ( 2 ) 液流通道要求有利于气体排出，不允许有死区，还要造成其他气体滞留。一般， 吸入阀应该设置在液缸体下部，排出阀应该设置在液缸体顶部。 ( 3 ) 吸入阀和排出阀一般应垂直布置，以使阀启闭和密封板正常，有时也可以倾斜或 水平布置。 ( 4 ) 要求余隙容积应尽可能的小，特别是对高压短行程泵或输送含气量大、易挥发性 介质的泵，应尽量求减小余隙容积。 ( 5 ) 要求易损件使用寿命长，还要更换方便。 ( 6 ) 要求制造工艺性好。 不同泵型的液力端也不同，有的甚至相同的泵型的液力端也不同。所以，很难统一 划分液力端结构型式。下面按不同缸数、作用数的柱塞泵和活塞泵液力端，并考虑它们 第二章3 5 0 0 型压裂泵液力端的设计计算 的结构特点和液流通道特性来区分。 最普遍的柱塞泵液力端为卧式三联( 缸) 单作用泵液力端，单联( 缸) 单作用泵也 只在计量泵类中采用较多，而双作用泵几乎没有。 ( 1 ) 卧式三联( 缸) 泵单作用泵液力端 按泵的吸、排出阀的布置形式、液流通道特性和结构特征可分为：直角式、直通式、 阶梯式等。 如果液力端的每一个缸里的吸、排阀中心轴线在同一轴线上，这样的液力端称为直 通式液力端；如果吸、排阀轴线互相垂直时，这样的液力端称为直角式液力端；如果吸、 排阀轴线互相平行但不在同一轴线时，这样的液力端称为阶梯式液力端。 直通式液力端 这种液力端的特点是：余隙容积较小、过流性能好、结构紧凑而且尺寸小。但吸入 阀一般拆装困难。按液缸体结构特点直通式液力端又可以分为四通体和三通体两种。 对于四通体直通式液力端，它的柱塞可以从液缸前盖处拆装，这中拆装方法比较方 便。但液缸体内部有十字交孔，两垂直相交孔处应力集中明显，会导致液缸体疲劳开裂， 尤其是当输送的介质腐蚀性较强时，由于腐蚀、疲劳互相影响而更易引起开裂。 三通体直通式液力端内部结构的孔为t 字形交孔，应力集中情况比四通体有所有所 减小，并且柱塞并不深入到吸、排阀之间，由此可减小液力端径向尺寸和余隙容积。但 它的弊端是不能从液缸前端拆、装柱塞，因此，不便更换或检修。 直角式液力端 对于直角式液力端，可分别拆装和更换吸、排阀，因此，方便使用和维护；在直通 式、直角式和阶梯式三种液力端中它的余隙容积是最小的，这利于提高泵的容积效率； 另外，它的结构紧凑、尺寸小，柱塞可从吸入阀处拆、装；由于必须有一个阀处于水平 布置，因此，阀板运动导向必须良好，否则会阻碍阀板运动或影响关闭。 阶梯式液力端 对于阶梯式液力端，可分别拆、装和更换吸、排阀，不必拆开管路，所以，为方便 经常而迅速更换泵阀，应多采用阶梯式液力端。但它的余隙容积较大，如果排出压力高 或介质含气量大时，会使容积效率较低。 超高压泵液力端 按流道及泵阀布置型式，超高压泵液力端也可分成前述三种类型。但一些特殊情形 出现在超高压下工作的液力端：液力端通常为多块体锻钢件组合体，阀组件和液缸体个 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 位独立件；液缸体可以是组合体也可以经自增强处理的整体锻钢件：阀箱体及管接头( 三 通或四通件) 也应经自增强处理；各承压件尽量避免开侧孔，以减小应力集中，所有相 交孔处必须倒圆；液缸体内尽量减小余隙容积；各块体及管件联接多采用金属弹性或透 镜垫静密封；柱塞密封通常采用金属间隙密封等。 ( 2 ) 立式多联( 缸) 单作用柱塞泵液力端 立式柱塞泵的液力端尺寸大，通常安装在传动端的下方，以此增加整机的稳定性。