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间隙自补偿柱塞泵的研制 摘要 本文通过对抽油泵采油技术的调研。分析了国内外抽油泵的应用现状及发展方向。针对常规抽 油泵应用时存在的不适应性入手，以降低柱塞与泵筒之间的摩阻、减少柱塞与泵筒的间隙漏失量、 降低抽油泵成本和检泵作业费用为目的，研制了一种采用非金属弹性材料作为抽油泵柱塞弹性元件 的间隙自补偿柱塞泵。文中阐述了间隙自补偿柱塞泵的结构及工作原理利用非线性有限元理论建 立了抽油泵柱塞弹性元件的静力学模型，采用a n s y s 有限元分析软件对弹性元件的结构进行了优 化设计。对抽油泵柱塞上的弹性元件材料进行了综合性能测试，并在实验室进行了材料的摩擦磨损 性能研究。分析了间隙自补偿柱塞泵工作特性，并对间隙自补偿柱塞泵柱塞与泵筒之间的摩阻和漏 失量进行了室内测试研究。 模拟试验表明：间隙自补偿柱塞泵作为一种新型的节能抽油泵其原理可行；上冲程，柱塞上 的弹性元件在被提升的液体压力作用下产生径向变形，减小柱塞与泵筒的间隙，最小间隙达到一级 泵或二级泵的间隙。下冲程，弹性元件恢复原尺寸，柱塞与泵筒之间的间隙增大，从而实现上冲程 减小泵漏失量，提高泵效，下冲程降低了柱塞与泵筒之间的摩阻。 本文所研究的间隙自补偿柱塞泵上冲程依靠柱塞内外压力差便柱塞弹性元件膨胀，实现柱塞 与泵筒之间的最小间隙，泵效高。柱塞弹性元件采用先进的高分子合金弹性材料- 不易卡泵，摩擦 系数低，耐磨性好。检泵作业时只需更换新的弹性元件，降低了抽油泵成本，减少了抽油泵检泵作 业费用。这是理论研究和工艺方法的创新，这些创新都是前人所没有研究和尝试的是本文的一大 显著特点。 关键词：间隙自补偿柱骞泵：结构优化设计；摩阻；漏失量 i i d e v e l o p m e n to fs u c k e rp u m pw i t ha u t o m a t i cc o m p e n s a t eg a p a b s t r a e t a p p l i c a t i o ns t a t u sa n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o na b o u t d o m e s t i ca n df o r e i g ns u c k e rp u m pw e r ea n a l y z e d b yi n v e s t i g a t i n go i lp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fs u c k e rp u m pt h i sa r t i c l e s u c k e rp u m pw i t ha u t o m a t i c c o m p e n s a t eg a pi t sp l u n g e ra sn o n m e t a le l a s t i c i t ym a t e r i a lw a sd e v e l o p e di no r d e rt h a tf r i c t i o nb e t w e e n p l u n g e ra n dp u m pb a r r e lw a sr e d u c e d ，g a pl e a k a g eb e t w e e np l u n g e ra n dp u m pb a r r e lw a sd e c r e a s e d ，t h e c o s to fs u c k e rp u m pa n dt h ee x p e n s eo fp u m pi n s p e c t i o na n do p e r a t i o nw e r er e d u c e db ya m i n ga t i n e l a s t i c i t yw a sp r e s e n t e dw h i l er o u t i n es u c k e rp u m pw a sa p p l i e d s t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f s u c k e rp u m pw i t ha u t o m a t i cc o m p e n s a t eg a pw c r ee l a b o r a t e di nt h i sa r t i c l e s t a t i c sm o d e lo fe l a s t i c i t y p l u n g e rw a sb a s e do ft h e o r yo fn o n l i n e a r i t yf i n i t ee l e m e n t ，s t r u c t u r eo fe l a s t i c i t yp l u n g e rw a so p t i m i z e d a n dd e s i g n e db ya d o p t i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e o v e r a l lp e r f o r m a n c eo fe l a s t i c i t y p l u n g e rm a t e r i a lo fs u c k e rp u m pp l u n g e rw a st e s t e da n dr u b b i n gw e a rp e r f o r m a n c eo fe l a s t i c i t ym a t e r i a l w a sr e s e a r c h e di nt h el a b o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fs u c k e rp o m pw i t ha u t o m a t i cc o m p e n s a t eg a pw a s a n a l y z e d a n df r i c t i o n , l e a k a g eb e t w e e np l u n g e ra n dp u m pb a r r e lo fs u c k e r p u m pw i t h a u t o m a t i c c o m p e n s a t eg a pw a st e s t e da n dr e s e a r c h e di nt h el a b s i m u l a t i o ne x a m i n a t i o ni n d i c a t e dt h a tp r i n c i p l eo fs u c k e rp o m pw i t ha u t o m a t i cc o m p e n s a t eg a p 越 n e ws a v ee n e r g ys u c k e rp u m pw a sf e a s i b l e e l a s t i c i t yp l u n g e ro fs u c k e rp u m pp l u n g e rp r o d u c e dr a d i a l d i s t o r t i o nb ya c t i n gl i f t e dl i q u i dp r e s s u r eu p s t r o k ea n dt h eg a pb e t w e e np l u n g e ra n dp u m pb a r r e lw a s r e d u c e d , t h el e a s tg a pi se q u a lt oo n e - s t a g eo rt h r e e - s t a g eg a pp u m p e l a s t i c i t yp l u n g e rr e s u m eo n 。g i n a l d i m e n s i o n ，t h eg a pb e t w e e np l u n g e ra n dp u m pb a r r e lw a si n c r e a s e dd o w n s t r o k e l e a k a g eo f s u c k e rp u m p 、v i t i la u t o m a t i cc o m p e n s a t eg a pw a sd e c r e a s e da n dp u m pe f f i c i e n c yw a si n c r e a s e du p s t r o k e f r i c t i o n b e t w np l u n g e ra n dp u m pb a r r e lw a sr e d u c e dd o w n s t r o k e e l a s t i c i t yp l u n g e ro fs u c k e rp u m pw i t ha u t o m a t i cc o m p e n s a t eg a pw a sd e v e l o p e dt h i sa r t i c l ew a s s w e l l e db yp r e s s u r ed i f f e r e n c ei n s i d ea n do u t s i d ep l u n g e ru p s 仃o k e ，t h el e a s tg a pb e t w e e np l u n g e ra n d p u m pb a r r e lw a sa c h i e v e da n dp u m pe f f i c i e n c yw a sv e r yh i g h e l a s t i c i t yp l u n g e rw a sm a d eo fa d v a n c e d e l a s t i c i t ym a t e r i a lo fm a c r o m o l e c u l ea l l o y , p l u n g e rw a sn o te a s yt ob l o c k , f r i c t i o nc o e f f i c i e n tw a sv e r y s m a l l ，w e a rr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ew a sv e r yn i c e n e we l a s t i c i t yp l u n g e rw a sr e p l a c e dw h i l ep u m p i n s p e c t i o nw a sd o n e ，t h ec o s to fs u c k e rp u m pw a sd e c r e a s e da n dt h ee x p e n s eo fp u m pi n s p e c t i o na n d o p e r a t i o nw e r er e d u c e d i ti si n n o v a t i v e f o rt h e o r yr e s e a r c ha n dt e c h n o l o g y t h e s ei n n o v a t i o nw a sn o t r e s e a r c h e da n da r e m 【p t e df o rp r e d e c e s s o r , t h i si sn o t a b l ec h a r a c t e r i s t i co f t h i sa r t i c l e k e y w o r d ：s u c k e rp u m nw i t ha u t o m a t i cc o m p e n s a t eg a p ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dd e s i g n ；f r i c t i o n r e s i s t a n c e ；l e a k a g e i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意 作者签名：翌。廛豳日期：纽2 犟目矽 9 学位论文使用授权声明 编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 揣骺翟嘲勃撇名絮列i 学位论文作者签名：嘭f 匆导师签名：啄瓢，、， 日期：缈7 屏朗知嘎 i 期：抄、j 一 创新点摘要 1 利用泵筒内外液柱压差使柱塞上的弹性元件膨胀，使柱塞与泵筒之间 形成较好的密封，满足水驱、聚驱和三元复合驱油井采油的需要； 利用弹性力学理论建立了抽油泵弹性元件的力学模型，并且通过a n s y s 有限元分析软件对弹性元件的结构进行了优化设计。 i v 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 引言 有杆泵抽油是国内外石油工业传统的机械采油方式之一，当今机械采油方式占绝对 主导地位。目前，我国的有杆泵抽油井数己达8 0 0 0 0 口左右，占机械采油井总数的9 0 以上【l j 。因此，优化设计出泵效高、故障率低、成本低、寿命长的抽油设备是国内外工 程技术人员一直追求的目标。在此方面，技术人员进行了艰苦不懈的努力，从不同角度 做了大量的工作，取得了一个又一个丰硕韵成果，为油田开采做出了应有的贡献。 随着全国各大油田相继进入中高含水期，以及部分油田开展三次采油驱油技术以 来，常规有杆抽油泵已经暴露出一些不适应性，如水驱、聚驱抽油机井杆管偏磨【2 】【3 】， 抽油杆柱下行阻力大，抽油泵泵效低，三元复合驱油井结垢严重1 4 1 ，抽油泵频繁卡泵， 抽油泵磨损严重，寿命短，抽油机井检泵周期明显缩短。 常规有杆抽油泵由于其金属柱塞与泵筒间的间隙固定，抽油泵的柱塞与泵筒问的摩 擦阻力是一定值，柱塞的下行阻力较大，抽油泵的能耗较高，同时也是造成抽油机井杆 管偏磨的原因之一；三级泵以上泵间隙的抽油泵，泵漏失也较大，抽油泵排量系数 5 1 低。 另外，抽油泵检泵作业时需要起出抽油杆和油管，作业费用高，常规抽油泵修复利用率 低，造成大量抽油泵不能重复利用，抽油泵成本较高。科技人员在研究常规抽油泵工作 原理和工作特性的基础上，创新了许多新型抽油泵原理，设计出一系列新型专用抽油泵。 目前国内新型有杆抽油泵主要有以下型式：大流道抽油泵【6 】、聚合物驱低磨阻抽油泵【”、 弹性密封短活塞抽油泵嘲、组合柱塞防卡抽油泵1 9 l ，机械自封式柱塞泵【1 0 】等。国外新型 抽油泵有：空心杆抽油泵【i i 】、软密封柱塞抽油泵1 1 2 1 等等。可以看出，科技人员在此方面 做出很大的成就。 研究各种新型有杆抽油泵工作原理，从根本上克服常规抽油泵的不足，在结构上、 维护上都有较大的突破与改进，但是还不能完全适应高含水后期水驱和三元复合驱采油 的需要。因而本课题的开展，从提高泵效、减少泵漏失、降低抽油杆柱下行阻力、减少 抽油机井杆管偏磨，延长抽油机井检泵周期等角度来说，将给采油系统带来一个新的思 路，从而达到一项新的突破。 本课题研究主要采用先进的弹性密封材料作为抽油泵柱塞弹性元件，这样弹性元件 由于其固有的弹性可以实现上冲程密封可靠，下冲程泵间隙变大，不易卡泵，下行阻力 减少，减缓了抽油机井杆管偏磨，能够满足特高含水期水驱、聚驱和三元复合驱抽油机 井的需要。 第1 章概述 1 1 抽油泵简介 第1 章概述 抽油机系统已有1 0 0 多年的历史，随着石油工业的迅速发展，抽油泵已经由古老的 衬套泵发展成高泵效、节能以及适应不同抽油需要的多功能抽油泵。 图1 1 是抽油泵的结构和工作原理图。抽油泵属于一 种特殊形式的往复泵，动力从地面经抽油杆传递到井下， 使抽油泵的柱塞作上下往复运动，将油井中石油沿油管举 升到地面上，完成人工举升采油。 抽油泵主要是由泵筒、柱塞、进油阀( 吸入阀或固定 阀) 、出油阀( 排出阀或游动阀) 组成。上冲程时，柱塞 下面的下泵腔，容积增大，压力减小，进油阀在其上下压 差的作用下打开，原油进入下腔，与此同时，出油阀在其 上下压差作用下关闭，柱塞上面的上泵腔内的原油沿油管 排到地面。同理，下冲程时，柱塞压缩进油阀和出油阀之图i - ! 抽油泵工作原理图 间的原油，关闭进油阀，打开出油阀，下泵腔原油进入上 卜游动阀：2 - 柱毫：3 - 趸筒：4 一日定一 泵腔。柱塞一上一下，抽油泵完成了一次循环，如此周 而复始，重复进行循环。 抽油泵是抽油的井下设备，它所抽汲的液体中含有 砂、蜡、气、水及腐蚀性物质，又在数百米到上千米的 井下工作，有些油井的泵内压力会高达2 0 m p a 以上。所 以，它的工作环境复杂，条件恶劣，而泵工作的好坏又 直接影响到油井产量。因此，抽油泵具有如下特点：a ) 结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠；b ) 制 造材料耐磨抗腐蚀性好，使用寿命长；c ) 规格类型能满( 。) 管式蒙( b ，抒式泵 足油田排液量的需要，适应性强。 r 。嚣j ：梨焉嚣瑟：期； 按照抽油泵在油管中的固定方式，抽油泵可分为管 5 景筒；“固定一 式泵和杆式泵( 图1 - 2 ) 。 管式泵的结构简单、成本低，在相同的油管直径内允许下入的泵径较杆式泵大，因 而排量较大。但检泵时必须起出油管，修井工作量大，适合深度不是很大、产量较高的 油井。 杆式泵检泵方便，但结构复杂，制造成本高，在相同的油管直径下允许下入的泵径 比管式泵小。管式泵适合于下泵深度大、产量较小的油井 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 2 国内外抽油泵技术发展水平及发展方向 1 2 1 国内外抽油泵技术现状及发展方向 发明深井泵后很长一段时间技术发展不快，到2 0 世纪中叶开始研究整筒深井泵， 与衬套式深井泵同时生产。关于深井泵在技术上有争论的两大问题：一是整筒式深井泵 好，还是衬套式深井泵好；二是柱塞上是有防砂稽好，还是无防砂槽好。直到2 0 世纪 8 0 年代，由于整筒深井泵显著提高了泵效，一般比衬套式深井泵约提高1 0 ，延长了 柱塞泵简副的使用寿命，并可节约4 0 左右优质钢材，逐步取代了衬套式抽油泵，美国 a p i 有关深井泵的规模已淘汰了衬套式深井泵，这是近年来深井泵主要技术进步之一。 为了适应采油工艺的需要，多年来除了标准深并泵( 管式泵和杆式泵) 外，开发出 各种特殊类型的深井泵，如适用于大排液量的双作用泵【1 6 l ；使用于高汽油比的两级压缩 抽油泵17 】和机械启闭阀深井泵等防气泵【1 8 】；适用于抽稠油的流线型深井泵【1 明和液压反 馈泵；适用于出砂并的自润滑式防砂泵【2 n 、伸缩式三管防砂泵i 捌和防砂卡泵j 等防 砂泵；适用于深井抽油的过桥泵【冽；适用于斜井抽油的斜井深井裂2 5 1 ；适用于过泵测试 或加热的空心泵嘲：为减小沉没度的有杆射流增压泵等【2 7 j 。 为了延长深井泵使用寿命，在改进深井泵零部件方面，主要采取提高泵筒柱塞副的 耐久性和阀组的可靠性。泵筒采用了多种原材料和热处理工艺，除渗氮外，发展了碳氦 共渗以及镀硬铬工艺。柱塞除采用镀硬铬工艺【2 8 】外，还发展了喷焊镍基合金【2 9 】和喷涂陶 瓷3 0 】等工艺。值得注意的是，为了提高泵筒一柱塞副的耐久性，要根据油井的特点合理 匹配泵筒和柱塞的材料，如在高矿化度介质中泵筒采用镀硬铬工艺较好，而柱塞也采用 镀硬铬效果并不理想。为了提高阀组可靠性和抗防腐性，常用高碳铬不锈钢和铸钴等材 料替代一般的不锈钢。 i 2 2 常规金属柱塞抽油泵存在的问题 随着抽油泵研究和制造水平的不断提高，常规金属柱塞抽油泵及配套技术和标准比 较成熟，但是常规柱塞泵的柱塞与泵筒间的摩擦阻力较大，柱塞下行阻力较大，抽油泵 的能耗较高，同时也是造成抽油机井杆管偏磨的原因之一。对于大闯隙抽油泵，能够降 低柱塞与泵筒间的摩擦阻力，但是柱塞与泵筒间的间隙漏失量变大，降低了抽油泵的泵 效，因此不适合高含水期水驱、聚驱和三元复合驱采油的需要。另外，由于柱塞的材料 是金属材料，抽油泵在井下运行到一定时间时，金属柱塞会出现磨损，造成柱塞与泵筒 间隙过大，泵效太低时，将会起出柱塞和泵筒，多数柱塞不能修复只能换新泵完井。这 样，势必会造成抽油泵的成本增加。由于检泵作业时需要起出抽油杆和油管，也增加了 检泵作业费用。 第1 章概透 1 3 新型抽油泵及应用情况 1 3 1 大流道抽油泵 大流道抽油泵是应用于聚合物驱抽油机井的一种 抽油泵( 图卜3 ) 。该泵的工作原理与是常规管式抽油 泵相同，只是对常规管式抽油泵结构尺寸进行了改进。 ( 1 ) 游动阀罩、固定阀罩的改进设计：把原三孔结 构改成三个圆弧槽，最大限度地增大出油口面积；增 大阀球腔的内径，增加阀球与空腔间的环空面积。由 于阀罩球腔加大，使阀罩壁变薄，为增加其强度，阀 罩材质由原来的4 5 钢改为4 0 c r 钢。 ( 2 ) 上出油接头的改进设计：取消上游动阀组，改 成单游动阀；缩小上出油接头内孔的尺寸，保持与下 罩过流面积匹配；同时缩小出油接头外径，增加与泵 筒内壁的环空面积，上出油接头出油孔过流面积不变。 ( 3 ) 缩短柱塞长度：泵拄塞长度由原来的1 2 0 0 衄 缩短至9 0 0 m m 。 ( 4 ) 放大泵间隙：柱塞与衬套副之间的间隙由一 级泵改为三级泵。 1 3 2 低磨阻抽油泵 低磨阻抽油泵是依据环型槽降压密封的原理而 设计的( 图1 4 ) ：环型槽低磨阻抽油泵主要适用于聚 合物驱抽油机井。 该泵主要由柱塞1 、泵筒2 以及游动凡尔组成， 图卜3 大流道抽油泵 卜油管接箍；2 一加长短节；3 一柱塞上韶出油 闱罩 4 1 3 _ 泵筒接箍； 上出油闽球6 1 i 一目座；7 一柱毫：8 - 泵筒 9 一柱塞下部出 油阀罩ii o 下出油田璋i1 2 一目座接头l 低磨阻泵的泵筒2 与油管6 相连，柱塞1 与抽油杆3 。檀晨= 墨篇黎誓：琶曼间的阃瞳； 相连，抽油杆3 带动柱塞1 及游动凡尔运动，下冲程 卜带有环形槽的柱塞：2 - 泵筒 时，游动凡尔打开，油进入油管6 内，上冲程时，游动凡尔关闭， 油被举升到地面。 低磨阻泵由于在柱塞l 上加工了大量的槽，改变了柱塞1 与泵筒2 间隙漏失液体的流道， 漏失液体按箭头所指的方向流动，这样就增加了流动的时间，降低了泵的漏失量，提高 了泵的容积效率。槽宽为b 、槽问隔为a 、槽深为c 及柱塞与泵筒间的间隙为d 根据所 抽液体的含聚浓度确定。这种泵与常规泵相比具有如下特点： ( 1 ) 与同样间隙大小的泵相比减小了漏失量，提高了泵效。 ( 2 ) 与同样漏失量的泵相比减小了柱塞与泵筒间摩擦力。 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ( 3 ) 利用聚合物流体的粘弹性特征减少了漏失量。 1 3 3 弹性密封短活塞抽油泵 该泵的特点是活塞长度短，只有o 3 m ，在活塞上下两端， 各装有若干个活塞环，用以保持泵筒与活塞的密合性。该泵的 工作原理与常规抽油泵相同，只是检泵作业时与常规泵不同。 弹性密封短活塞抽油泵( 图1 5 ) 主要由游动阀体、活塞环、 活塞体、泵筒、固定阀体等零件组成。该泵的活塞环，是汽 车引擎上的活塞环，即对开式弹簧密封环。由于这种活塞环具 有o 3 3 m m 的压缩余量，故该活塞环可依据磨损程度，进行径 向补偿，保持最有效的密封性。在每个活塞环槽内放置两个薄 的活塞环，因为薄的活塞环比厚的活塞环密封性好、而且 摩擦力小。为防止卡泵，提高泵的润滑性和可靠性，采用 在活塞的上端安装活塞环，在下端安装1 个刮油环，以便在 活塞上下运动时，擦刮泵筒的内表面。这种刮油环可采用 耐油橡胶或四氟材料制造。 1 3 4 组合柱塞防卡抽油泵 组合柱塞防卡抽油泵主要由泵简总成、固定阀总成和 新型组合柱塞组成，泵筒总成和固定阀总成与常规抽油泵 大致相同( 图1 6 ) 。柱塞的密封段由2 种密封环组合而成， 柱塞上行程时，游动阆关闭，固定阀开启，柱塞上端为液柱 压力，下端为沉没度压力，软密封环在液柱压力作用下， 自动张开，紧贴泵筒内壁形成密封，使泵筒与柱塞的间隙 漏失为零。金属密封环为开口弹性金属环，在液柱压力的 作用下，也紧贴泵筒内壁，下端面压紧在支承面上，形成 支撑和密封，金属密封环耐磨性好，而且具有弹性，能自 动补偿磨损量。因此，该泵在工作过程中，不会因磨损而 增大间隙漏失量，从而能始终维持较高的泵效。柱塞下行 程时，固定阀关闭，游动阀开启，柱塞下端的压力高于上 端的压力，金属密封环和软密封环在上下压差的作用下同 时收缩，下行摩擦阻力减小。 该泵存在的问题是： ( 1 ) 该泵的柱塞结构是密封环组合结构，由于受直径限 制，泵径小于中4 4 m m 的抽油泵难以设计成组合式柱塞。 这种局限性是由其结构决定的。 。l 蠢 b 图卜6 新型组合柱塞 卜一上出油接头：2 一浮动刮垢环： - 上游 动阁罩；4 一游动期珲；卜游动阀座：6 一 接头：卜柱塞体：8 - - 支承环：9 一浮动金 属密封环；i o 一软密封环：i 卜一下游动阀罩； 1 2 一下出油接头 图卜7 机械自封式柱塞泵 卜变径接头2 - 磨损环3 一密封环4 一隔膏环 5 一度碗，6 一藏形环：7 轴：8 一镇鼙螺母 第l 章概述 ( 2 ) 组合式柱塞上行程时，软密封环紧贴泵筒内壁，没有间隙，摩擦阻力略有增大， 因此抽油机的最大悬点载荷会有所增加。 1 3 5 机械自封式柱塞泵 该抽油泵柱塞( 图卜7 ) 由皮碗( 高强度耐油橡胶或尼龙等制成) 、精密加工的碗形 环和端环( 不锈钢或黄铜制成) 、两端的青铜磨损环、优质中碳钢制造的心轴和锁紧螺 帽及两个变径接头组成，上冲程时靠压差使皮碗胀大而形成有效密封。该泵的缺点是皮 碗紧贴在泵筒内壁，由于皮碗和泵筒内壁长时间接触，皮碗会出现磨损，柱塞的寿命缩 短。 1 4 本课题研究的意义及研究内容 1 4 1 本课题研究的意义 间隙自补偿柱塞泵是将柱塞的结构与材质进行改性后的一种新型高效节能抽油泵。 上冲程时，该泵的柱塞弹性元件在被提升的液体压力作用下产生径向变形，减小柱塞与 泵筒的间隙。下冲程时，柱塞弹性元件恢复原尺寸，柱塞与泵筒之间的间隙增大，从而 实现上冲程时减小柱塞与泵筒的间隙，减少漏失量，下冲程时柱塞与泵筒的间隙增大， 降低了柱塞与泵筒间的摩阻，实现抽油机井节能降耗、延长抽油机井检泵周期，提高油 田开发效益。 1 4 2 本课题研究的对象及内容 1 目前开发应用的节能抽油泵已经有很多种，适合聚合物驱采油的抽油泵现场应用 效果较好。而既适用于水驱又能满足三元复合驱的新型抽油泵现场应用效果差，使用寿 命短。本文研究的对象是既适用于水驱又能适合三元复合驱采油的间隙自补偿柱塞泵。 2 对抽油泵柱塞上的弹性元件的材料进行了研究，室内进行了材料的摩擦磨损性能 试验。 3 利用非线性有限元理论建立了弹性元件的静力学模型，采用a n s y s 有限元分析 软件对弹性元件的结构进行了优化设计。 4 分析了间隙自补偿柱塞泵的工作特性，间隙自补偿柱塞泵柱塞与泵筒间磨阻和漏 失量进行了室内试验研究。 1 5 本章小结 况。 6 1 介绍了常规抽油泵工作原理，分析总结了国内外抽油泵技术发展水平及发展方向。 2 提出了常规金属柱塞抽油泵存在的问题，并阐述了目前新型抽油泵现状及应用情 3 提出了本课题研究的意义及研究内容。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第2 章间隙自补偿柱塞泵的研制 2 1 结构和工作原理 2 1 1 间隙自补偿柱塞泵工作原理 上冲程，游动凡尔关闭，固定凡尔打开，柱塞上下 两端承受整个油管内液柱与泵筒外液柱压力差，柱塞弹 性元件在压差作用下，向外膨胀，柱塞与泵筒之间的间 隙达到一级泵或二级泵的间隙。下冲程，游动凡尔打开， 固定凡尔关闭，柱塞上下两端的压力差为零，弹性元件 内外压差为零，弹性元件恢复原形，柱塞与泵筒之间的 间隙变为五级泵间隙( 图2 - 1 ) 。 2 1 2 间隙自补偿柱塞泵特点 1 ) 柱塞长度变为4 2 0 衄，减少了柱塞与泵筒间的摩 擦阻力： 2 ) 上冲程为一级泵或二级泵间隙，下冲程为五级泵 间隙，提高了抽油泵的泵效，降低了柱塞与泵筒间的摩 擦阻力。 图2 l 间隙自补偿柱塞泵工作原理 l 抽油杆；2 柱塞中心管，金属护套；4 弹性元件：王金属护套 $ 游动凡尔i 二 固定凡尔；8 泵筒：9 套臂 3 ) 抽油泵固定凡尔设计成可捞式固定凡尔，检泵时不用起油管，只需起出抽油杆 和柱塞，更换新的柱塞弹性元件，降低了抽油泵成本，减少了抽油泵检泵作业费用。 2 2 间隙自补偿柱塞泵主要部件设计 设计了m 4 4 瑚间隙自补偿柱塞泵，除柱塞中心管、弹性元件( 弹性元件设计见第三 章) 和可捞式固定凡尔需要重新设计，其余零件采用常规抽油泵的零件。 2 2 1 间隙自补偿柱塞泵中心管设计 柱塞中心管在实际工作中承受和常规柱塞一样的交变载荷。它与常规柱塞的区别是 空心管管壁上铣了三个如图2 - 2 所示的细长孔。 二e 向 、 j 一 一 堡旦， 目 第2 章间隙自补偿柱塞泵的研钼 1 ) 古德曼图 石油机械疲劳寿命计算时，经常利用古德曼图口”，它是一张极限应力图。抽油泵是 一种往复泵，各种零件所受应力为交变应力，可借用古德曼图进行寿命计算。 ( 1 ) 古德曼图 金属材料用古德曼图如图2 3 所 示。横座标是交变应力的平均应力 ，纵座标是最大应力盯。和最小应 力仃。一张完整的古德曼图是凸八 边形a 、b 、c h 构成的封闭图形。 工作在封闭图形范围内的零件其寿命 可达到1 0 7 次循环以上，是安全的。 从图3 3 可知：只要有关材料性质的 三个数据抗拉强度极限、屈服极限 q j 和实陋耐久极限盯。确定后便可以7 作出古德曼图。 ( 2 ) 实际耐久极限 u lu m m p ，乞： o 名函影 d纱 i 一钞 ”_ 。 一吒 g 图2 3 古德曼图 耐久极限吒与材料抗拉强度c r 6 存在一定关系，并与加载方式有关，即 t l r = c p ( 2 - 1 ) 式中仃耐久极限，m p a ； 巩材料强度极限，m p a ； c 。加载方式系数，弯曲：c p = 0 7 ，轴向拉压：c p = o 5 ，扭转：c p = 0 4 。 影响实际耐久极限的因素主要有偏载情况、直径大小、工件表面质量和介质性质等 偏载系数 轴向拉压，因偏心而产生不确定的弯曲，将影响实际耐久极限。对于抽油泵零件而 言可取偏载系数c 。= 0 8 。 8 直径系数 试验表明，随着试件直径增加，耐久极限下降对于石油机械推荐 c d = 1 0 3 5 0 0 0 4 4 d + 0 0 0 0 0 1 d 2 ( 2 2 ) 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 式中c 。直径系数； 矗工件计算直径, r a m 。 工件表面系数 工件表面粗糙度对耐久极限有较大的影响，而且材料强度极限越大，影响越明显。 抽油泵零件表面大部分经过机械加工，故推荐表面系数c 为 e = o 8 9 2 1 8 1 0 。o b( 2 二- 3 ) 腐蚀情况系数 有腐蚀介质存在，将使实际耐久极限下降，一般取腐蚀情况系数g = 0 5 l ，腐蚀 情况越严重，系数g 越小，无腐蚀g = l 。 实际耐久极限 综合上述，实际耐久极限吒为 o ，= c l n c i ch 盯 = c l c d g q c p o ba 一4 ) ( 3 ) 交变应力 最小应力o m ，最大应力盯。，平均应力仃，应力振幅吒，应力振程c r r ，它们之 间的关系如下： ( 2 5 ) ( 4 ) 应力集中系数 应力集中对耐久极限有很大的影响，应力集中系数的大小可以参考有关书籍取用。 柱塞中心管的危险断面有两处，一是螺纹退刀槽，二是三个细长孔。根据机械设计手册 d 2 i 可以查到螺纹退刀槽处应力集中系数为3 8 ，细长孔处应力集中系数为3 9 5 。 ( 5 ) 古德曼图解析法 古德曼图图解法的目的是判定零件实际使用时其寿命是否能达到1 07 次循环以上， 疲劳安全系数有多大。在图3 3 中，过横坐标d - 上任意点l 的垂直线交古德曼图于两 点j 、k ，它们代表的应力乃是该下允许最大应力，吼为允许最小应力，而 仃= 口f 一口x ( 2 - 6 ) 为允许最大应力振程。如果实际应力振程盯， o k ，此零件疲劳强度足够，其安全系数 9 抛肛呵 乏乐 = = = “，以 ! 兰婴堕! ! ! 竺壁查茎塑堡塑 为 行= o 3 k ( 7 r( 2 7 ) 2 ) 柱塞中心管强度计算 ( 1 ) 危险断面 柱塞中心管的危险断面有两处：一是柱塞中心管公螺纹退刀槽处；二是柱塞中心管 管壁上的细长孔处。己知条件：退刀槽直径退刀槽处或细长孔处截面承载面积f 为 f = 三b 2 一d 0 2 ) ( 2 一s ) 式中，承载面积，m m 2 。 仍退刀槽直径( 柱塞中心管外径) ，唧： 岛柱塞中心管内孔直径，姗； ( 2 ) 交变载荷及应力 柱塞最大载荷发生在柱塞上行程时，推荐用下式估算最大、最小载荷和最大、最小 应力。 q 眦= 4 6 x 1 0 3 d 2 h 纰= 0 o 。= q 。徊 盯曲= f( 2 9 ) 式中d 泵简内径，m i l l ； 日动液面深度，m 。 根据古德曼图解析法计算出：公螺纹退刀槽 钧 处，t = 2 0 5 m p a ，口k = 4 7 5 m p a ，其安全系数 为n = 2 3 ；细长孔处，仃，：2 3 5 m p a ， o j k = 4 7 8 m p a ，可以看出应力振程盯， o j k ，其 安全系数为n - - - 2 ，此零件疲劳强度足够。 2 2 2 可捞式固定凡尔和固定阀打捞器设计 1 ) 结构 可捞式固定阀和打捞器从上至下依次为打捞 爪、活塞连接、打捞头、卡簧、转换接头、二级 密封圈、可捞式固定阀阀罩、阀球、球座和压帽。 圆柱形的打捞爪上开有2 个方向相反的钩形槽， 1 0 图2 4 可捞式固定阀和固定棚打捞器结构图 i ，阀罩：五l i - 阍球；3 ，1 2 阀座：4 打捞爪：5 - 打捞头 6 _ 卡簧；7 钢圈：s - 密封圈：9 - 转换接头：io - 可精式 固定砑田罩；1 3 - 压梧；1 4 支棒短节 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 打捞头上焊有一个圆柱形横杆，钩形槽的槽宽略大于横杆的直径，横杆进入或脱开钩形 槽可实现打捞爪与打捞头的连接或分离。 2 ) t 作原理 可捞式固定阀( 图2 - 4 ) f l j 人工挂在打捞爪上，由泵的活塞输送到支撑短节的上部位 置，然后加载4 9 9 8 k n ，2 个二级密封胶圈由于压缩的作用轻轻地通过钢圈( 带6 0 0 上倒 角，3 0 0 下倒角) ，密封胶圈和支撑短节密封在一起，这时阀体上端的卡簧同时进入支撑 短节内，卡簧收缩并紧紧地坐在支撑短节内，在工作时阀体不能上行，同时泵体钢圈支 撑住阀体上的卡簧，使阀体不能下行，从而两者实现了一级密封。当固定阀坐封后，上 提杆柱到原悬重，正旋转1 2 圈，使打捞头从打捞爪的悬挂位置转到槽的垂直位置， 上提打捞头使打捞爪从打捞头脱开后，对好防冲距，启动抽油机，可捞式固定阀开始工 作。 检泵前，应根据油井示功图判断出抽油泵失灵的部位，如果固定阀失灵，应加深杆 柱后，反转杆柱1 2 圈，这时打捞器的打捞爪捞住打捞头，打捞出固定阀( 在反转打捞 的过程中，操作人员应仔细观察杆柱位移的变化情况，若在旋转过程中，杆柱向下移动， 应立即停止转动，证明打捞成功。通过仔细的观察，既保证打捞的成功，又防止造成反 扭矩作用) ，维修或更换新的阀重新下入井内。如果固定阀以上的零件失灵，则只需起 出活塞更换失灵的附件但是如果油井的工作己到检泵周期则必须全部起出后进行检 泵。 2 3 本章小结 1 间隙自补偿柱塞泵工作原理可行，该泵柱塞长度缩短，降低了柱塞与泵筒之间 的摩擦阻力；该泵由于采用了弹性元件，防止柱塞卡泵现象的发生，另外抽油泵检泵换 泵时只需更换新的弹性元件，降低了抽油泵开发成本。 2 设计了0 4 4 m m 间隙自补偿柱塞泵柱塞中心管，利用古德曼图对柱塞中心管进 行强度校核，设计的柱塞中心管安全系数大于2 ，疲劳强度足够。 3 可捞式固定凡尔和固定阀打捞器工作原理可行，结构简单，操作方便。 第3 章抽油泵弹性元件有限元分析及结构优化设计 第3 章抽油泵弹性元件有限元分析及结构优化设计 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有 限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。随着计算机技术的飞速发展，使得 利用有限元软件对所研究的对象进行数值分析得到了广泛的应用。a n s y s 有限元软件 就是其中的一种。a n s y s 软件是a n s y s 公司推出的产品，从7 0 年代诞生至今，经过 3 0 多年的发展，已经成为功能丰富、用户界面友好、前后处理和图形功能完备、使用高 效的有限元软件系统。a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类 软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) ，美国核安全局( n q a ) 及近2 0 种专业技术协会认 证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证，并在国 务院1 7 个部委推广使用。它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，能够高 效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题；稳态和瞬态热分析及热一 一结构耦合问题；静态和时变电磁场问题；可压缩和不可压缩的流体力学问题，以及多 场耦合问题【”j 。 3 1 有限单元法简介 有限单元法是近三四十年来随着计算机的发展而发展起来的用于各种结构分析的 数值计算方法。它利用离散概念，把弹性连续体划分为一个有若干有限单元组成的集合 体，通过单元分析和组合，得到一组联立代数方程组，最后求得数值解 3 4 】。 有限单元法的一个独特优点是可以求解任意结构形状和边界条件的力学问题。有限 元离散化是假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，即在计算机的图形上划分网格， 根据物体的几何形状、载荷特征、边界约束特征等，单元有各种类型，这些单元仅在其 顶角处相互联接，这些联接点称为节点，单元之间通过节点传递内力，通过节点传递的 内力称为节点力，作用在节点上的载荷称为节点载荷，当弹性体受到外力作用发生形变 时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个节点将产生不同程度的位移，这种位移 称为节点位移。在有限元法中以节点位移分量作为结构的基本未知量求解的方法称为位 移法，其它还有力法和混合法。由于位移法有广泛的通用性，目前用的较多。这样组成 的有限单元集合体，并引进等效节点力及节点约束条件，由于节点数目有限，就成为具 有有限自由度的有限元计算模型，它替代了原来具有无限多自由度的连续体。在此基础 上，对每一个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来近似模拟其位移分量的 分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理，或变分原理或其它方法，求得每个单元 的平衡方程，就是建立单元节点力与节点位移之间的关系，最后，把所有单元的这种特 性关系，按照保持节点位移连续和节点力平衡的方式集合起来，就可以得到整个物体的 平衡方程组。引入边界约束条件解此方程就求得节点位移，并计算出个单元应力应变值， 有限单元法的应用范围极为广泛，有非常强的实用性，而且概念浅显，易于掌握 1 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 由此可见，有限元法的实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体力理想化为有限 个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题，其计算步骤概括 起来可分为以下七步： 1 ) 弹性连续体的离散化 这是有限单元法的基础，所谓离散化就是将弹性体的区域分割成有限个单元，离散 丽成的有限单元集合体将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个计算模型 上进行。因此，网格划分将关系到有限元分析的速度和精度，以至计算的成败。有限元 离散化过程中的一个重要环节是单元类型的选择，这应根据被分析结构的几何形状特 点，结合载荷，约束，计算精度的要求以及描述该问题所必需的独立空间坐标的数目等 全面考虑，除了杆单元外，平面问题常用的单元有简单三角形单元，轴对称三角形环单 元，矩形单元，八节点任意四边形单元以及曲边形单元，空间问题常用的单元有四面体 单元，长方体单元，任意六面体单元以及曲面六面体单元等。选择确定单元类型后，接 着要考虑单元的大小，即网格的疏密着重要根据精度的要求和计算机的速度和容量来决 定，通常在应力集中的部位以及应力变化比较剧烈处增加单元的密度，同时还要注意同 一结构上的网格疏密，单元大小要有过渡，避免大小悬殊的单元相邻。 2 ) 选择单元位移模式 这是单元特性分析的第一步。在结构的离散化完成以后，为了能用节点位移表示单 元的位移、应力和应变，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布作出一定的假 设，也就是假设位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或位移函数。在 有限元法中，普遍地选择多项式作为位移模式，至于多项式的项数和阶次则要考虑到单 元的自由度数和有关解的收敛性的要求一般多项式的项数应等于单元的自由度数。它的 阶次应包括常数项和线性项，根据所选定的单元位移模式就可以导出用节点位移表示单 元内任一点位移的关系式，因此它也决定了相应的位移插值函数，其矩阵形式为 扩r = 【弦) 8 ( 3 - 1 ) 式中扩r 为单元内任意一点的位移列阵；p r 为单元的节点位移列阵，【】称为形 函数矩阵，它的元素是位移的函数。 从这里可以看出，选择合适的位移函数是有限元分析的关键，它将决定有限元解答 的性质与近似程度，所以它的选择应遵循一定的准则。 3 ) 单元力学特性分析 在选择了单元类型和相应的位移模式后，就可以进行单元特性的分析，