气液混抽泵设计毕业论文.doc

西安石油大学论文气液混抽泵设计毕业论文目 录1 绪 论 11.1 课题背景及目的 11.2 抽油泵的发展概况 11.3 论文的研究内容 31.4 创新点 32 气液混抽泵的结构及工作原理 42.1 气液混抽泵的基本结构 42.2 气液混抽泵的工作原理 43 气液混抽泵的设计 53.1 抽油泵总体尺寸计算 53.1.1 油管直径与泵径的匹配 53.1.2 抽油泵长度 53.2 抽油泵的主要零件的设计与计算 53.2.1 古德曼图 53.2.2 泵筒的设计与计算 83.2.3 柱塞的设计与计算 183.2.4 泵阀的设计与计算 213.2.5 阀罩的设计与计算 243.2.6 中空管的设计与计算 283.3 泵的排量计算 294 结 论 31参考文献 32致 谢 331 绪 论1.1课题背景及目的在石油开发过程中，油田多居于极复杂的环境，具有断层多，油、 气、 水分布复杂，油藏埋藏深、 井况差、 原始油气比高等特点，由于这些特点,使得油田在开发过程中地层压力、 液面下降快，产量递减快。随着油田的深入开发,气体对油井影响日益明显, 泵效较低，甚至发生气锁等现象；较低的泵效严重影响着原油生产任务的顺利完成,气体影响是抽油机井泵效低的主要原因。 对于含气油井,消除或减少气体的影响是采油工程的主要任务之一。然而在任意一个抽油泵中，固定阀与游动阀之间必定存在一段距离，称“防冲距”，其空间称“余隙容积”，充满油气混合物。当柱塞下行时，泵筒内压力升高，余隙容积内气体受压缩，并溶解于油液中，而柱塞上行时，泵筒内压力迅速减低，溶解的气体自油液中分离、膨胀，占据一定的空间。含气量较少时，气体膨胀后所占空间不大，对泵效影响不大，但当含气量较大时，膨胀气体可能占据柱塞在泵筒内移动的空间，且压力仍然不低于套管中的沉没压力，使固定阀打不开，抽油泵无法吸入。这时柱塞只是使气体处于交替的压缩和膨胀状态，抽油泵不工作，产生所谓“气锁”。 发生气锁时，没有油液排出，抽油机和泵将做无用功。更为有害的是，在这种含气井中工作，抽油泵还会发生液击现象，加速了抽油杆柱、游动阀罩、固定阀罩油管等井下设备的损坏。因此，必须设计一种新型抽油泵，来较好的解决这一情况，提高石油产量。这时，能够在高油气达到同样效果的抽油泵-气液抽油泵就是很好的研究方向。通过设计这种气液混合抽油泵，可以达到排气抽油或油气混抽的正常采油目的，避免了低效率、耗时耗力的工作。尤其在这种油井里发生气锁时，免除了抽油机做无用功，对抽油杆等井下设备的损害，较好的解决油田中高油气比的油井的开采工作，相信这种抽油泵一定会在我国的石油行业，尤其各个油田得到广泛应用！1.2抽油泵的发展概况回顾我国的抽油泵发展史，在50 年代，我国开始仿制东欧、苏联、罗马尼亚等等国的衬套抽油泵。60年代，我国科技人员开始设计制造一些特殊泵，如防砂泵、防腐泵等等，但对预防井底严重的气体影响还没有真正解决。70年代开始制造长冲程泵、稠油泵以及其他新型的泵。然而设计水平和制造工艺的落后，再加上原材料的品种较少，远远不能满足油田井下各种复杂情况的需要。80年代末期，抽油泵制造水平逐步由衬套泵发展到批量生产整筒泵，制造工艺、热处理工艺有较大的提高，新型泵的品种也不断增加。但与国外相比，抽油泵的结构设计改进较少，新品种欠缺。目前我国使用的抽油泵，有两种结构型式的杆式泵和四种结构型式的管式泵，杆式泵的使用数量仅占管式泵的1%，且杆式泵只有顶部固定型式，适应能力较差. 我国抽油井基本上采用标准型泵，不能适应稠油、含砂、含水量大、含硫化氢等腐蚀性较强、结蜡严重等油井的生产。近几年为研制异型泵做了大量工作,如江汉油田研制了长冲程泵，泵总长8.5m，内径70mm，外径90mm，采用软活塞配整体泵筒结构.与华北油田Bn型增距式抽油机配套使用，平均泵效达91%.目前我国抽油泵泵筒仍由多节短衬套组合而成。过去每节衬套只有150mm长，现已大批生产每节300mm长的衬套。近两年玉门石油机械厂已小批量生产CYB70/1.8SGZY长筒泵。还给辽河油田生产了CYB57/6GZY长筒稠油泵。胜利油田也已小批量生产CYB70/燕GLY和cyB83/3.3GY型长泵筒无衬套金属柱塞抽油泵。在长泵筒制造工艺方面，玉门石油机械厂近几年搞出了两种整体泵筒制造工艺，即大泵筒内壁镀铬和中型泵筒内壁辉光离子氮化。泵筒材料大多用20CrM。，经热处理后硬度为HRC6062，此硬度低于井内工作介质中所含石英砂的硬度，故泵筒内表面往往被拉伤，严重影响抽油泵的使用寿命.然而国内对于在高油气比的油井开采，为使高油气比油井生产正常 ，各油田作了大量工作 ，采取的技术主要从减少进泵液体中的含气比和降低进泵游离气对泵阀开启的影响 2 个方面进行。前者主要由增大沉没度，降低冲次和采用各种气锚和适时放掉套管气来实现；后者则靠加大冲程长度，减少余隙容积及采用特殊结构的防气抽油泵来达到 。其中的主要差别在于防气抽油泵的防气原理不同，例如采用机械强制开启的游动阀以减小游离气对游动阀开启的影响；采用气液置换的防气泵或采用两级压缩抽油泵则是降低压缩腔内的油气比来提高泵效。所以，上述防气泵皆是在普通抽油泵基础上对阀体或腔体进行了一些改进 ，或增添特种结构而成的新型防气泵。上述改进能较好地防止气锁 ，提高泵效 ，但加工难度大，寿命不容易提高，且增加了操作难度。以往，解决抽油泵气锁问题采取如下措施：在泵的结构上，减小柱塞在下死点处和固定阀间的余隙容积,使用双游动阀和两级压缩抽油泵，使用标枪阀做游动阀下行程强制打开。但此方法泵安全强度差 ，结构复杂 ，成本高；利用气锚将原油中的游离气体在没有进人泵筒之前分离出来,进人套管,定期放气。这种方法对减少气体对泵工作的影响有一定效果 。但事实上所有气锚都不可能将游离气体全部分离出去，不能彻底解决气锁问题,而且定期排放套管气,对天然气资源也造成了浪费。美国Harbison Fischer公司研制了一种可在气锁情况下使用的新型有杆泵,其泵筒上部为逐渐增大的锥形。当柱塞上行接近上死点进入该锥形区后,泵的漏失量增加。其结果可均衡柱塞和游动阀上下的压力,在柱塞下行时泵筒内可立即达到高压,使游动阀强制打开,这就可从根本上消除泵气锁,使其在产气量大的油井上正常使用。矿场示功图测试表明,采用该种新型防气泵抽油,光杆的最小载荷增大,抽油杆柱的谐振减小,泵上杆柱承受的压缩载荷降低。由此可见,采用它可从根本上消除泵气锁,缩小杆柱的应力范围。还可消除泵的气、液击,减轻泵的杆管磨损,保证气量大井正常生产另外，美国Oil Well公司研发的一种防气抽油泵，具有气液混抽的作用，可以用于开采含有大量气体的原油。其泵筒有上、下泵筒组成，两种之间用加长短节连接，泵的柱塞很长，可搭接在上、下泵筒之间，在泵筒内形成上部、中部和下部三个油室，工作过程中柱塞起封隔上、下泵筒的作用。但是，这种泵在结构上比较复杂，加工难度大，不容易生产使用，需要改进。1.3论文研究内容我设计的气液混合抽油泵是基于根据生产需要以功能设计为原则 ， 在原抽油泵结构基础上进行技术改造而进行的，其中的主要内容如下：（1） 气液抽油泵的工作原理及防止气锁的方法说明：首先查找有关气液抽油泵的资料，然后结合我国油田的实际情况对普通抽油泵的优缺点进行分析，最后提出自己的气液抽油泵，并分析它的防止气锁的方法，以及工作原理。（2） 气液抽油泵的结构设计：通过对普通抽油泵的结构分析，再结合设计的任务要求和自己的防气锁方法、工作原理，设计气液抽油泵的结构。（3） 气液抽油泵的装配图、零件图的绘制：运用自己的CAD绘图知识，绘制设计的气液抽油泵的结构图，包括装配图、零件图等。1.4创新点（1） 在泵筒外添加了中空管组件，由柱塞的移动可以在泵筒内形成上部、中部和下部三个油室，为泵内的气体开辟了通道，排除了气体的干扰，提高了泵效，避免了气锁和液击的发生。（2） 在普通管式组合泵的基础上，结合了它的优点，去掉了衬套，也减轻了泵的自身重量；（3） 均采用了管螺纹连接，保证整个抽油泵的密封性。2 气液混抽泵的结构及工作原理2.1气液混抽泵的基本结构气液抽油泵的结构主要由上阀罩组成、泵筒、柱塞、下游动阀罩总成、中空管组件固定阀总成等组成。具体结构见下图：1接箍; 2上阀罩总成; 3泵筒; 4柱塞; 5下游动阀罩总成; 6中空管组件; 7固定阀总成图2-1气液混抽泵结构2.2气液混抽泵的工作原理柱塞上行时，井底原油经固定阀进入下部油室，由于低压和紊流，原油中气体膨胀，分离气泡上升至下部油室的顶部；而上一工作过程中存留于中间油室内的原油所含的气体处于受压缩状态，其气-液比低于下部油室；当柱塞脱离泵筒到达上止点时，中、下油室连通，两室混合液的气-液比介于连通前两室气-液比之间，低于井底原油的气-液比，因而使抽入的液体量增加。柱塞下行时，固定阀关闭，上部油室中的气体向上运动，柱塞继续下行到一定位置，就有一部分液、气体被封闭在中间油室内；当下部油室内的液体压力等于或略大于柱塞腔内液体压力时，游动阀开启，下部油室中的液体通过柱塞流向上部油室；柱塞接近下止点时，上部油室与中部油室连通，中部油室液体中被压缩的气体逸出。直至下冲程结束，这样便完成了一个抽汲过程。当柱塞又开始上行，上部油室与中部油室再次隔绝开时，中部油室中的液、气体处于被压缩状态，且其内气体已有一部分逸出，中间油室内的气-液比较低。因此，当柱塞继续上行时，又可以使抽液量增加，从而保证将含气原油正常地开采出来。中空腔室的设置给泵内气体开辟了通道，而中空腔内液体与下腔室气体的交换，又增加了泵筒内液体的充满系数，降低了泵内的气-液比，排除了气体的干扰，提高了泵效，避免了气锁和液击的发生。3 气液混抽泵的设计3.1抽油泵总体尺寸计算3.1.1油管直径与泵径的匹配管式抽油泵要与油管连接，故油管直径必须与抽油泵的泵型相匹配。(1) 同一种泵型同一种规格的抽油泵可以与一种规格或者两种规格的油管相匹配，其目的是在空间允许的范围下提供较大的选择余地。(2) 因为管式泵是插入式管，油管内径必须大于杆式泵最大外径，反映为油管尺寸代号比泵径尺寸代号前两位数值要大。管式泵大部分也符合此规律，但有一部分（30-325TH等）油管尺寸代号反而小于泵径尺寸代号的前两位数值，说明此时柱塞直径大于油管内径，柱塞必须事先放在泵筒内，用脱接器与抽油杆连接。管式泵最大外径受到套管内径的限制，我国常用的是套管，壁厚最厚的一种内径为，与它配的抽油泵最大外径应控制在，有时因作业需要应留出更大的空隙。3.1.2 抽油泵长度抽油泵长度主要取决于泵筒长度，它与冲程长度有关，具体的说是柱塞长度、冲程长度、防冲距和加长短节长度等决定。推荐柱塞长度和防冲距按表3-1选择。表3-1 推荐柱塞长度和防冲距下泵深度90012001500180021002400270030003300柱塞长度0.60.91.21.21.21.21.51.51.8防冲距0.60.60.60.60.60.60.90.90.9此次设计柱塞长度为1.2m，冲程长度为4.0m，防冲距为0.6m，下泵深度为1500m，泵筒的总长度为4.9m，抽油泵总长为6.4m。3.2 抽油泵的主要零件的设计与计算因各种零件的结构、作用和工况不同，设计计算的内容也有区别。泵筒、柱塞等零件侧重于强度、刚度的计算，而泵阀计算则侧重与结构设计计算。3.2.1 古德曼图石油机械疲劳强度计算时，经常利用古德曼图（图3-1），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计算。3.2.1.1 古德曼图金属材料用古德曼图 ，其横坐标是交变应力的平均应力，纵坐标是最大应力和最小应力。一张完整的古德曼图是凸八边形构成的封闭图形。工作在封闭图形范围内的零件其寿命可达到次循环以上，是安全的。图3-1 古德曼图3.2.1.2 实际耐久极限试件在周期应力作用下，不发生循环破坏（循环破坏次数达到次）的最大应力称为耐久极限。耐久极限是通过表面光滑、直径5 - 7mm圆柱形试件，在转杆寿命试验机上试验获得的。大量试验证明：对于黑色金属和和部分有色金属，耐久极限 与材料抗力强度存在一定关系，并于加载方式有关，即： （3-1）式中 ：耐久极限，M Pa；材料强度极限，M Pa；加载方式系数，弯曲:, 轴向拉压:，扭转： 。实际使用的零件与试样有差异，工况与试验条件也不尽相同，应将耐久极限根据实际情况进行调整，使之能适应实际情况，调整后的数据称为实际耐久极限。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。（1） 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。（2） 直径系数（）抽油泵泵筒可取：。 （3） 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，故推荐表面系数为： （3-2）（4） 腐蚀情况系数（）一般取，腐蚀情况越严重，系数越小，无腐蚀。（5） 实际耐久极限综合比较，实际耐久极限为: （3-3）3.2.1.3 交变应力最小应力min，最大应力max，平均应力m，应力振幅a，应力振程r ，它们之间的关系如下： （3-4） （3-5） （3-6）3.2.1.4 应力集中系数对于抽油泵而言，大部分零件的危险断面在螺纹上，推荐按表3-2确定应力集中系数。表3-2 螺纹应力集中系数材料滚制螺纹切制螺纹退火钢（HB200）2.22.8淬火冷拔钢（HB200）3.03.83.2.2 泵筒的设计与计算泵筒是抽油泵的主要零件，柱塞在其内做往复运动，抽汲油液，它又是固定阀、泵筒接箍的支持件，因此加工难度较大。3.2.2.1 对泵筒的性能要求（1） 泵筒与柱塞形成一运动副，要保证柱塞运转和往复运动灵活无阻卡，且磨损均匀；（2） 保证泵筒与柱塞之间有足够的密封能力；（3） 要有足够的强度、刚度和疲劳强度，能适应深抽需要；（4） 要有较好的耐磨性；（5） 要有较好的抗腐蚀能力。3.2.2.2 泵筒的材料选择从井下介质情况来看，主要存在的的固体颗粒和腐蚀性物质，不同井中固体颗粒大小、含量和腐蚀性物质的化学成分、浓度都有变化，应该根据不同介质选择相应的泵筒材料。为了更好的发挥材料的使用性能，还应该与采用的工艺结合起来，以达到较好的经济效益。制造泵筒的毛坯是精密钢管（冷拔、冷轧无缝管）。这种毛坯尺寸精度高，表面质量好，可以有效的控制加工余量。泵筒摩擦表面强化工艺主要有碳氮共渗（或渗碳），氮化和镀铬等。各种泵筒材料与工艺对井下介质的适应能力，对于常用几种工艺渗（镀）层厚度及硬度推荐数值见下表3-3: 表3-3 泵筒渗（镀）层厚度及硬度表面处理方法渗（镀）层厚度（mm）表面硬度（HRC）心部硬度（HB）镀铬6672207240渗碳或者渗氮共渗5866氮化HV85613073.2.2.3 泵筒的技术要求（1） 内径制造偏差为mm。（2） 形位偏差泵筒全长内内径变动量要求控制在制造公差内，即最大为0.05mm。内孔圆柱度用综合测量，基本尺寸为D的泵筒，用的综合量规检查时应能通过。（3） 内孔表面粗糙度不大于Ra0.4。（4） 渗（镀）层厚度与硬度对于常用几种工艺渗层厚度即硬度推荐数值见表3-3。3.2.2.4 泵筒强度计算 按泵筒壁厚可以分为薄壁筒、中厚壁筒、厚壁筒和超厚壁筒。API规范中，薄壁筒=3.175mm，厚壁筒=6.35mm，超厚壁筒=812mm，而中厚壁筒的壁厚尺寸可有生产厂家自定，一般去=4.763mm。我们选择厚壁筒的管式泵=6.35mm，由文献1可知，泵筒的基本尺寸初定如图3-2：图3-2 泵筒的基本尺寸（1） 材料选择由文献3，表4-6，结合气液抽油泵的工况，泵处于高硫化氢、二氧化碳和磨损的情况下，综合考虑选择镀镍的45# 碳素钢泵筒（硬度为68HRC）。（2） 危险工况、危险部位和危险断面抽油泵在工作过程中，上下行程受力情况和危险部位如图3-3：上行程 下行程图3-3 抽油泵受力分析无论在上行程或下行程均为危险工况，上行程时泵筒危险部位在柱塞上方，而下行程时泵筒在全长内均为危险部位。泵筒危险断面是两端螺纹处，推荐螺纹处计算直径为： （3-7）式中 螺纹处计算直径，mm; 螺纹螺纹大径，mm； 螺距，mm。计算内径 螺纹危险断面处，承载面积的计算如下：由于是厚壁筒，选择外螺纹泵筒，; （3-8）式中 危险断面承载面积，mm2； 计算内经，mm； 计算外径，mm。（3） 载荷分析1) 筒内、外压力：泵筒内、外压力是由井液造成的，其计算式为： （3-9）式中 筒内、外压力，MPa； 井液密度，kgm3，设计计算时可取=103 kgm3； 下泵深度，m，要求1500 m； 井口回压，MPa，依实际情况确定，一般取 = 1.55 MPa，计算时可取 = 2 MPa，故有= 16.7 MPa2) 附加轴向载荷 附加轴向载荷包括泵筒组自重、尾管重量、井液浮力及柱塞和泵筒之间的摩擦力等。因泵筒组自重占轴向载荷的比例不大，可忽略不计；为安全起见，井液浮力不予考虑。故附加轴向载荷及应力为 （3-10） （3-11）式中 附加轴向载荷，N； 附加轴向载荷应力，MPa； W 尾管重量，kg，查文献3，表4-9，在下泵1500m时，允许挂尾管重量4223 kg； 柱塞与泵筒之间的摩擦力，N，井液粘度不大，摩擦力可以忽略不计，故设计时按 = 0考虑。= 41385.4 N = = 53.44 MPa （4） 应力分析对于泵筒上任一应力元，它均受到三向应力，轴向应力切向应力径向应力，则危险点在泵筒内径处。 图3-4 泵筒应力分析图 （3-12） = 4454= 0.81（5） 许用应力泵筒一般用塑性材料制造，推荐许用应力为： （3-13）式中 许用应力，MPa； 材料屈服极限，MPa，45# 碳素结构钢为353MPa； n 安全系数，n = 1.2 1.6，一般管式泵可取n = 1.4 。 = 353 / 1.4 = 252.14 MPa（6） 强度条件采用第四强度理论可较好的解决塑性材料三向应力强度问题，根据第四强度理论其当量应力为 = （3-14）管式泵的三向应力大小见下表：表3-4 抽油泵的应力分析泵 型管 式 泵上冲程柱 塞 上 部内胀、拉柱 塞 下 部拉下冲程柱 塞 上 部内胀、拉柱 塞 下 部内胀、拉受 力 形 式闭口内压 = 111.39 MPa = 100.69 MPa = 16.7 MPa强 度 核 算疲 劳因此， = = 123.09 MPa , 满足强度条件 （3-15）令 （3-16） = 5.04有 （3-17）= （3-18） = = 48.89 MPa （7） 最大下泵深度当附加轴向载荷Qc = 0 时，求得从强度出发的最大下泵深度， = （3-19）= （48.89 2 ）/ 9.810-3= 4784 m 1500 m，满足条件（8） 允许挂尾管重量我们可以得出从强度出发某下泵深度H时允许加尾管重量W，W1 =F = （3-20） = = 18781.09 kg满足假设条件。3.2.2.5 泵筒疲劳强度计算（1） 交变应力泵筒轴向载荷为（应力为），最大轴向应力是筒内压力形成的轴向应力与最小轴向应力之和，考虑应力集中系数，故交变应力为 （3-21） = =1.91 （3-22） =3.0 =160.32 （3-23） = =440.46 （3-24） =0.5 =140.07 = （3-25） =1.91 =280.14 =0.5 （3-26） =0.5 =300.39（2） 古罗曼图的应用1) 泵筒用45号钢，计算时所取数据为： ，可取加载方式系数，偏载系数，直径系数，表面系数腐蚀情况系数，应力集中系数2) 泵筒在井下时一般受拉，即，故它工作在古德曼图的区或区，其分界处的平均应力为为 （3-27） =272.96 MPa 其中 （3-28）3) 泵筒的疲劳强度极限为 （3-29） 允许最大应力振程 实际应力振程4) 最大下泵深度 最大下泵深度时，故有 ，并有。先假设工作在区，由3，表4-5得 2（）=2，有 （3-30）=176.5显然 ，所以工作在区。由于，所以= （3-31）=4056 m最大下泵深度应是从强度出发所得和从疲劳出发所得之中的小者，所以最大下泵深度=4056 m5) 允许加尾管重量计算与下泵深度H相应的尾管重量W时，有=，。先假设工作在区则 =3530.51.91316.7=305.15 MPa= 1.91 3 16.7 = 95.69MPa显然，故工作在区。此时有=，故 ， （3-32）= = 6777kg允许加尾管重量应是从强度出发所得与从疲劳出发所得中的小者，所以取=6777kg（3） 泵筒寿命计算根据抽油泵标准和推荐做法来选择抽油泵，在一般情况下，泵筒具有足够的强度、刚度和疲劳强度，通常泵筒的主要破坏形式是磨损和腐蚀。所以常用磨蚀的情况来估算泵筒寿命。1) 磨蚀速度 把单位时间内磨蚀量的总和称为磨蚀速度，它与泵筒柱塞材料、表面强化工艺和井况有关，可以测定或凭经验确定，一般情况下平均磨损速度小于0.01mm1000h。2) 检泵周期与寿命 抽油泵使用寿命主要取决与泵筒，抽油泵经过一段时间的使用后，间隙漏失量大增，达不到经济使用的程度就需要检泵。检泵时有两种情况，一是泵筒未达到磨蚀极限，仍可继续使用或经珩磨圆整修复后继续使用，即做一次检泵工作，从下井到检泵所经历的时间称为检泵周期。二是泵筒已达磨损极限，需要报废，有条件时可重镀修复，从该泵开始使用到报废所应力的时间称为寿命。设抽油泵经过一个检泵周期的使用，其磨蚀量为，则允许检泵次数为 （3-33）式中 泵筒磨蚀极限，mm； 每一检泵周期泵筒磨蚀量，mm； 每次修珩泵筒的珩量，mm；n 允许检泵次数，应取比计算结果略小的整数对于小泵而言，一般n1，即可以使一个或多个检泵周期；对于大泵而言，可能n1，即使用一个检泵周期后泵筒将报废。所以检泵周期和寿命计算为 3.2.3 柱塞的设计与计算柱塞是抽油泵重要零件，它与泵筒组成一个运动副，同时它又是游动阀、柱塞上部阀罩等零部件的支持件。3.2.3.1 对柱塞的性能要求（1）柱塞的材料、强化工艺应与泵筒构成理想的匹配；1) 避免因电化学作用而加快腐蚀、磨损和粘住，像镀镍泵筒不可配用镀镍柱塞等。2) 柱塞与泵筒的磨损速度相仿或柱塞略快些。3) 柱塞与泵筒表面摩擦系数以小些为佳。（2）要有足够的强度、刚度；（3）要有较好的耐磨、抗腐蚀能力；（4） 尽量减少液力损失。3.2.3.2 柱塞的材料选择柱塞的材料主要有碳素钢、合金钢、不锈钢和有色金属等，常用的是碳素钢。柱塞表面强化工艺主要是金属喷焊和镀铬，由于喷焊层在厚度，结合强度、耐磨、抗腐蚀和易形成油膜等方面都优于镀铬，且与共渗泵筒，镀铬、镀镍泵筒都能构成良好的匹配，使用较广。依据文献 3，表4-11 柱塞材料的选择，结合泵的工作条件为含气量较高的油井，初选含有高硫化氢、二氧化碳和磨损工况下作金属喷焊处理的45 #碳素钢材料。由于泵筒的内径为44 mm，根据文献 1，柱塞的基本尺寸初步设计为图3-5 柱塞的基本尺寸3.2.3.3 柱塞强度计算查文献 3，表4-3，推荐的柱塞长度和防冲距下泵深度1500 m柱塞长度1.2 m防冲距0.6 m（1） 危险断面推荐的内螺纹计算直径： （3-34） = 38 mm （3-35） = 36 mm内螺纹柱塞的危险断面在螺纹处，危险断面面积F为： （3-36）= 640 mm2推荐柱塞内孔直径： （3-37） = 26 mm（2） 交变载荷及应力柱塞最大载荷发生在柱塞上行程，可以用下式估算： （3-38） N （3-39） （3-40） = 20.9 MPa许用应力： （3-40）式中 许用应力，MPa； 材料屈服极限，MPa；n 安全系数，n=1.2 1.6，取1.4 。 = 353 / 1.4 = 252.14 ，安全。3.2.4 泵阀的设计与计算泵阀由阀球与阀座组成，是抽油泵重要组件和易损件。它对抽油泵的泵效与工作可靠性有很大的影响。3.2.4.1 对泵阀的性能要求（1） 有良好的密封性能，以保证抽油泵在各种工况下正常工作；（2） 有良好的密封稳定性，使球阀及时在异常力作用下仍能工作；（3） 阀球启闭灵活、迅速，不得有阻滞现象，更不允许卡死；（4） 阀座孔面积较大，入口处阻力较小；（5） 阀球开启瞬间的过流面积较大，提高进油效能；（6） 对阀座口上沉积物有较强的冲刷能力，保证工作可靠；（7） 有较好的耐磨性能，较强的抗腐蚀能力和较大的密度。上述性能要求与泵阀材料、结构有关，所以泵阀设计主要是结构设计计算、选材和表面硬化工艺设计。3.2.4.2 泵阀的材料选择根据工况，查文献3，表4-13，选择钨钴铬合金材料的阀球和阀座，它有较好的耐磨性和抗腐蚀性，工艺性较好，成本低廉，是国内较受欢迎的材料。3.2.4.3 泵阀的技术要求（1） 阀球直径制造偏差为。（2） 圆度偏差 50 圆度偏差 50 圆度偏差2（3） 表面粗糙度Ra0.4。（4） 阀表面两端面平行度0.025mm，表面粗糙度Ra0.8；密封面研前粗糙度Ra0.4。（5） 阀球应与座进行真空度实验，有两种试验方法。l）常规实验真空度高于0.085Mpa，5秒钟内真空度不下降。2）判别实验真空度高于0.085Mpa，观察真空度下降速度，小于5kPa/min为合格品，小于3kPa/min为优质品，真空度下降速度越小越好。（6） 球与座应达到互换要求。3.2.4.4 泵阀的计算（1） 阀球1) 游动阀球直径的选择： （3-42）= 27.2 mm查文献3，表4-15 阀球直径规格，取= 28.575 mm。2) 固定阀球直径选择： 固定阀球直径应该根据结构空间选择，一般比游动阀球大0 2档，参照文献1中固定阀球的设计尺寸要求，我们选择 38.1 mm。（2） 阀座1) 阀座口结构阀座的材料为钨钴铬合金，则选择带维护式的比较好。图3-6 带护锥式阀口简图2) 阀座锥角的选择常用阀座锥角取值范围为。从阀座口过流面积的大小、密封性能的优劣、泵阀启闭的灵活程度、密封稳定性的好坏和始启瞬间过流面积的大小等角度综合考虑，的理想取值范围为。取推荐值= 。3) 阀座外形结构由于扁平型是最常用的一种，已经标准化了。它结构简单，制造方便。如果适当减少它与阀罩的接触面积，可以较强的密封能力。故选择扁平型。图3-7 阀座基本结构（3） 泵阀的结构设计计算如下表：表3-5 泵阀的设计计算序号项 目上游动阀（mm）下游动阀（mm）固定阀（mm）1阀球直径28.57528.57538.1002密封锥半锥角3研合宽度222.54研合深度0.040.040.045节径cos2424326阀座孔径2222247阀口大径2424328阀座厚度H1212203.2.5 阀罩的设计与计算阀座是对抽油泵泵效有明显影响的零件。由于阀罩所处的空间较小，要求结构紧凑，这给设计带来一定困难，所以阀罩设计着重于结构设计计算。3.2.5.1 对阀罩的性能要求（1）有良好的导向性能，减少球在球室内飘忽，提高抽油泵充满系数；（2）有适度的流道面积，减少液力损失；（3）合理的阀球回跳高度；（4）有足够的强度、适当的硬度与耐磨性，良好的抗腐蚀能力。3.2.5.2 阀罩的材料阀罩一般用碳钢、合金结构钢、不锈钢等材料制造，组合型阀罩的芯子也有用耐磨合金制造。热处理用调质工艺，硬度HB229269。槽型球室型闭式阀罩，它是一种整体结构的闭式阀罩。选用球室内有四条圆弧状凹直槽，形成主要的液体流道。并选用钻与直槽相应的直孔出油孔。这种槽型球室型闭式阀罩的特点是：（1）有良好的导向性能，阀球的飘忽量很小，相对飘忽量四槽为0.05。（2）四槽球室型实际流道面积比为0.150.19。（3）井液自下向上流过斜槽时，液体对球阀有一个向下的分力，使阀球不会紧靠在球室顶端，这样不但增加了出油孔面积，而且当柱塞反方向时，此分力促使阀球迅速下落，减少入座泵效损失。 图3-8 槽型球室断面 图3-9 流道面积析综上，上游动阀罩选择开口阀罩，下游动阀罩选择四槽型球室的闭式阀罩，固定阀罩选择倒坛形的闭式阀罩，材料选择45# 镀镍碳素钢，热处理工艺使用调质，硬度为HB229 269。3.2.5.3 阀罩主要结构参数选择（1） 游动阀阀罩主要结构参数选择：图3-10 游动阀阀罩1) 导向直径D1 （3-43） mm2) 阀罩外径D2 （3-44）式中 泵径，mm。 mm3) 沟槽铣刀直径d （3-45） mm4) 导向筋宽度c （3-46） mm （3-47） （3-48） ，可以保证阀罩有较长的使用寿命。（2） 固定阀阀罩主要结构参数选择：图3-11 固定阀阀罩1) 导向直径 （3-49） mm2) 阀罩外径D2 （3-50）式中 泵筒外径，mm。 mm3) 出油孔直径d （3-51） mm4) 出油孔分布直径 （3-52） mm固定阀罩的设计数据均采用行业推荐数值，因此不必核算，可以保证有较长的使用寿命。3.2.6 中空管的设计与计算中空管也是气液抽油泵的主要零件之一，它和泵筒共同组合成中空管组件，为抽油过程中气体的流动开辟了空间，以实现气液混抽的目的。它装配在泵筒外边，相当于外泵筒，因此需要按泵筒的要求进行设计。3.2.6.1 对中空管的性能要求保证与泵筒之间有足够的密封能力；要有足够的强度、刚度和疲劳强度，能适应深抽需要；要有较好的抗腐蚀能力。3.2.6.2 中空管的材料选择从井下介质情况来看，主要存在的的固体颗粒和腐蚀性物质，不同井中固体颗粒大小、含量和腐蚀性物质的化学成分、浓度都有变化，应该根据不同介质选择相应的泵筒材料。为了更好的发挥材料的使用性能，还应该与采用的工艺结合起来，以达到较好的经济效益。制造中空管的毛坯是精密钢管（冷拔、冷轧无缝管）。这种毛坯尺寸精度高，表面质量好，可以有效的控制加工余量。本设计采用镀镍。由已知条件，中空管的基本尺寸初定如图3-2：图3-12 中空管基本尺寸 3.2.6.3 中空管的强度计算由以下公式初步确定中空管壁厚： （3-53）式中 壁厚，mm； 焊接系数，无焊接；管内最大工作压力，MPa；中空管内径，mm；考虑铸造偏心及腐蚀所留的裕量，一般取38mm；材料的许用应力，若按抗拉强度取，安全系数应大于4；按屈服强度取，安全系数取23，即一般碳素钢许用应力为13001500。= 4.25 mm3.2.6.4 中空管的强度校核在整个抽油过程中，它是装配在泵筒上的，是固定的，仅承受内胀和挤压力，因此只需要对它的强度进行校核即可。 （3-54）式中 符号的意义同式3-50。 = 522.7 ，满足设计要求。3.3 泵的排量计算当抽油泵柱塞向上移动一个有效冲程长度时，排出的液体体积为 （3-55）当抽油泵柱塞向下移动同样值时，排出液体体积为 （3-56）所以，在柱塞上下两个冲程中，抽油泵排出的液体体积等于 （3-57）抽油泵的每日排液量为 （3-58）柱塞的冲程是4.00米，按冲次10次/分，充满系数n=1计算， （3-59）4 结 论基于抽油泵原理简单、可靠耐用、使用方便等优点，在石油工业中得到广泛应用。因而抽油泵的设计研究也得到了大家的广泛关注，各种新产品层出不群。本次设计的气液抽油泵主要通过对普通抽油泵的结构进行改造，已达到防气、抽油的目的。首先添加了上、下游动阀，通过和固定阀共同作用，控制泵筒内的油-气比，来实现正常抽油。还在泵筒上开有小孔，为排除气体对抽油的干扰提供了通道；并在泵筒外边添加了中空管，保证了整个泵筒的密封性，也为油和气的分离提供了场所。整个泵的结构也比较简单，方便加工和使用。目前，我国油田的大多数油井都存在着含气量大，气液共存的状况。在使用普通的泵抽油时，容易形成气锁。一旦发生气锁，抽油泵将无法正常工作，甚至发生“液面冲击”现象，加速抽油杆柱、阀罩、泵阀和油管等井下设备的损坏。通过设计这种气液抽油泵来解决油田生产中遇到的实际问题，以满足工业和国民经济对石油的需求，因此，具有良好的经济效益和广阔的推广前景。由于自己所学的