抽油泵设计计算说明书-(修改).doc

西安石油大学本科毕业设计（论文）顶部固定底部密封杆式抽油泵设计摘要：针对常规杆式泵泵体密封欠佳、支撑锁紧装置易失效、检泵周期短且检泵作业量大、适用范围有一定限制等问题, 设计了顶部固定底部密封杆式抽油泵。在检泵过程中不需取出油管，作业成本低。设计中采用将支撑固定与密封分置的结构, 顶部采用密封铜环、密封座、心轴、机械锁爪等构成的机械锁紧机构，弹性机械锁爪锚定在密封座上，并以密封铜环支撑。底部以由皮碗、支承皮碗座圈、支承皮碗压帽、支承皮碗接箍、密封短节等构成密封结构密封。在泵工作时通过变径接头和心轴等部件，使泵筒总成可绕顶部锁紧机构这个支点摆动，而柱塞下部的密封皮碗则对柱塞总成起到扶正、减震作用，从而延长泵使用寿命。适用于含砂井、含气井、深井、长冲程井、低产井和低液井。关键词：顶部固定；底部密封；杆式抽油泵Top fixed bottom sealing rod pump designAbstract: As Conventional rod pump body sealing poor, Support and lock device easy failure, Pump overhaul period is short and large amount of examining the pumps, applicable scope have certain restriction, etc. I design the top fixed bottom sealing pole type pump. In the process of examining the pumps we dont need to take out tubing and the operation cost is low. In the design we use the structure of the separation of fixed and seal. The top use Copper ring seal, sealing socket, heart shaft, and mechanical lock claw, etc to make up a mechanical locking mechanism. Elastic mechanical lock claw anchor in seal seat, and with copper ring seal support. In the bottom use a Sealing structure which consists of Skin bowl, supporting skin bowl circle, supporting skin bowl pressure cap, supporting skin bowl couplings, sealing a short section, etc. In the pump work, through the diameter changes joint and shaft parts, etc. make Pump cylinder assembly can top the locking mechanisms the fulcrum swing, and the bottom of the piston seal skin bowl of piston assembly is a centralizer, shock absorption effect, thereby prolong the service life of the pump. Apply to contain erinaceous well, including gas well, deep well and long stroke well, stripper well and low liquid well. Key words: Top fixed，Bottom sealing，Pole type pump 目 录1 绪 论11.1研究意义11.1.1 国外的发展现状11.1.2 国内的发展现状21.1.3国内外发展水平分析及建议41.2本文研究内容41.3优点52 顶部固定底部密封杆式抽油泵总体方案设计62.1结构设计62.2工作原理63 顶部固定底部密封杆式抽油泵设计83.1抽油泵总体尺寸计算83.1.1油管直径与泵径的匹配83.1.2抽油杆规格与泵径的匹配83.1.3抽油泵最大外径83.1.4抽油泵长度83.2抽油泵主要零件的设计与计算93.2.1、古德曼图93.2.2、泵筒的设计与计算123.2.3、柱塞的设计与计算233.2.4、泵阀的设计与计算263.2.5、阀罩的设计与计算334 泵的排量和泵效计算384.1 泵的排量计算384.2 泵效的计算385 结 论44参考文献45致 谢46471 绪 论1.1研究意义目前国内各油田的有杆采油系统中, 应用管式泵占在用抽油泵总数的90% 以上; 而国外油田使用杆式泵约占抽油泵总数的90%, 且因实现了标准化、系列化和通用化而成为成熟的技术。制约我国杆式泵发展的原因是: 杆式泵结构相对复杂、设计制造相对困难, 对密封及支撑部件的综合要求较高; 对锚定件的结构及机械性能的研究尚未形成成熟技术; 对杆式泵的作业质量要求相对较高; 使用习惯性和认识上的偏差, 推广普及进展较慢。随着国内大部分油田已经进入开发中后期，管式泵的诸多优点逐渐变得不再明显，而杆式泵在检泵作业中不需取出油管、成本低、作业时间短等优越性则日益突出。因此，研制适应油田开发规律，在性能、种类和实用性等方面具有更要求的杆式泵成为迫切需要。分析发现, 常规杆式泵的支撑、锁紧部件在起支撑、锁紧作用的同时, 还承担对泵体的密封作用, 且支撑、锁紧部件与密封部件通常设计在泵体的同一侧。这种设计使常规杆式泵在具备上述优点的同时, 也存在泵体密封欠佳、支撑锁紧装置易失效、检泵周期短且检泵作业量大、适用范围有一定限制等问题。因此设计了把支撑固定与密封分置的顶部固定底部密封杆式泵。全世界约有75%的油井是用有杆泵开采的，有杆泵是有杆排油装置的最关键部分。为了提高抽油泵对复杂开采条件的适应性，国内外采油机械工作者集中大量力量去开发设计专用结构的抽油泵。整筒抽油泵取代衬套式抽油泵是抽油泵方面最主要的技术进步之一，整筒抽油泵显著提高了泵的容积效率（比衬套式抽油泵约提高20%），延长了柱塞泵筒的使用寿命，并可节约40%左右的优质钢材。为适应油井条件的需要，除了标准抽油泵以外，出现了许多特殊类型的抽油泵。例如，用于大排液量的双作用泵和套管泵，使用与高油气比井的防气泵，适用于稠油开采的流线型泵和液压反馈泵，适用于多砂油井的防砂泵，在定向井中用的悬挂泵，可用于深井采油的过桥泵。在抽油泵零部件方面，主要是不断提高泵筒柱塞副的耐久性和阀组件的可靠性。泵筒采用了多种原材料和热处理工艺。在提高柱塞泵筒副的耐久性上，注意了泵筒材料和柱塞材料的合理匹配，以及泵筒柱塞副材料与油井条件相匹配。为了提高阀组件的抗腐蚀性，用高碳铬不锈钢和铸钴等材料代替一般的不锈钢。此外，正在研制不同密度的耐腐蚀、抗冲刷的阀球以满足开采不同密度、不同黏度原油的需要。1.1.1 国外的发展现状国外大量专利和各制造厂家都列出了用于特殊条件的抽油泵。现按稠油、防砂、防气等方面分别介绍两种新结构泵。1）开采稠油的抽油泵, 除了改善流道, 增加球重外, 尚有:（1）具有柱塞下拉装置的泵。其特点是在油管内同时下入连接柱塞的抽油杆和绕过井底滑轮下拉柱塞的绳索, 在上冲程时, 通过抽油杆上提柱塞, 在下冲程时, 柱塞被下拉装置拉着向下运动, 以抽出重油。（2）哈斯推( H U S K Y ) 稠油泵。这种泵将油管当作空心抽油杆, 套管作油管, 在杆、管间充以稀释的原油, 空心杆的往复运动是在粘度小的稀释原油中进行的, 阻力较小,在下冲程时出油。2）防砂抽油泵, 除在油层防砂, 下高效砂锚以外, 从泵结构上看有:（1）带除砂装置的泵。其特点是柱塞内上部有一个喇叭口朝下的锥形腔, 在柱塞和下固定阀之间装一个除砂器。（2）自润滑抽油泵。其特点是采用软密封与刚性密封相结合, 有一个贮润滑液的封闭环腔, 以润滑柱塞与泵筒的接触面, 用以防磨粒和砂卡。3）防气抽油泵, 除采用大沉没度,安装高效气描, 放套管气, 向套管加有泡剂等常规方法外, 尚有以下新结构泵:（1）新型流体泵。此泵底部装有气体过滤器, 以降低进入泵的气量。它还有一个侧孔, 当柱塞接近下冲程底部时, 侧进液孔被打开, 大大提高了泵腔内液体的充满度。（2）带环形阀的抽油泵。环形阀位于柱塞上方, 下冲程时它处于关闭状态, 承受油管液柱压力, 使气体通过游动阀进入柱塞上部, 在上冲程时, 环行阀上行并打开, 气体逸出, 从而避免气锁。此外, 根据井下特点还有具有刚性结构弹性密封件的短柱塞泵和适于柔性抽油杆的深抽泵等。国外各石油生产国对抽油泵研究的投入都很大，俄罗斯在这方面的投入相对更大一些,先后研制成功活塞式有杆泵、“真空”腔式双柱塞抽油泵、液压传动隔膜式抽油泵、机械传动式抽油泵、插入式双作用抽油泵阀副的改进等，并与瑞典合作研制成功了钢带式超长冲程特种抽油泵。美国也先后研制成功了可提高杆式抽油泵运行寿命的新型自动旋转柱塞、双作用泵送系统、油井抽油泵柱塞制造新方法、用于杆式泵的新型陶瓷球等。1.1.2 国内的发展现状1949年解放时, 我国只有少数井抽油,后来从苏联和罗马尼亚进口了一些抽油泵和图样, 用在玉门和乌苏油矿。五十年代末,南京晨光厂、兰通厂和玉门厂生产管式泵和杆式泵。进入六十年代, 新油田大量发现,除玉门油田外, 均处于自喷开采和注水促喷阶段, 抽油泵需求量不大, 加之泵的加工难度大, 废品率高, 利润低, 晨光厂和兰通厂不再造泵, 玉门泵自给有余。七十年代初胜利油田对抽油泵的需求增多, 其总机厂生产自用泵。到八十年代, 为了原油稳产增产,各油田增加机械采油井, 抽油泵的需用量猛增, 因此, 兵器部、机械部、石油部各油田机修厂均争先造泵, 出现了一个新局面, 目前做到供需基本平衡, 供稍大于需。但从我国抽油泵的主要件部分、适应性和服务部分与国外相比, 尚有较大差距, 如不在技术装备上改造, 管理上改革, 是适应不了机械采油发展的。近年来国内各大油田及机械制造厂都对抽油泵进行了必要的研究，并研制了大量的抽油泵产品，如双柱塞反馈抽油泵、增压抽油泵（能量补偿装置）、液压反馈式增压抽油泵、HLB型空心环流抽油泵、浸入式抽稠油泵、防喷式稠油抽油泵等，并研究出了整筒泵稀土氮碳硼共渗、组合抽油泵缸套的激光淬火等技术。目前随着国内油井井况日益恶劣，如含砂量大、高气油比、腐蚀严重、油井供液不足等，国内外石油装备企业不断生产出针对特殊井况要求的各类特种抽油泵。如适用于大排液量的双作用泵，适用于高气油比的防气泵，适用于抽稠油串联泵，适用于出砂井的刮砂泵、防砂抽稠泵和防砂卡泵等防砂泵，适用于深井抽油的过桥泵，适用于斜井抽油的斜井深井泵，适用于过泵测试或加热的空心泵等。（1）.我国油田常用的抽油泵 一下几种泵均为国内自行研制，在我国各大油田使用较多。1） 悬挂式抽油泵悬挂式抽油泵的特点是泵筒悬挂，下端不接尾管，尾管与外管连接，泵筒受力小，不易变形，避免了因泵筒被拉细拉长而造成的卡泵；处于悬垂状态的泵具有自动对正的功能，可以应用于斜井；悬挂式抽油泵与底部固定式泵相比更适合于在稠油井中工作。悬挂式抽油泵比普通整筒泵使用寿命长。2） 机械强制阀式抽油泵机械强制阀式抽油泵依靠机械力的作用，迫使游动阀开启，在抽吸稠油时解决了阀球滞后启闭的问题，以及热采转抽的蒸汽锁和一般气锁问题，提高了抽油泵的容积效率，适用于稠油井。3） 有杆射流增压抽油泵有杆射流增压抽油泵是在常规有杆泵吸入口处安装了一套射流增压装置，利用射流增压原理提高有杆泵的吸入口压力，降低杆柱载荷，提高排液量。有杆射流增压抽油泵能够实现在不加深泵挂深度的情况下，达到加深泵挂的效果，还可以在不改变地面设备的条件下加深泵挂。有杆射流增压抽油泵的泵效比普通泵提高15%左右。4） 动筒式杆式抽油泵动筒式杆式泵的主要特点为泵筒在油管与柱塞之间相对运动，油内含砂不易沉积；油井停抽时，原油被封在泵筒以外，不易造成卡泵和柱塞拉伤。该泵泵筒采用镀铬处理，柱塞采用碰焊工艺，寿命较长，且作业方便；泵筒顶部加装沉砂结构，适用于含砂量较大的油井。5） 配套抽油泵配套抽油泵实现了泄油器、脱接器、抽油泵的三配套。该泵采用撞滑式泄油器，滑套在弹簧作用下没有外力就可复位；采用仿美旋转脱接器，结构简单，使用方便，可靠性高。整泵具有寿命长、工具配套、采液量大、作业方便等优点，使用于产液量大的油井。6） 斜井抽油泵斜井抽油泵的主要特点是：柱塞可以旋转；依靠弹簧力的作用迫使阀球关闭；阀罩与弹簧能够起到扶正作用。该泵解决了斜井中抽油时的柱塞偏磨、阀球关闭滞后和阀球偏落的问题，提高了抽油泵的寿命和容积效率，适于在斜度达的斜井中使用。1.1.3国内外发展水平分析及建议从国内外抽油泵研究方面的情况来看，我国的研究水平与国外基本相当，都研制出了多种适应不同使用场合的抽油泵产品。但从现场调研情况来看，国产抽油泵的使用寿命比进口的抽油泵使用寿命短。主要原因是国外抽油泵的材料和热处理工艺优于国产抽油泵。制约我国杆式泵发展的原因是：1杆式泵结构相对复杂、设计制造相对困难，对密封及支撑件的综合要求较高；2对锚定件的结构及机械性能的研究尚未形成成熟技术；3对杆式泵的作业质量要求相对较高；4使用习惯和认识上的偏差，推广普及进展较慢。对我国抽油泵今后发展的建议：（1）加大对抽油泵材料和热处理工艺的研究力度，努力提高抽油泵的使用寿命。（2）大力发展整筒抽油泵，同时要优化整筒泵的表面处理工艺，在提高泵效的同时，提高抽油泵的寿命。（3）研究长冲程抽油泵，并将其与长冲程抽油机的研究结合起来。长冲程抽油泵是利用油管作为泵筒，因此其关键技术是如何研制特殊结构的柱塞（封隔器）。1.2本文研究内容该顶部固定底部密封杆式抽油泵是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结构改造而进行的，其中的主要内容如下：（1） 杆式抽油泵的工作原理和方法说明：首先查找有关顶部固定和底部密封杆式抽油泵的资料，然后结合我国油田的实际情况对普通杆式抽油泵的优缺点进行分析，最后提出自己的杆式抽油泵，并分析它的固定密封原理。（2） 顶部固定底部密封杆式抽油泵的结构设计：通过对普通杆式抽油泵的结构分析，再结合设计的任务要求和自己的固定密封方法、工作原理，设计顶部固定底部密封杆式抽油泵的结构。（3） 顶部固定底部密封杆式抽油泵的装配图、零件图的绘制：运用自己的CAD绘图知识，绘制设计的顶部固定底部密封抽油泵的装配图、零件图等。1.3优点（1）采用将支撑固定于密封分置的结构，泵筒哎管住中对中性好，使柱塞与泵筒间的偏磨减小。（2）泵筒上下均被固定，对工作筒支撑更加可靠。（3）泵两端均被固定，有效避免了支撑卡爪折断及密封面磨损，使用寿命长，可靠性好。（4）工作过程中，泵筒、外管的上下两端分别被机械锁紧机构和皮碗密封结构密封，所行程的环形油液带具有压力调节器的作用，有效缓解泵筒内油液的交变压力造成的泵筒内径收缩、外帐趋势，并对正泵起到扶正、减振作用。2 顶部固定底部密封杆式抽油泵总体方案设计2.1结构设计本设计采用将支撑固定与密封分置的结构，依照GB/T 186072008抽油泵及其组件规范，实现结构创新和优化设计。该顶部固定底部密封杆式泵由泵筒总成、柱塞总成、固定阀总成、阀杆总成、泵固定装置、泵密封装置和泵支承装置组成。结构设计图如图2-1。泵筒总成包括泵筒20、加长短节12。柱塞总成由柱塞上部出油阀罩13、柱塞14、柱塞下部出油阀罩16、阀球19、阀座20、阀座管塞21组成。固定阀总成由泵筒进油阀罩22、阀球23、阀座24、组成。阀杆总成包括阀杆异径接头1和阀杆2。泵固定装置由导向套4、密封铜环7、心轴6、锁爪9和变径接头11组成。泵密封装置由皮碗心轴27、皮碗座圈27、皮碗压帽28和皮碗接箍29组成。泵支承装置由上接头3、下接头5和密封座8组成。图2-1顶部固定底部密封杆式抽油泵1阀杆异径接头 2阀杆 3上接头 4阀杆导向套 5下接头 6心轴 7密封铜环 8密封座 9机械锁爪 10油管接箍 11变径接头 12加长短节 13上阀罩 14柱塞 15密封圈 16下阀罩 17下游动阀球 18下游动阀座 19阀座管塞 20泵筒 21外工作筒 22固定阀罩 23固定阀球 24固定阀座 25皮碗心轴 26皮碗 27皮碗座圈 28皮碗压帽 29皮碗接箍 30密封短节2.2工作原理该顶部固定底部密封杆式抽油泵顶部采用密封铜环、密封座、心轴、机械锁爪等构成的机械锁紧机构，弹性机械锁爪锚定在密封座上，并以密封铜环支撑，底部以由皮碗、支承皮碗座圈、支承皮碗压帽、支承皮碗接箍、密封短节等构成密封结构密封。在泵工作时通过变径接头和心轴等部件，使泵筒总成可绕顶部锁紧机构这个支点摆动，而柱塞下部的密封皮碗则对柱塞总成起到扶正、减震作用，从而延长泵使用寿命。泵安装时，柱塞总成下行，靠自重下入泵筒，到设计的下死点时，通过阀杆异径接头卡在阀杆导向套内限制其继续下行。泵总成下行，装置与泵筒上端的弹性机械锁爪经过密封座内腔环形凸台时，弹性锁爪部分外径收缩，越过凸台至密封座下端时回弹恢复原来的尺寸，并用其上外圆锥面向上紧靠在密封座的下内圆锥面上，在正常抽油时防止泵被提上去。同时密封铜环恰好落座于密封座的接触锥面上，泵即被锚定，完成坐卡。密封铜环的下锥面支承在泵支承装置的密封座上，起着支承杆式泵防止在正常抽油时泵下行和不让密封环上的原油流回油管的作用。检泵时，阀杆总成与柱塞总成被抽油杆向上提起，带动泵总成上行，当外加载荷克服弹性机械锁爪与密封座之间的弹力及摩擦力时，机械锁爪的弹性锁爪收缩，机械锁紧机构的锚定被解除，实现解卡并可将泵整体起出。下部皮碗密封装置，密封短节设计了一个变径结构，皮碗下放到变径部分，遇到凸台，受摩擦产生挤压变形，实现密封，防止原油在进入泵筒时进入泵筒和外管之间的间隙内。同时也防止泵筒和外管间隙内的油液流回油井。工作过程中，上冲程时，柱塞上行，下游动阀关闭，固定阀打开，原油进入泵筒下腔室，柱塞上部原油被排出地面。下冲程时，固定阀关闭，游动阀打开，下腔室原油通过阀座管塞、阀座、柱塞、阀罩的流道进入油管，排出地面。3 顶部固定底部密封杆式抽油泵设计3.1抽油泵总体尺寸计算3.1.1油管直径与泵径的匹配杆式泵要插入油管中，管式泵要与油管连接，故油管直径必须要与抽油泵的泵型及泵径想匹配。杆式泵是插入式泵，油管内径必须大于杆式泵最大外径，反应为油管尺寸代号比泵径尺寸代号前两位数值要大，如20-125RHA中2012。根据任务书，抽油泵泵径为38，油管外径为73。3.1.2抽油杆规格与泵径的匹配与抽油杆连接的第一根抽油杆规格已经标准化，其推荐的规格见表3-1。表3-1 泵径与抽油杆规格的匹配尺寸符号15-12525-15025-17525-22530-27530-32530-375泵径31.7538.1044.4557.1569.8582.5595.25抽油杆规格CYG 13（1/2）CYG 16(5/8)CYG 19(3/4)CYG 19(3/4)CYG 22(7/8)CYG 22(7/8)CYG 25(1)根据任务书，抽油杆直径为19。3.1.3抽油泵最大外径杆式泵最大外径受到油管内径的限制，它们之间应有必须的间隙以保证杆式泵能顺利的插入。根据任务书，最大外径为54.5。3.1.4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，具体地说是由柱塞长度、冲程长度、防冲距和加长接头长度等确定。推荐柱塞长度和防冲距按表3-2选择。但为减少生产厂制备柱塞的规格，优先采用柱塞密封段长度为1200。表3-2 推荐柱塞长度和防冲距下泵深度900120015001800210024002700300033003600柱塞长度0.60.91.21.21.21.21.51.51.81.8防冲距0.60.60.60.60.60.60.90.90.91.2根据任务书，柱塞长度为1200，冲程长度为4m。由表3-2得防冲距为0.6m。根据，泵筒长度取5.488m，加长短节长度0.3m。最后由实际装配图得抽油泵总长度为6820。由国标抽油泵及其组件规范计算选阀杆长度为4597。3.2抽油泵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、柱塞等零件主要侧重于强度、刚度的计算，而阀球、阀罩、阀座等零件的计算则侧重于结构设计计算。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，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如图3-1所示 ，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A、B、CH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 古德曼图从图3-1可知：只要有关材料性质的三个数据抗拉强度极限、屈服极限和实际耐久极限确定以后，不难做出古德曼图。只要几种零件的、和相同，可以共用一张古德曼图。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57mm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，MPa；材料强度极限，MPa；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。（l） 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（）实验表明，随着试件直径增加，耐久极限下降。对于石油机械推荐 (3-2) 式中：直径系数； 工件计算直径，。对于非圆或者管状零件可折算成同截面积的圆直径。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： （3-3）（4）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，腐蚀情况越严重，系数越小，无腐蚀。（5）实际耐久极限综合上述，实际耐久极限为: （3-4） 3.2.1.3 交变应力最小应力，最大应力，平均应力，应力振幅，应力振程 ，它们之间的关系如下： （3-5） （3-6） （3-7）3.2.1.4 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参考有关书籍取用。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3-3确定应力集中系数。表3-3 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）3.03.8有应力集中存在时，可以看作应力相应增加了倍，仍可应用古德曼图，此时计算应力比实际应力增加倍。3.2.1.5 古德曼图图解法 古德曼图图解法的目的是判断零件实际使用时其寿命是否能达到次循环以上，疲劳安全系数有多大。在图3-1中，过横坐标上任意一点L（）的垂直线交古德曼图与两点J、K，它们代表的应力是该下允许的最大应力，为允许最小应力，而 （3-8）为允许最大应力振程。如果实际应力振程,此零件疲劳强度足够，其安全系数为 （3-9）3.2.1.6古德曼图解析法用图解法求解比较麻烦，也不便微机处理，故推荐使用解析法。解析法关键是如何用计算法求得与相应的允许最大应力振程。为此把古德曼图分为四个区（如上图所示），由于古德曼图已将极限应力曲线简化为折线，故不难求的诸直线方程及交点的坐标。从而求得与相应的。各区对应的平均应力的范围，允许最大、最小应力和最大振程等的计算式列于表3-4.表3-4 古德曼图的应力振程区间平均应力范围极限应力、允许最大应力振程1）应力极限最大应力极限 最小应力极限 2）各区分界处平均应力 （3-10）3）安全系数根据考虑应力集中后的平均应力来确定所用古德曼图的区间，并由相应的计算式求出允许最大应力振程，则安全系数n为 （3-11）3.2.2、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、泵筒接箍等零件的支持件。泵筒是加工难度最大的零件，价值约占整筒泵总价的60%左右。3.2.2.1 .对泵筒的性能要求(1) 泵筒与柱塞形成一运动副，要保证柱塞转动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) 要有较好的腐蚀能力。3.2.2.2. 泵筒的材料 从井下介质情况来看，主要存在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。 制造泵筒的材料主要有碳钢、合金钢、不锈钢和有色金属。往往因受到泵筒毛坯供应情况的限制，最常用的是碳钢和合金钢。 制造泵筒用的毛坯是精密钢管，现在国内已有生产。可以分为两类：一是直缝焊接、芯轴拉拔的精密钢管，这种毛坯壁厚均匀，弯曲较小，残余应力较小，易于加工；二是冷拔、冷轧无缝管，这种毛坯尺寸精度高，表面质量好，可以有效地控制加工余量，但壁厚不太均匀，残余应力相对较大。制造组合缸套一般用普通无缝钢管。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。国内还在进行镀镍、镀碳化钨合金、激光淬火等工艺试验，均有成功的报道。各种泵筒材料与工艺对井下介质的适应能力见表3-5。本设计采用镀铬。表3-5 泵筒材料选用表零部件名称泵筒序号 材料及工艺零件硬度HRC碳素钢合金钢不锈钢有色金属镀铬的镀镍的碳氮共渗的氮化钢氮化4-6铬钢镀铬4-6铬钢碳氮共渗普通镀铬海军黄铜海军黄铜镀铬蒙乃尔合金蒙乃尔合金镀铬介质情况70686070707084B7080B70 7012无无+磨损AAAAAAAAAAAAAXAAAXAAAXAA3456高硫化氢高硫化氢+磨损低硫化氢低硫化氢+磨损XXCXBBBBCCCCCCCCCCCCCCBBBXBXBBBBAXBXAAAAAXAXAAAA78910高二氧化碳高二氧化碳+磨损低二氧化碳低二氧化碳+磨损CCBBBBBBCCCCXXXXBBBBBBBBBXAXBBAABXBXBBBBAXAXAAAA11121314高硫化氢+二氧化碳高硫化氢+二氧化碳+磨损低硫化氢+二氧化碳低硫化氢+二氧化碳+磨损XXXXBBBBCCCCXXXXCCCCCCCCBXBXBBBBBXBXBBBBAXAXAAAA15161718高盐水高盐水+磨损低盐水低盐水+磨损CCBBAAAABBAABBAABBAABBAACXBXCCBXAXAXAAAAAXAXAAAA19氧BACBBBAAAAAA注：A最佳应用；B广泛应用；C可以应用；X不推荐应用。3.2.2.3. 泵筒的技术条件有杆泵已有数十年使用经验比较成熟，故泵筒技术条件已标准化（1） 内径制造偏差为D0+0.05mm。（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，但有的工厂要求控制在0.025mm以内 。 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（通径规）检查时应能通过。（3） 内孔表面粗糙度不大于Ra0.4um。（4） 渗（镀）层厚度与硬度对于常用几种工艺渗（镀）层厚度及硬度推荐数值见下表3-6：表3-6 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HV8561307因此选用泵筒材料为45钢，镀铬。图3-2 泵筒3.2.2.4 泵筒的强度计算（1） 泵筒分类按泵筒壁厚可分为薄壁筒、中厚壁筒、厚壁筒和超厚壁筒。API规范中，薄壁筒壁厚=3.175mm，厚壁筒=6.35mm，中厚壁筒和超厚壁筒的壁厚由生产厂自定，一般中厚壁筒壁厚=4.763，超厚壁筒壁厚=812mm。因此选择壁厚8mm。按泵筒两端螺纹结构可分为外螺纹和内螺纹两种，由于内螺纹强度较好，故薄壁筒常用内螺纹。按受力方式可分为挤扁和复合抗力两种。底部固定的杆式泵（RHB、RWB、RSB）和动筒式杆式泵（RHT、RWT、RST）受挤扁，而管式泵（TH、TP）和顶部固定的杆式泵（RHA、RWA、RSA）受复合抗力。（2） 危险工况、危险部位和危险断面 各种类型抽油泵在上下行程中受力情况和危险部位不同。例如：对于管式泵而言，无论上行程或下行程均为危险工况，上行程时泵筒部位在柱塞上方，而下行程时泵筒在全长内均为危险部位。又如：底部固定的杆式泵上行程才是危险工况，泵筒危险部位在柱塞下方，受挤扁。定不固定的杆式泵受力和管式泵相同。泵筒危险断面是在两端螺纹处。推荐螺纹处计算直径为 （3-12）式中： -螺纹处计算直径,mm; -螺纹大径，mm; -螺距,mm。计算得 d0=48-0.972=46mm；内外螺纹危险断面处，承载面积的计算如下:外螺纹泵筒 D1=D;D2=d0 （3-13）危险断面承载面积为 （3-14）式中： -危险断面承载面积，mm2； -计算内径，mm； -计算外径，mm。计算得=（462-382）/4=527mm2。（3）载荷分析 筒内、外压力 筒内、外压力是由井液造成的，其计算式为 （3-15）式中： -筒内、外压力，Map；- 井液密度，kg/m3，设计计算时可取=103 kg/m3；-下泵深度，m取下泵深度为1500m；-井口回压，Map，依实际情况确定，一般取=1.55 Map，计算时可取 =2 Map，故有 =9.810-3+2 （3-16）计算得 =9.810-31500+2=16.7 Map 附加轴向载荷把由筒内压力造成轴向载荷以外的轴向载荷称为附加轴向载荷，它包括泵筒组自重、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。故附加载荷及应力为 （3-17） 式中： -附加轴向载荷，N；-尾管重量，对于杆式泵而言，不承受尾管重量，=0；-柱塞与泵筒之摩擦力，N，井液粘度不大，摩擦力可忽略不计，故设计时按=0考虑。计算得 =0（4）应力分析从泵筒上取一应力元，它受三向应力，危险点在泵筒内径处。各种泵型三向应力大小见表3-7表3-7 抽油泵各工况应力分析泵型TH、TPRHA、RWA、RSARHB、RWB、RSBRHT、RWT、RST上冲程柱塞上部内胀、拉内胀0挤扁柱塞下部拉0挤扁0下冲程柱塞上部内胀、拉内胀、拉00柱塞下部内胀、拉内胀、拉00受力形式闭口内压闭口内压开口外压开口外压强度核算疲劳疲劳挤扁挤扁图3-3 泵筒应力分析图其中 K=D1/D2 （3-18）=38/46=0.826 （3-19）=(1+0.8262) 16.7/（1-0.8622）=113.28 Map； （3-20） =0.8262 16.7/（1-0.8622）=48.29 Map； （3-21） =-16.7 Map； （3-22）=1.732 p/（1-K2）=1.73216.7/（1-0.8622）=112.56 Map；（5）许用应力泵筒一般用塑性材料制造，推荐许用应力为 （3-23）式中： -许用应力，Map；-材料屈服极限，Map；-安全系数，=1.21.6，一般管式泵可取=1.4，杆式泵工作条件较好可取=1.2。取45钢，=353 Map； = 637 Map=353/1.2=294 Map（6）强度条件采用第四强度理论可较好地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 （3-24）各种泵型的当量应力计算见表3-5强度条件为 （3-25）由以上计算得即强度条件符合。 （3-26）令A=有 （3-27）（7）最大下泵深度当附加轴向载荷=0时，由式（3-26）和（3-15）求得从强度出发的最大下泵深度，即 （3-28）3.2.2.5 泵筒疲劳强度计算顶部固定杆式泵的泵筒，在工作时受交变拉压应力，不承受尾管重量，仅计算最大下泵深度。(1)交变应力泵筒最小轴向载荷为Qc（应力为）,最大轴向载荷是筒内压力形成的轴向应力K2 p/(1-K2)与最小轴向应力之和，考虑应力集中系数Kc，故交变应力为为螺纹处应力集中系数，取3 （3-29）=0.8622/(1-0.8622) （3-30） =2.89 （3-31） （3-31） （3-33） （3-34）（2）古德曼图的应用a) 泵筒用45钢制造，可取加载方式系数为CP=0.5，偏载系数为CL=0.8，直径系数CD=0.9，表面系数，腐蚀情况系数Ch=0.9。b) 泵筒在井下工作时一般受拉，即，故它工作在古德曼图的区或区，其分界处的平均应力为 （3-35） =0.75 （3-36）=0.80.90.750.90.5637=154.79MPa （3-37）=637(