防泥漿連續(xù)作業(yè)1000馬力型柱塞泵設(shè)計(jì)

曲玉強(qiáng) (四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434024)

在油田油氣開發(fā)過程中，1000馬力及以下的固井柱塞泵在市場上具有很高的占有率，該類型柱塞泵一般為臥式五缸或三缸柱塞泵，最大輸入功率不超過1000馬力，可連續(xù)作業(yè)最大輸入功率不超過500馬力，既能做固井作業(yè)、連續(xù)管作業(yè)，還能進(jìn)行小型壓裂作業(yè)等其他特種作業(yè)。

隨著現(xiàn)在油田作業(yè)的要求越來越高[1～2]，該類型泵已不能滿足作業(yè)要求，因此，將連續(xù)作業(yè)最大輸入功率提升到1000馬力是現(xiàn)在油氣田市場的發(fā)展要求。而目前的1000馬力及以下型號(hào)柱塞泵主要存在不可進(jìn)行高壓區(qū)連續(xù)作業(yè)、泥漿進(jìn)入動(dòng)力端和雙泵布置作業(yè)車超寬等方面的問題[3～4]。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種可連續(xù)作業(yè)1000馬力的防泥漿、大功率、小尺寸油田柱塞泵。

1 現(xiàn)有固井柱塞泵適應(yīng)性分析

圖1 液力端柱塞和動(dòng)力端油封結(jié)構(gòu)圖

1)泥漿進(jìn)入動(dòng)力端分析 液力端泥漿進(jìn)入動(dòng)力端，主要是由于液力端柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)柱塞需要通過動(dòng)力端油封，柱塞表面粘附的泥漿顆粒造成動(dòng)力端油封磨損，泥漿顆粒進(jìn)入動(dòng)力端，導(dǎo)致動(dòng)力端潤滑油污染，軸承、十字頭和連桿瓦損壞，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

柱塞泵在工作時(shí)，液力端內(nèi)會(huì)充滿泥漿，柱塞回程時(shí)，泥漿會(huì)粘附在柱塞外圓面上，當(dāng)柱塞通過動(dòng)力端油封時(shí)，一部分泥漿會(huì)積累在油封處，持續(xù)磨損油封，當(dāng)油封出現(xiàn)破損后，泥漿會(huì)進(jìn)入動(dòng)力端。

2)泵寬度分析 油田常用固井車載設(shè)備雙泵布置圖如圖2所示。

圖2 油田常用固井車載設(shè)備雙泵布置圖

油田常用固井車載設(shè)備雙泵布置時(shí)，總寬度不允許超過2550mm，減速箱與泵動(dòng)力端曲軸連接端的回轉(zhuǎn)半徑不超過300mm，而且減速箱的齒輪和軸承必須滿足強(qiáng)度要求。

圖3 1000馬力型柱塞泵工作周期曲線

3)壓力載荷分析 由于現(xiàn)在的作業(yè)油井越來越深，作業(yè)時(shí)間越來越長，因此，對(duì)泵的作業(yè)壓力要求越來越高，必須保證泵的動(dòng)力端各部件強(qiáng)度可靠。目前的1000馬力柱塞泵，雖然輸入功率可達(dá)到1000馬力，但是不能進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，其作業(yè)性能曲線如圖3所示[5]。

從圖3可以看出，目前的1000馬力泵主要以間歇工況為主，并且間歇工況最高壓力不超過額定壓力的80%，最優(yōu)的使用工況最高壓力為額定壓力的60%。也就是說標(biāo)稱1000馬力泵最優(yōu)使用工況實(shí)際輸入功率為600馬力，而當(dāng)其用于連續(xù)工況時(shí)實(shí)際輸入功率不足500馬力，泵送壓力、時(shí)間和排量完全達(dá)不到油井作業(yè)要求。

2 新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 防泥漿連續(xù)作業(yè)1000馬力型柱塞泵液力端柱塞和動(dòng)力端油封結(jié)構(gòu)圖

1)動(dòng)力端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了防止液力端泥漿進(jìn)入動(dòng)力端，最直接的方法就是不讓柱塞通過動(dòng)力端油封，液力端柱塞表面不接觸動(dòng)力端油封，柱塞表面所攜帶的固體顆粒對(duì)動(dòng)力端油封不會(huì)造成損壞，顆粒不會(huì)進(jìn)入油封，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。在十字頭和柱塞之間增加了一個(gè)直徑大于柱塞的推桿，在泵工作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推桿不進(jìn)入液力端，柱塞不通過油封，從而動(dòng)力端油封不接觸液力端介質(zhì)，油封壽命增加，液力端固體顆粒不會(huì)進(jìn)入動(dòng)力端。

2)行星減速箱設(shè)計(jì) 防泥漿連續(xù)1000馬力型柱塞泵采用一臺(tái)行星減速箱作為減速裝置，具體如圖5所示。

圖5 防泥漿連續(xù)作業(yè)1000馬力型柱塞泵行星減速箱結(jié)構(gòu)圖

目前的1000馬力泵，減速箱均采用單級(jí)平行軸齒輪減速。通過計(jì)算，當(dāng)泵送壓力達(dá)到連桿額定壓力時(shí)，齒輪齒面實(shí)際應(yīng)力已經(jīng)超過材料屈服強(qiáng)度，軸承壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)期壽命，這也就是為什么目前的1000馬力泵主要以間歇工況為主，并且間歇工況最高壓力不超過額定壓力的80%，最優(yōu)的使用工況最高壓力為額定壓力的60%。而改用行星減速箱后，齒輪強(qiáng)度和軸承壽命均可達(dá)到工況要求。

行星減速箱采用2級(jí)傳動(dòng)[6～7]，第1級(jí)為平行級(jí)齒輪傳動(dòng)，便于換向，第2級(jí)為行星輪傳動(dòng)，采用4個(gè)行星輪，以傳遞更大的扭矩。行星減速箱傳動(dòng)比4.610，最大輸入扭矩15180N·m。為了使減速箱盡可能的重量輕、體積小，所有齒輪采用高強(qiáng)度合金鋼，軸承為特質(zhì)非標(biāo)軸承，以保證減速箱有足夠的使用壽命。

3)液力端泵頭體結(jié)構(gòu)優(yōu)化 泵頭體是泵的核心部件，在泵頭體的設(shè)計(jì)中，除必須保證好的力學(xué)性能外，還必須保證在運(yùn)行過程中的安全可靠和長的使用壽命。實(shí)際工況中，由于泵頭體承受高振幅的脈動(dòng)交變應(yīng)力，其失效主要是由于疲勞損傷積累，導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展而引起。設(shè)計(jì)時(shí)用有限元軟件對(duì)泵頭體進(jìn)行有限元分析，并對(duì)相貫孔型腔進(jìn)行俢型加工處理[8]，使其在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度情況下更耐沖擊，壽命更長。

圖6為用有限元軟件計(jì)算的泵頭體應(yīng)力分布云圖。計(jì)算結(jié)果顯示，在同樣的泵送壓力下，新設(shè)計(jì)的泵頭體(修改后)比現(xiàn)有的泵頭體(修改前)應(yīng)力值降低了15%，有效提升了泵頭體使用壽命。

3 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核

為了保證該泵能夠長時(shí)間排出高壓液體，必須保證泵的動(dòng)力端各部件強(qiáng)度可靠，根據(jù)筆者所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，對(duì)泵動(dòng)力端關(guān)鍵零部件進(jìn)行計(jì)算分析。

1)輸入載荷分析 根據(jù)油田作業(yè)要求，泵的輸入載荷曲線如圖7所示。

在計(jì)算各零部件強(qiáng)度時(shí)，取最大輸入扭矩、滿功率(1000馬力)輸入，該工況為泵作業(yè)時(shí)的最惡劣工況(連桿、曲軸和十字頭承受最大推力，軸承承受最大載荷和最高轉(zhuǎn)速)。

圖6 泵頭體修改前后應(yīng)力云圖

圖7 輸入扭矩曲線圖

圖8 曲軸有限元計(jì)算結(jié)果圖

2)曲軸強(qiáng)度分析 根據(jù)載荷工況[9]，取最惡劣的作業(yè)工況，對(duì)泵的曲軸進(jìn)行有限元分析計(jì)算。計(jì)算時(shí)，對(duì)曲軸的軸承安裝位進(jìn)行軸向和徑向約束，在軸徑上施加軸承載荷。計(jì)算結(jié)果如圖8所示，最大等效應(yīng)力 325MPa，位于軸徑根部，遠(yuǎn)小于曲軸的屈服強(qiáng)度930MPa，曲軸強(qiáng)度足夠。

3)連桿強(qiáng)度分析 根據(jù)載荷工況，取最惡劣的作業(yè)工況，對(duì)泵的連桿進(jìn)行有限元分析計(jì)算。計(jì)算時(shí)，對(duì)連桿的大端進(jìn)行軸向和徑向約束，在連桿的小端施加軸承載荷。計(jì)算結(jié)果如圖9所示，最大等效應(yīng)力 385MPa，位于連桿根部，遠(yuǎn)小于連桿的屈服強(qiáng)度930MPa，連桿強(qiáng)度足夠。

4)十字頭強(qiáng)度分析 根據(jù)載荷工況，取最惡劣的作業(yè)工況，對(duì)泵的十字頭進(jìn)行有限元分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖10所示，最大等效應(yīng)力 260MPa，位于十字頭與推桿連接根部，遠(yuǎn)小于十字頭的屈服強(qiáng)度930MPa，十字頭強(qiáng)度足夠。

圖9 連桿有限元計(jì)算結(jié)果圖 圖10 十字頭有限元計(jì)算結(jié)果圖

4 性能測試

圖11 防泥漿連續(xù)作業(yè)1000馬力型柱塞泵工作周期曲線

根據(jù)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司已經(jīng)生產(chǎn)出多臺(tái)產(chǎn)品。該柱塞泵設(shè)計(jì)最大輸入扭矩13800N·m，設(shè)計(jì)直徑76.2mm，柱塞最高泵送壓力103.4MPa，設(shè)計(jì)使用壽命8000h，雙泵布置最大寬度2520mm。

2017年12月10日，該柱塞泵在四機(jī)廠高壓柱塞泵實(shí)驗(yàn)室完成了100萬次連桿負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)輸入功率1100馬力，直徑76.2mm柱塞試驗(yàn)泵送壓力114MPa，不停機(jī)連續(xù)試驗(yàn)時(shí)長160h。試驗(yàn)輸入功率高出設(shè)計(jì)輸入功率10%，試驗(yàn)壓力高出設(shè)計(jì)壓力10%，試驗(yàn)結(jié)果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算，防泥漿連續(xù)作業(yè)1000馬力型柱塞泵性能曲線如圖11所示。

由現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果和圖11所示的防泥漿連續(xù)作業(yè)1000馬力型柱塞泵性能曲線可以看出，相對(duì)于目前的1000馬力型柱塞泵，防泥漿連續(xù)作業(yè)1000馬力泵主要以連續(xù)高壓工況為主，連續(xù)工況最高壓力完全達(dá)到額定壓力的100%，標(biāo)稱1000馬力的泵連續(xù)工作時(shí)實(shí)際輸入馬力完全達(dá)到1000馬力，該泵甚至可進(jìn)行1200馬力的間歇作業(yè)，泵送壓力、時(shí)間和排量可達(dá)到油井作業(yè)要求。

5 結(jié)語

筆者針對(duì)現(xiàn)有固井柱塞泵不可進(jìn)行高壓區(qū)連續(xù)作業(yè)、泥漿進(jìn)入動(dòng)力端和雙泵布置作業(yè)車超寬等多方面問題，設(shè)計(jì)了一種防泥漿連續(xù)作業(yè)1000馬力型柱塞泵，該泵具有防止液力端泥漿進(jìn)入動(dòng)力端、可進(jìn)行連續(xù)高壓作業(yè)和雙泵布置等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用有限元計(jì)算軟件并結(jié)合理論計(jì)算方法，對(duì)動(dòng)力端關(guān)鍵零部件如曲軸、連桿和十字頭等進(jìn)行分析校核，結(jié)果表明這些部件強(qiáng)度足夠可靠；對(duì)液力端泵頭體進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的泵頭體相貫孔處應(yīng)力降低了15%，顯著提高了泵頭體的使用壽命。

該泵完成了廠內(nèi)1×106次連桿符合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前已有多臺(tái)發(fā)往國內(nèi)及北美各油田市場，現(xiàn)場作業(yè)性能良好。

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