基于ANSYS的軟柱塞抽油泵密封性能研究

葉衛(wèi)東，李博文，李大奇

(東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

目前我國油田所使用的普通抽油泵絕大部分采用金屬柱塞，金屬柱塞式抽油泵雖然結構簡單[1-2]，但磨損和泄漏問題比較突出，尤其是高含砂量原油中含有一些比間隙大的砂粒，其進入到楔形間隙加大了磨損導致泄漏增大、泵效減低，嚴重時可造成卡泵而無法工作[3-4]。而一般橡膠軟柱塞存在耐壓強度低、易老化和耐磨性差等問題，使得橡膠軟柱塞抽油泵無法適應井下復雜的工作環(huán)境，無法長期使用[5]。針對這一情況，本文研究、設計了一款性能優(yōu)良、密封性好的軟柱塞抽油泵。

1 幾何模型建立

本文根據(jù)大慶某油田的實際工況，設計出適合目前油田要求的軟柱塞抽油泵結構(如圖1所示)，主要包括上半部分的與抽油桿的連接部分和游動閥組件，下半部分的密封部分和固定閥組件。

圖1 軟柱塞抽油泵結構圖

2 膠筒模型參數(shù)

本文設計的軟柱塞抽油泵，膠筒使用的材料為聚醚醚酮，計算模型為Mooney-Rivlin模型。兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型[6]的表達式為：

(1)

式中：W為應變勢能；I1為第一應變偏量；I2為第二應變偏量；d為材料不可壓縮參數(shù)；J為體積比；C01和C10為材料常數(shù)，通過實驗測得C01=-0.751 3E+06，C10=2.375 0E+06。

3 有限元分析

本文主要分析軟柱塞抽油泵的密封性能，故只要對軟柱塞密封段膠筒和泵筒建立接觸分析模型即可[7-8]，其有限元模型如圖2所示。膠筒參數(shù)主要包括膠筒長度L、膠筒厚度H、肩部厚度h和膠筒肩部夾角θ。建立的膠筒模型長度為70 mm，密封段厚度為5 mm，肩部厚度為3 mm，肩部夾角為30°，膠筒與泵筒之間的間隙為1 mm。

圖2 膠筒柱塞模型

3.1 初始條件設置

設置柱塞處于上死點位置，膠筒內側壓力為8 MPa，膠筒外側壓力為0 MPa，內外壓差8 MPa，泵筒和膠筒兩端面固定約束，摩擦系數(shù)為0.1。

3.2 應力應變分析

求解后，膠筒應變云圖如圖3所示，接觸應力云圖如圖4所示，建立接觸線路徑，提取軟柱塞與泵筒接觸路徑上的接觸應力值如圖5所示。

通過圖4膠筒應力云圖可知，在膠筒內側壓力為8 MPa時，最大應力為11.4 MPa，實驗所用聚醚醚酮屈服抗拉強度為97 MPa，由此可見本文設計的膠筒強度完全滿足工作要求。從圖5可知，密封段接觸應力先減小后增大，大部分區(qū)域接觸應力大于8 MPa，能起到較好的密封效果。因為膠筒的肩部具有很明顯的應力集中現(xiàn)象，所以在進行膠筒優(yōu)化設計的時候，一定要重點考慮它的肩部參數(shù)設計。

圖3 膠筒應變云圖

圖4 膠筒應力云圖

圖5 不同壓差下接觸應力

3.3 膠筒參數(shù)優(yōu)化分析

為了研究不同的結構參數(shù)對軟柱塞抽油泵密封性能的影響，本文從壓差大小、膠筒長度、膠筒厚度、肩部夾角、摩擦系數(shù)等不同角度進行仿真計算，比較接觸應力變化規(guī)律。

1)不同壓差下的模擬分析。

采用上述膠筒模型，改變膠筒上下兩端的壓差，計算不同壓差下膠筒的接觸壓力。從圖5可知，膠筒內外壓差為2 MPa以上時最大接觸應力大于壓差，軟柱塞抽油泵能完成密封。隨著壓差變大，接觸壓力與壓差相差越大，軟柱塞抽油泵密封效果越好。從圖中可以看出：膠筒的中間部分承受的應力大小相近、變化趨于平緩；越靠近膠筒兩端，應力增大越明顯，且呈非線性變化。

2)不同長度下的模擬分析。

保持其他參數(shù)不變，分別建立膠筒長度為510,535,560,585,610,635,685,710和735 mm的膠筒有限元模型，膠筒內外壓差為2 MPa，計算不同膠筒長度下膠筒接觸應力，如圖6所示。

圖6 不同長度下的接觸應力

從圖6可知，膠筒長度對接觸應力影響較小，不同長度膠筒計算得到的最大、最小應力基本相同。膠筒長度對接觸密封段長度影響較大，隨著膠筒長度增加，密封段長度越大，軟柱塞抽油泵的密封性能越好。同時，隨著膠筒長度增加，膠筒肩部應力集中現(xiàn)象總體呈減弱趨勢，其中膠筒長度為685 mm時接觸應力最小，因此膠筒長度685 mm為優(yōu)選結果。

3)不同厚度下的模擬分析。

分別建立膠筒厚度為4.5,5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,8.0,8.5 mm的膠筒有限元模型，膠筒長度為優(yōu)選長度685 mm，膠筒內外壓差為2 MPa，不同膠筒厚度的接觸應力如圖7所示。

從圖7可以看出，不同厚度的膠筒計算得到的接觸應力大小和接觸密封長度基本相同。膠筒厚度主要影響膠筒肩部的應力變化，厚度越大肩部應力變化越平緩。因為膠筒在工作中會出現(xiàn)磨損減薄的情況，所以綜合考慮膠筒使用壽命和成本，本文選取膠筒厚度為8.0 mm。

圖7 不同厚度下的接觸應力

4)不同肩部夾角下的模擬分析。

分別建立膠筒肩部夾角為15°、30°、45°和60°的膠筒有限元模型，膠筒長度為優(yōu)選長度685 mm，膠筒厚度為8.0 mm，膠筒內外壓差為2 MPa，計算不同肩部夾角的接觸應力，如圖8所示。

圖8 不同肩部夾角下的最大接觸應力

從圖8可以看出，隨著膠筒肩部夾角的變化，膠筒中部的接觸應力變化不大，均在2.10 MPa左右，可以完成密封。但是夾角較小時，膠筒與泵筒的接觸長度變小，密封能力減弱。當肩部夾角大于30°后，對密封長度影響不大。本文優(yōu)選膠筒肩部夾角為60°。

4 結論

1)本文設計的軟柱塞抽油泵的密封膠筒采用的聚醚醚酮材料，滿足強度要求，軟柱塞膠筒結構滿足密封要求。

2)對膠筒接觸應力影響最大的是壓差，壓差越大，接觸應力越大；膠筒長度主要影響密封長度，膠筒越長密封長度越長，密封效果越好；膠筒厚度主要影響膠筒肩部應力變化，厚度越大肩部應力變化越平緩；膠筒肩部夾角對密封長度有一定的影響，肩部夾角越大密封長度越大。

3)本文的研究成果可為軟柱塞抽油泵膠筒結構優(yōu)化選型提供理論基礎，研究方法可用于剛柔密封性能的模擬研究。