高压柱塞泵阀箱失效分析及抗疲劳设计

高压往复柱塞泵在油田的压裂、酸化和固井等作业过程中常发生失效,特别是作为泵送介质的核心部件阀箱常发生疲劳开裂。为解决柱塞泵阀箱的疲劳失效问题,通过大量的开裂案例分析,系统归纳出油田用高压柱塞泵阀箱发生疲劳开裂的主要诱因,主要包括关键区域的应力集中、阀座区域的冲击作用及泵送介质造成的点蚀等。从结构设计和材料合金设计等2个方面分别进行分析得知,通过优化结构改善阀箱内腔的应力分布情况,以及在阀箱的高强度合金材料的选取上进行改进可延长柱塞泵阀箱的使用寿命。     

1050型高压压裂泵阀箱的有限元分析

阀箱疲劳开裂失效是当前国内外压裂泵存在的主要问题,随着工作压力提高,这个矛盾更加突出。为此,应用ADINA结构分析软件对YLB-1050型高压压裂泵阀箱进行了三维有限元计算,获得了阀箱各部位的应力和变形分布规律,为高压泵阀箱的合理设计提供了理论依据和改进意见。     

压裂泵阀箱可靠性计算

基于压裂泵阀箱的失效分析,建立了在三向应力作用下计算阀箱可靠性的模型,设计了计算程序。以YLB—1000型压裂泵阀箱为例,计算了破坏概率和可靠性,并指出了危险点。计算结果与实际工况完全相符。     

非常规油气田压裂作业阀箱的结构创新

当前非常规油气田压裂作业对压裂泵阀箱提出了更高的性能要求,常规压裂泵阀箱因使用寿命短,可靠性偏低,已经难以满足非常规油气田的恶劣工况。针对这种情况,文章提出了通过采用新型双导向杆阀结构内腔设计来提高阀箱本体的有效壁厚,降低工作应力,进而提高阀箱的抗疲劳损坏能力,获得更高的使用寿命;此外还通过采用柱塞缸套与阀箱本体一体化的结构设计,移除了原分体式柱塞缸套与阀箱本体处的一道橡胶密封,从而减少阀箱工作时的渗漏点,有效提升阀箱工作时柱塞密封的可靠性。新型压裂泵阀箱已经在非常规油气田的实际工业使用中取得了良好的效果,阀箱的使用寿命及工作可靠性都得以明显提升,这些结构创新值得在压裂泵阀箱的制造中推广应用。     

压裂泵泵阀失效分析

对U类和O类泵阀的失效分析表明,压裂泵泵阀受高压冲击载荷和高含砂高酸度压裂酸化液冲蚀作用,产生磨料磨损、冲蚀磨损和疲劳磨损,导致密封失效,使用寿命低。为提高泵阀使用寿命,应优化阀锥角、阀盘结构及密封胶圈形状;选用合适的泵阀材料和热处理工艺,提高泵阀心部硬度,增加高硬度层厚度,改善其使用性能。     

钻井泵阀结构参数与失效的关系

在现场调查的基础上，对失效钻井泵阀进行了分析，并检测了7个失效泵阀的阀橡胶尺寸。测试与分析结果表明，阀橡胶厚度是影响泵阀失效的重要因素，现用泵阀平均使用寿命较低的主要原因是阀橡胶厚度参数不合理。指明在不改变现用泵阀材料的条件下，通过优选阀橡胶厚度参数，以及提高阀橡胶密封锥面与阀体金属密封锥面装配后的同轴度，完全有可能大幅度延长国产泵阀平均使用寿命。     

基于ANSYS/LS-DYNA的压裂泵泵阀动力接触分析

泵阀属于重要的易损件,其工作寿命直接影响到压裂泵的工作特性。LS-DYNA是功能齐全的显式动力分析软件,可以模拟各种复杂的非线性动态问题。运用LS-DYNA有限元软件,考虑橡胶的缓冲作用,模拟高压环境下阀盘和阀胶皮以一定速度冲击阀座的过程,考察动态接触过程中的应力、应变分布情况,分析泵阀失效原因,为提高泵阀寿命提供了理论依据。     

高压压裂泵阀箱的强化处理

高压压裂泵阀箱工作时，内腔表面产生很高的应力。对ＹＬＢ—１４００型压裂泵阀箱的应力分析表明，在两孔相贯线的顶部，峰值应力可达１１６８ＭＰａ，超过了阀箱钢材的屈服极限σｓ，这种阀箱只有在强化处理后才能使用。液压自增强处理和爆炸处理的关键是利用高的液压或爆炸压力对阀箱内腔预压，使阀箱内表面发生塑性变形而外表面发生弹性变形，并通过弹性恢复在内表层形成高而深的残余压应力层。ＹＬＢ—１４００型压裂泵阀箱经强化处理，在内腔表面危险区域形成－４５０～－５３０ＭＰａ的残余压应力，可大幅度提高疲劳寿命。     

基于Ansys/Ls-Dyna的压裂泵泵阀强度分析

泵阀是压裂泵中最重要的易损部件之一,其强度关系到压裂泵的工作特性。运用Ansys有限元分析软件中Ls-Dyna模块,模拟100 MPa高压环境下阀盘以一定速度冲击阀座的整个过程,对泵阀进行静力以及显示动力下应力、应变分析,找出泵阀的失效原因,为改进泵阀提供了理论依据。     

用于压裂的1400大气压增压泵

压裂泵是进行油井酸化和加砂两种压裂工艺以增产原油的关键设备。目前高冲次压裂泵存在的最大问题是在砂粒的作用下,泵阀和柱塞寿命较短。尽管有些国家在改善泵阀等结构及其材质和处理工艺方面做了一定的工作,相应延长了泵的使用寿命,但问题仍未彻底解决。美国哈利伯顿(Halliburton)公司针对上述问题提出了一种长冲程低冲次增压泵,可以大大延长泵阀和柱塞的寿命,同时还在很大程度上改善了系的各种工作性能,可供参考。     

5ZB-2800型压裂泵液力端阀箱失效分析

研制的5ZB-2800型压裂泵在75MPa压力下工作114h,液力端阀箱出现开裂失效。利用有限元软件进行强度和寿命分析,找出可能出现开裂的部位。解剖失效部件,对开裂部位内部做宏观检查、SEM微观扫描及化学成分、硬度、金相、力学性能等检测。结果表明:毛坯锻造夹层在高压、酸性介质作用下,产生腐蚀疲劳裂纹并快速扩展,导致阀箱早期失效。应加强调质后材料的缺陷检测、改进阀箱高应力区的结构、调整阀箱加工方位,以提高该压力泵的使用寿命。     

压裂泵阀箱疲劳寿命影响因素的研究

对国产某型号140 MPa压裂泵阀箱裂纹的断口进行分析,研究表明阀箱裂纹断口呈解理断裂形貌特征,疲劳辉纹在解理面上以脆性方式扩展,阀箱工作时较高的周向应力是引起疲劳开裂的主要原因。在此基础上,运用有限元软件开展了自增强技术、表面加工精度、表面强化处理工艺以及材料选择对阀箱疲劳寿命的影响规律研究。研究结果表明,以上方法均可以延长阀箱的疲劳寿命,但自增强技术是延长阀箱疲劳寿命最有效和最经济的方法,可有效延长疲劳寿命最长达7倍左右,在实施工艺上可选用静液压法和炮轰法,炮轰法工艺程序简单,建议采用该法进行自增强处理。     

钻井泵泵阀使用寿命的数理统计分析

用数理统计方法对钻井泵泵阀阀体、阀座的使用寿命进行了分析,得到阀体、阀座的使用寿命分布规律服从于二参数威布尔分布。认为泵阀的失效过程通常是先产生冲击疲劳磨损,后形成冲蚀破坏,整个失效过程又是以冲击疲劳为主。     

泵阀弹簧对石油压裂泵性能影响的试验方案

泵阀作为压裂泵液力端的关键部件和易损部件,它工作的好坏直接影响到压裂泵的性能和使用寿命。弹簧是直接与压裂泵泵阀接触的重要部件。弹簧性能的好坏将对压裂泵的工作性能起到重要作用。通过试验方法测得弹簧与泵阀联合工作的特性,寻找最佳的弹簧刚度对研究泵的吸入、排出性能具有非常重要的意义,提出了泵阀弹簧对石油压裂泵性能影响的试验方案,包括试验原理、试验方案和数据处理方法等。     

压裂泵阀箱强度及寿命分析

对阀箱进行有限元强度和寿命计算,找到危险截面和应力分布状态,对于阀箱可靠性评估、改进设计和正确使用具有重要意义。采用与Pro/E无缝结合的有限元分析工具Pro/Mechanica对某70MPa压裂泵阀箱进行了有限元强度和疲劳寿命分析。通过对应力图动态查询可知,最大应力为694.7MPa,位于缸腔与柱塞腔相贯部位拐角处,内腔平均应力为347.6MPa。整体上阀箱的疲劳寿命为1×1020次,阀箱整体强度足够,但薄弱环节的最低疲劳寿命仅为1×104.803次。为此设计时应加大关键部位的圆角半径,以减小应力集中。为了延长泵头的工作寿命,可采用自增强、复合强化、喷丸处理等工艺措施。     

适用于非常规油气田作业压裂泵阀箱(2300、2500、2800型)

适用于非常规油气田作业压裂泵阀箱(2300、2500、2800型)广泛应用于川渝地区页岩气田开发的压裂施工作业。该系列新型压裂泵阀箱通过材料、结构、制造工艺的创新,内腔结构采用适合双导向杆阀,整体式结构取代分体式结构,并应用了静压自增强处理技术、滚压处理技术、喷丸强化处理技术,具有耐(超)高压、工作稳定、安全性能高、使用寿命长等特点。在高压力、大排量、长时间持续施工作业的恶劣工况中,能够良好抵抗腐蚀及交变疲劳应力,在70~105MPa工作压力下使用寿命提高到200小时以上,工作时间超过国内同类产品30%以上,有效降低了作业成本。     

爆炸自增强法室内试验初步成功

<正> 对形状复杂的高压和超高压设备(如压裂泵阀箱等)进行自增强处理(又称自紧、超应变处理),是提高弹性承载能力和疲劳寿命最有效的方法之一。目前应用较广泛、工艺较成熟的是静液压自增强法(美国一些压裂     

钻井泵泵阀失效的故障树分析

运用系统可靠性分析的基本原理，把泥浆与泵阀看作一个开式的摩擦学系统，采用故障树分析法，建立了钻井泵泵阀失效的故障树；分析了钻泵泵阀失效的各种原因及影响因素，进行了定性分析和定量计算，并对其结果进行了讨论。     

压裂泵柱塞密封的改进设计

压裂泵柱塞密封性能好坏与使用寿命的长短直接影响压裂酸化作业的正常实施，密封不良将带来很大的维护工作量。为适应油气井增产的需要，对OPI 1800AWS型压裂泵柱塞密封的结构特点进行了分析，并结合生产和应用实际分析了柱塞密封失效和泄漏的原因，提出了一种油田压裂用柱塞密封的结构改造方案，即通过提高柱塞表面质量，优选密封圈材质，改进密封圈的结构，增加擦拭环，保证柱塞往复运动时与缸套的同轴度，可以提高摩擦副的密封效果和延长柱塞密封的使用寿命。柱塞密封结构改造后，柱塞寿命提高到15个月，密封圈寿命延长了２倍。     

压裂泵液力端阀箱超高压力自增强技术研究

超高压自增强技术是一种延长压裂泵液力端阀箱使用寿命的工艺技术。针对现有超高压自增强工艺技术进行了分析,确认了按照现有工艺进行超高压自增强后液力端阀箱内腔关键位置的应力集中程度得到了显著改善,从而有效延长了压裂泵液力端的疲劳寿命。根据仿真分析对现有工艺进行了优化,提出了进行超高压自增强过程中应注意的一些问题。