基于ANSYS Workbench的壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件有限元分析

田　琴，王元忠，劉文寶，張?zhí)炫R，朱偉東

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，蘭州 730000）

基于ANSYS Workbench的壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件有限元分析

田琴，王元忠，劉文寶，張?zhí)炫R，朱偉東

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，蘭州 730000）

針對(duì)傳統(tǒng)壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)采用類(lèi)比方法，僅依靠設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)，基于ANSYS Workbench對(duì)某壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析，得到了其在最大工作壓力下的應(yīng)力云圖，該結(jié)論與實(shí)際情況相吻合，為壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件的科學(xué)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

壓裂泵；液力端；有限元分析；ANSYS Workbench

0　引言

壓裂泵在壓裂作業(yè)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，而泵頭體和泵閥是壓裂泵液力端中非常關(guān)鍵零部件，泵頭體和泵閥的工作環(huán)境極端惡劣，常常發(fā)生損壞情況，是壓裂泵的易損件［1］。隨著超高壓井和超深井的出現(xiàn)及快速發(fā)展，對(duì)壓裂泵提出了更高的要求，使得壓裂泵的工作環(huán)境更加惡劣，加劇了壓裂泵的破壞現(xiàn)象。因此，對(duì)壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到其應(yīng)力分布情況，對(duì)于其科學(xué)設(shè)計(jì)是非常必要的。目前，傳統(tǒng)壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)仍然采用的是類(lèi)比方法，僅依靠設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，強(qiáng)度分析也是按簡(jiǎn)化模型進(jìn)行粗略的計(jì)算，沒(méi)有考慮泵頭體和泵閥自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和應(yīng)力集中因素，造成計(jì)算結(jié)果誤差較大，不符合實(shí)際情況［2～4］。本文基于ANSYS Workbench對(duì)壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件有限元分析，可以精確地得到其應(yīng)力云圖，為壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件的科學(xué)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1　泵頭體的有限元分析

泵頭體是壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件之一，提高使用壽命關(guān)鍵在于要得到其應(yīng)力分布狀況，在此基礎(chǔ)上才可以改善其應(yīng)力分布，減小應(yīng)力集中，從而有效地減少其損壞情況的發(fā)生。

1.1泵頭體有限元模型的建立

泵頭體的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此本文先采用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模，然后在保證分析精度的前提下，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，減小有限元模型的復(fù)雜性，以便加快運(yùn)算速度，提升工作效率。本文研究的泵頭體的五個(gè)缸腔的結(jié)構(gòu)和受力情況完全相同，取單個(gè)缸腔進(jìn)行有限元分析得到的應(yīng)力值和同時(shí)分析五個(gè)缸腔得到的應(yīng)力值差別不大，并且考慮到單個(gè)缸腔的對(duì)稱(chēng)性，在實(shí)際分析時(shí)只取單個(gè)缸腔的一半進(jìn)行有限元分析。然后通過(guò)Solidworks與ANSYS Workbench關(guān)聯(lián)生成的菜單直接將模型動(dòng)態(tài)地導(dǎo)入ANSYS Workbench中。圖1為泵頭體的實(shí)體模型，圖2為有限元模型，表1為有限元模型參數(shù)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)有關(guān)設(shè)計(jì)圖紙。

表1　泵頭體有限元模型參數(shù)表

圖1　泵頭體實(shí)體模型圖

圖2　泵頭體有限元模型

1.2施加約束和載荷

約束：由于模型關(guān)于yOz平面是對(duì)稱(chēng)的，由對(duì)稱(chēng)性條件可知，該模型在在yOz平面上沒(méi)有x方向的位移；泵頭體的底部是固定不動(dòng)的，所以該模型的底部在x、y、z三個(gè)方向都沒(méi)有位移。

載荷：泵頭體有兩種工況：一種是吸入工況；另一種是排出工況。在吸入工況下，吸入閥開(kāi)啟，排出閥關(guān)閉，吸入腔的壓力幾乎為0，排出腔的壓力達(dá)到140MPa；在排出工況下，排出閥開(kāi)啟，吸入閥關(guān)閉，吸入腔和排出腔的壓力都為140MPa。取最大工況進(jìn)行有限元分析，即在吸入腔和排出腔都施加140MPa壓力進(jìn)行分析。

圖3　施加約束和載荷

1.3結(jié)果分析

由圖4可知，在缸腔和柱塞腔的相貫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。泵頭體所用的材料為25Cr2MoV，其屈服強(qiáng)度是σ=1040MPa，由圖4計(jì)算結(jié)果可知在應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力為σmax=847.92MPa，σmax＜σ，泵頭體滿足靜強(qiáng)度要求。但該應(yīng)力集中處的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，應(yīng)力集中是造成疲勞破壞的關(guān)鍵因素，因此缸腔和柱塞腔的相貫處是泵頭體最危險(xiǎn)的部位，這與實(shí)際壓裂現(xiàn)場(chǎng)泵頭體出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象的部位相吻合，在機(jī)械加工過(guò)程中，應(yīng)盡量保證加工質(zhì)量，也可以通過(guò)增大圓角半徑的方式達(dá)到減小應(yīng)力集中的目的。

圖4　泵頭體的應(yīng)力云圖

2　泵閥的有限元分析

2.1泵閥有限元模型的建立

由于泵閥的各個(gè)零部件都是回轉(zhuǎn)體，即泵閥的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)于回轉(zhuǎn)軸的，因此進(jìn)行有限元分析時(shí)只取泵閥的1/4進(jìn)行分析。另外，因?yàn)槊芊馊υ诠ぷ鬟^(guò)程中的受力狀況極為復(fù)雜，所以在分析過(guò)程中并未考慮密封圈的緩沖作用。圖5為泵閥的實(shí)體模型，表2為有限元模型參數(shù)。

圖5　泵閥實(shí)體模型

圖6　泵閥有限元模型

表2　泵閥有限元模型參數(shù)表

2.2施加約束和載荷

在泵閥的實(shí)際安裝中，凡爾座的臺(tái)階面與泵頭體并不是接觸的，而是存在一個(gè)間隙，凡爾座外錐面與泵頭體緊密接觸，不任何間隙，它在泵工作過(guò)程中起著承載壓力的作用，因此凡爾座外錐面沒(méi)有軸向和徑向位移；由模型的對(duì)稱(chēng)性可知，在對(duì)稱(chēng)截面上沒(méi)有徑向位移。泵閥主要承受重力、彈簧力以及液體對(duì)其表面施加的壓力，而重力、彈簧力很小，在分析中可以忽略，因此，泵閥只承受液體壓力，其值為140MPa。

2.3結(jié)果分析

泵閥的高應(yīng)力區(qū)位于凡爾座和上體的金屬接觸表面和它的法向區(qū)域，最大的應(yīng)力是760.74MPa。凡爾座所用的材料為20CrMnTi，其屈服強(qiáng)度是σ=835MPa，σmax＜σ；上體所用的材料為20CrNiMo，其屈服強(qiáng)度是σ=785MPa，σmax＜σ，泵閥滿足靜強(qiáng)度要求。但閥座承受的是交變應(yīng)力，這是造成疲勞破壞的原因所在，可通過(guò)提高凡爾座和上體局部接觸部位的局部硬度來(lái)提高泵閥的接觸應(yīng)力，延長(zhǎng)其工作壽命。

圖7　施加約束和載荷

圖8　泵閥的應(yīng)力云圖

3　結(jié)論

缸腔和柱塞腔的相貫處是泵頭體最危險(xiǎn)的部位，在機(jī)械加工過(guò)程中，應(yīng)盡量保證加工質(zhì)量，也可以通過(guò)增大圓角減小應(yīng)力集中；泵閥的高應(yīng)力區(qū)位于凡爾座和上體的金屬接觸表面和它的法向區(qū)域，可通過(guò)提高凡爾座和上體局部接觸部位的局部硬度來(lái)提高泵閥的接觸應(yīng)力，延長(zhǎng)其工作壽命。該有限元分析結(jié)果，為壓裂泵液力端關(guān)鍵零部件的科學(xué)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］ 鐘功祥，梁政.HQ1400型壓裂泵動(dòng)力端分析與設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（12）:24-26.

［2］ 莫麗.壓裂泵閥箱強(qiáng)度及壽命分析［J］.石油機(jī)械，2009，37（2）:29-31.

［3］ 馮耀榮，李鶴林.泵頭失效分析與預(yù)防［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1989，18（3）:26-29.

［4］ 鄧小華.1050 型壓裂泵閥箱的有限元分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1992，21（3），43-45.

Finite element analysis for the key components of fracturing pump fluid end based on ANSYS workbench

TIAN Qin，WANG Yuan-zhong，LIU Wen-bao，ZHANG Tian-lin，ZHU Wei-dong

TE938

A

1009-0134（2016）09-0032-03

2016-06-01

田琴（1988 -），女，山西晉中人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。