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择要:经过对钻井泵阀委顿寿命的研讨,进一步分析泵阀生效的次要机理。使用 ANSYS/LS—DYNA 软件构建泵阀三维实体模子,模仿阀盘打击阀座的历程,失掉阀盘受力散布图,据此剖析脉动循环应力对泵阀委顿毁坏的影响。该剖析偏重思索了在交变载荷作用下应力会合对减速泵阀生效所带来的危害性,美满了泵阀的无打击实际。根据泵阀委顿寿命曲线,对泵阀利用寿命举行预算,并提出一种泵阀布局改良的新方案,在肯定水平上无效减缓了应力会合,对延伸泵阀利用寿命具有紧张的适用代价。

要害词:钻井泵阀脉动循环应力应力会合委顿寿命

泵阀是钻井泵的要害部件和易损件之一,其设计优劣间接影响到泵的事情功能和利用寿命。一方面,要进步泵阀打仗外表耐冲蚀的才能,就一定要增长打仗面的外表硬度,而硬渡过高又会减弱耐打击的功能。另一方面,要进步质料抗打击载荷的才能,就必需包管质料有较高的韧性,响应的硬度又会受影响。别的,只管泵阀的综合功能好,但在差别工况条件下,种种功能并不会同时发扬作用,且泵阀的加工本钱也会响应进步。因而,研讨泵阀的生效机理对泵阀的设计制造具有紧张的引导作用。

一样平常而言,形成钻井泵阀生效的缘故原由有打击委顿毁坏和冲蚀磨砺磨损(液力磨砺性磨损)两种。但是经过对矿场报废的钻井泵阀微观和微观形貌剖析标明,打击委顿毁坏是泵阀生效的次要机理,因而在泵阀设计时,要重点思索泵阀质料的抗打击委顿功能及由零件的部分应力形态确定的委顿强度。

本文根据泵阀在封闭阶段的简化模子和泵阀打击历程的有限元动力学模子,重点研讨泵阀打击时,阀盘与阀座打仗面上发生应力会合部位的受力情势及水平,并经过泵阀委顿寿命曲线对最大应力区举行委顿校核,从而预算泵阀的利用寿命。依据委顿寿命曲线,以泵阀最弱区为工具,经过改良泵阀的布局以低落峰值应力,为高效天时用泵阀提出可行性方案。

1 泵阀应力剖析

随着活塞的往复活动,阀盘对阀座发生间歇打击,泵阀接受打击载荷。打仗面上应力由闭合刹时到发生最大应力再到泵阀开启时候,云云循环打击,可以认定泵阀接受脉动循环应力。

在泵阀封闭阶段的简化模子中,假定在很小的滞后高度内,阀盘受力稳定,匀减速向下活动,直至封闭。依据此模子求出泵阀封闭时候阀盘的速率和减速度。

文献中以油田少量利用的 7# 阀为例,选取锥角为 45°(锥角为锥阀母线与轴线之间的夹角),设定阀开启时曲柄转角φ=25°,冲次为 120 次/min,泵压为 15MPa,在曲柄转角φ=25°~180°之间,对钻井泵阀阿道尔夫准确微分方程举行数值仿真,失掉阀盘的滞后高度为 0.0056m,在此处的速率为﹣0.4067m/s2。使用简化模子,可求出泵阀封闭时候阀盘的速率为﹣19.3676m/s,减速度为﹣33476.65m/s2

以简化模子失掉的封闭时候阀盘的速率和减速度作为活动界限条件,使用 ANSYS/LS—DYNA 软件构建泵阀的三维模子,模仿阀盘打击阀座的历程。按泵阀的实践尺寸创建泵阀全体模子,省略密封圈,依据钻并泵阀实践工况设置质料属性及多少束缚条件,接纳 8 结点六面体单位举行网格化分别,创建模子,剖视图如图 l 所示。

钻井泵阀寿命剖析图1
图 1 泵阀三维模子剖视图

使用动力学实际剖析处置碰撞、滑动打仗界面题目,失掉锥角 45 °、7 #阀阀盘在闭合阶段发生最大部分应力时的应力散布图,如图 2。

钻井泵阀寿命剖析图2
图 2 阀盘应力散布图

由图 2 失掉阀盘在打击阀座的历程中,发生的最大部分会合应力为 0.955×109Pa,从而可知泵阀锥面下端应力会合地区接受的脉动循环载荷 0.955×109Pa,周期为 0.5s(泵阀的冲次为 120 次/min),如图 3。

钻井泵阀寿命剖析图3
图 3 锥面下端应力会合地区受力情势

在脉动循环应力作用下,锥面下端应力会合地区更易构成委顿裂纹,使泵阀的委顿强度明显低落,这一点与阀座生效的微观形貌中锥面下部产生严峻塑性变形的征象完全符合。可见,泵阀打击时应力会合惹起的打击委顿是泵阀生效的次要缘故原由。

本文接纳三维多少实体模子取代文献中的二维立体模子,将种种范例动力载荷施加到布局模子的特定受载局部,模仿真实碰撞历程。使用 ANSY/LS—DYNA 软件有限元显式非线性动力剖析求解步伐,盘算失掉愈加准确的应力解,而且对应力散布的方位有愈加直观的了解。

2 泵阀质料的S-N曲线

钻井泵阀的制造质料普遍接纳40Cr钢,40Cr钢属低合金中碳布局钢,经调质处置后,具有可塑性好、委顿强度高、缺口敏理性低、高温打击韧性优秀等特征。力学功能见表1。

表1 泵阀质料40Cr钢调质处置态力学功能
σb/MPa σ0.2/MPa δs/% ψ%
1080
950
18.0
58.0

文献给出了 40Cr 钢平滑试样在 105~1010 循环周次范畴内的委顿寿命(S-N)曲线,如图 4 所示。

钻井泵阀寿命剖析图4
图4 40Cr钢S-N曲线

在 105~108周次范畴内,委顿曲线可用 Basquin 方程式形貌:

钻井泵阀寿命剖析公式1

式中σa——委顿载荷应力幅;
Nf——σa作用下产生委顿毁坏时的载荷循环周次;
σ'f——委顿强度系数;
b——委顿强度指数或 Basquin 指数。

将实行后果拟合失掉 40Cr 钢 S-N 曲线的 Basquin 方程为:

σa﹣¹=2431×(2Nf-0.0998 (2)

式中 σa﹣¹——对称循环委顿载荷应力幅。

在对称循环条件下:

σ-1a﹣¹ (3)

式中 σ-1——对称循环极限应力。

把式(3)代入式(2)失掉 40Cr 钢的对称循环极限应力与该应力下产生委顿毁坏时的循环周次之间的干系式:

σ-1=2431×(2Nf-0.0998 (4)

由式(4)可得 40Cr 钢试样条件委顿极限寿命图,如图5所示。

钻井泵阀寿命剖析图5
图 5 条件委顿极限寿命图

3 泵阀委顿寿命曲线

Peterson 依据少量的实行数据,失掉在蠕变温度以下,形貌接受交变载荷机器零件的交变应力幅、均匀应力与质料机器功能干系的方程:

钻井泵阀寿命剖析公式2

式中 σa——交变应力幅;
σm——均匀应力;
σb——质料抗拉强度。

质料在差别对称循环极限应力作用下,都有σm=0,代入式(5)得:σa-1,切合对称循环应力的特征。在脉动循环条件下,脉动循环极限应力 σ0与脉动循环委顿载荷应力幅 σa0、均匀应力 σm之间干系式为:

钻井泵阀公式3

代入式(5)中可得质料在统一寿命下所对应的脉动循环极限应力与对称循环极限应力的干系式为:

钻井泵阀公式4

式中 σ0——脉动循环极限应力。

由式(4)与式(7)可得质料产生委顿毁坏时的循环周次与对应的脉动循环极限应力的干系式:

钻井泵阀公式5

从而失掉泵阀在脉动循环应力作用下的委顿寿命曲线,如图6。

钻井泵阀寿命剖析图6
图 6 泵阀委顿寿命图

4 泵阀寿命剖析

阀盘在打击阀座的历程中,所接受最大部分会合0.955×109Pa。依据泵阀委顿寿命曲线,对应的脉动循环周次为 2.1×105,即泵阀的利用寿命约为 25h~30h。由于以上简化模子求解时疏忽了实践工况中存在的两个要素,因而得出的后果与实践泵阀寿命大概略有收支。现对这两要素剖析如下:

一方面,在泵阀封闭阶段简化模子和泵阀打击历程有限元动力学模子中以为,阀盘在高度 5.6mm处,由于壮大压力推进疾速着落,从而完全疏忽水力摩阻和导轨摩阻。在此阶段阀盘受力均衡方程中,由于阻力疏忽,求出阀盘着落时的速率与减速度比实践状况下的速率与减速度大。在实践工况下,阀盘从最高地位到与阀座打仗,工夫极短。阀盘活动下方的液体遭到紧缩变得绝对浓厚(密度增大),而阀盘上方的液体又会变得绝对淡薄(密度减小),液领会由浓厚的地偏向淡薄的地方活动,由于疾速活动的阀盘上方发生了液体淡薄地区,阀盘下方的液体就会尽力绕过阀盘向阀盘上方活动,并动员周围的液体疾速弥补这一地区,如许便构成了流体涡旋。有涡旋的地方液体活动减速,压强会进一步减小,因而,关于疾速活动的阀盘,下方遭到的液体压强远宏大于上方涡旋处的压强,上下压强差对阀盘发生了一个向上的阻力,这个阻力跟涡旋有关,界说为涡旋阻力。在流体中活动的阀盘所受的阻力包罗摩擦阻力和涡旋阻力,涡旋阻力要比摩擦阻力大得多,以是在求解时不叮疏忽。

另一方面,在 ANSYS 模仿时也并未思索密封圈的缓冲作用。密封圈事情锥面的锥度一样平常与阀盘(或阀座)锥度相反,并且前者突出于阀盘锥面以外。如许当阀盘着落时,密封圈起首与阀座打仗,对阀盘与阀座金属面之间发生的刚性打仗起缓冲作用。同时,由于密封圈起首与阀座打仗,在阀盘与阀座之间密封液体,如许在阀盘与阀座金属尚未打仗之前便在金属间构成“液垫”,从而可以增加阀最初封闭时的打击。

综上剖析可知,模仿求出的会合应力与实践有肯定差距。为了使后果更靠近于实践数据,可在该模子求出的应力底子上,再乘一个思索实践阻力弛缓冲的折减系数,该系数可经过实行丈量得出。假定阻力折减系数为φf,缓冲折减系数为φt,则总折减系数φ=φf×φt,实践应力σ=φ×σˊ(σˊ为实际应力),然后参照泵阀委顿寿命图,可以求得泵阀的利用寿命。必要夸大的是,用实际应力得出的泵阀寿命具有肯定的宁静余量,可以为现场职员实时改换泵阀提供参考。

5 泵阀的改良步伐

从图 2 上可以看到阀盘下锥角部位出现出最大应力地区。缘故原由次要是阀盘与阀座打击闭适时,阀盘锥面与阀座打仗,接受打击载荷,在锥面 与阀盘底部过渡处布局尺寸急剧变革发生应力会合。应力会合使部分地区的应力值凌驾了质料按预定寿命所能接受的应力程度,由此萌发裂纹。委顿源系在应力会合较大的尖角根部萌发,并向芯部扩展,以是泵阀次要从锥角与阀盘底部改良。在泵阀别的布局及功能稳定的情况下,为了增加应力会合,底面设计为圆弧型,并与锥面接纳光滑油滑过渡(此时圆弧半径为 88.54mm)。泵阀改良前后的零件图如图 6 所示。

对改良后的泵阀做 ANSYS/LS—DYNA 三维静态模仿剖析,创建模子,剖视图如图 7。

钻井泵阀寿命剖析图7
图 7 泵阀改良前后布局图

失掉阀盘在闭合阶段发生最大部分应力时的应力散布图,如图 8。

钻井泵阀寿命剖析图8
图 8 改良后泵阀三维模子剖视图

由图 8 可知,最大部分应力呈现在锥角偏上方,为 0.834×109Pa,比原来泵阀接受的最大应力 0.955×109Pa 减小了 12.67%。将求出的应力代入泵阀委顿寿命图 6,失掉泵阀的寿命为 210h~320h。布局改良后,泵阀的寿命大大进步。

别的,改良后的阀体在流体中活动时还能无效地减小水力摩阻,减缓流体中磨砺性物质对底部及锥面的冲蚀磨损,阀盘落在阀座上时的密封结果也有所改进。

6 结论

(1)使用 ANSYS/LS—DYNA 软件对阀盘打击阀座做三维实体静态模仿,失掉打击历程中泵阀发生最大部分应力时的应力散布图,剖析阀盘下锥角处应力会合的受力情势与水平。

(2)针对钻井泵阀的打击委顿毁坏,经过剖析泵阀质料在对称循环应力下的条件委顿极限,失掉泵阀在脉动循环载荷作用下的委顿寿命曲线。根据此曲线,校核由泵阀封闭阶段简化模子和泵阀打击历程有限元动力学模子求出的最大会合应力,预算泵阀的利用寿命。

(3)提出一种可低落应力会合的泵阀布局改良方案,从基本上减缓泵阀的打击委顿毁坏,对引导泵阀设计,进一步延伸泵阀的利用寿命有肯定的参考代价。


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