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上海方工閥門制造有限公司
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應(yīng)用領(lǐng)域
【上海方工】解讀鉆井泵閥工況使用壽命的幾點(diǎn)問題
來源:http://m.ikaoke.com/news.html | 作者:上海閥門新聞 | 發(fā)布時(shí)間: 54天前 | 483 次瀏覽 | 分享到:
本研究通過ANSYS/LS—DYNA軟件構(gòu)建鉆井泵閥的三維實(shí)體模型,模擬閥盤沖擊閥座的過程,分析脈動循環(huán)應(yīng)力對泵閥疲勞破壞的影響。研究發(fā)現(xiàn),沖擊疲勞破壞是泵閥失效的主要機(jī)理,應(yīng)力集中區(qū)域承受的脈動循環(huán)載荷顯著降低泵閥的疲勞強(qiáng)度。通過泵閥疲勞壽命曲線,估算泵閥的使用壽命約為25h~30h。提出一種泵閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案,通過圓弧型底面和圓滑過渡設(shè)計(jì),有效減緩應(yīng)力集中,將泵閥壽命提高至210h~320h,具有重要的實(shí)用價(jià)值。

摘要:通過對鉆井泵閥疲勞壽命的研究,進(jìn)一步闡明泵閥失效的主要機(jī)理。利用 ANSYS/LS—DYNA 軟件構(gòu)建泵閥三維實(shí)體模型,模擬閥盤沖擊閥座的過程,得到閥盤受力分布圖,據(jù)此分析脈動循環(huán)應(yīng)力對泵閥疲勞破壞的影響。該分析著重考慮了在交變載荷作用下應(yīng)力集中對加速泵閥失效所帶來的危害性,完善了泵閥的無沖擊理論。依據(jù)泵閥疲勞壽命曲線,對泵閥使用壽命進(jìn)行估算,并提出一種泵閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)的新方案,在一定程度上有效減緩了應(yīng)力集中,對延長泵閥使用壽命具有重要的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:鉆井泵閥;脈動循環(huán)應(yīng)力;應(yīng)力集中;疲勞壽命

泵閥是鉆井泵的關(guān)鍵部件和易損件之一,其設(shè)計(jì)好壞直接影響到泵的工作性能和使用壽命。一方面,要提高泵閥接觸表面耐沖蝕的能力,就必然要增加接觸面的表面硬度,而硬度過高又會削弱耐沖擊的性能。另一方面,要提高材料抗沖擊載荷的能力,就必須保證材料有較高的韌性,相應(yīng)的硬度又會受影響。此外,盡管泵閥的綜合性能好,但在不同工況條件下,各種性能并不會同時(shí)發(fā)揮作用,且泵閥的加工成本也會相應(yīng)提高。因此,研究泵閥的失效機(jī)理對泵閥的設(shè)計(jì)制造具有重要的指導(dǎo)作用。

一般而言,造成鉆井泵閥失效的原因有沖擊疲勞破壞和沖蝕磨礪磨損(液力磨礪性磨損)兩種。然而通過對礦場報(bào)廢的鉆井泵閥宏觀和微觀形貌分析表明,沖擊疲勞破壞是泵閥失效的主要機(jī)理,因此在泵閥設(shè)計(jì)時(shí),要重點(diǎn)考慮泵閥材料的抗沖擊疲勞性能及由零件的局部應(yīng)力狀態(tài)確定的疲勞強(qiáng)度。

本文依據(jù)泵閥在關(guān)閉階段的簡化模型和泵閥沖擊過程的有限元動力學(xué)模型,重點(diǎn)研究泵閥沖擊時(shí),閥盤與閥座接觸面上產(chǎn)生應(yīng)力集中部位的受力形式及程度,并通過泵閥疲勞壽命曲線對最大應(yīng)力區(qū)進(jìn)行疲勞校核,從而估算泵閥的使用壽命。根據(jù)疲勞壽命曲線,以泵閥最弱區(qū)為對象,通過改進(jìn)泵閥的結(jié)構(gòu)以降低峰值應(yīng)力,為高效地利用泵閥提出可行性方案。

1 泵閥應(yīng)力分析

隨著活塞的往復(fù)運(yùn)動,閥盤對閥座產(chǎn)生間歇沖擊,泵閥承受沖擊載荷。接觸面上應(yīng)力由閉合瞬間到產(chǎn)生最大應(yīng)力再到泵閥開啟時(shí)刻,如此循環(huán)沖擊,可以認(rèn)定泵閥承受脈動循環(huán)應(yīng)力。

在泵閥關(guān)閉階段的簡化模型中,假定在很小的滯后高度內(nèi),閥盤受力不變,勻加速向下運(yùn)動,直至關(guān)閉。根據(jù)此模型求出泵閥關(guān)閉時(shí)刻閥盤的速度和加速度。

文獻(xiàn)中以油田大量使用的 7# 閥為例,選取錐角為 45°(錐角為錐閥母線與軸線之間的夾角),設(shè)定閥開啟時(shí)曲柄轉(zhuǎn)角φ=25°,沖次為 120 次/min,泵壓為 15MPa,在曲柄轉(zhuǎn)角φ=25°~180°之間,對鉆井泵閥阿道爾夫精確微分方程進(jìn)行數(shù)值仿真,得到閥盤的滯后高度為 0.0056m,在此處的速度為﹣0.4067m/s