趙 毅

(東北石油大學機械科學與工程學院,黑龍江大慶163318) *

G LB120-27型螺桿泵三維模型舉升壓力分析

趙 毅

(東北石油大學機械科學與工程學院,黑龍江大慶163318)*

對 GLB120-27型螺桿泵半導程三維模型進行有限元計算,明確該型螺桿泵舉升油液時的泄漏區(qū)位于密封螺旋帶。通過對泄漏區(qū)進行三維模型壓力傳遞規(guī)律的分析,確定了理論揚程;通過水力特性現(xiàn)場試驗,驗證了有限元模擬結(jié)果的正確性。

三維模型;螺桿泵;壓力傳遞;有限元

采油螺桿泵以占地面積小、節(jié)能效率高、流量穩(wěn)定等優(yōu)點被油田所采用。目前,有關采油螺桿泵內(nèi)部壓力的研究主要集中在靜力學的研究[1-3],其內(nèi)部壓力分布及傳遞規(guī)律的研究主要基于平面模型利用有限元方法進行分析[4]。本文用有限元軟件ANSYS11.0對GLB120-27型采油螺桿泵三維有限元模型進行舉升壓力的研究。

1 泄漏位置的確定

在實際工況條件下,采油螺桿泵油液的舉升傳遞與各腔室之間油液的泄漏竄流是同時存在的,并且泄漏與定、轉(zhuǎn)子間的密封狀況有關。工作時隨著油管內(nèi)油液的增多,腔室的壓力也逐漸增加,相鄰腔室之間的壓差也隨之加大。當相鄰腔室之間逐漸增大的壓差大于密封帶接觸壓力時,便發(fā)生油液的泄漏,此時密封帶上的接觸壓力即為密封與泄漏的臨界接觸壓力。

半導程采油螺桿泵三維有限元模型密封帶如圖1。對低壓腔室施加0 MPa壓力,高壓腔室分別施加0、0.60、0.67、0.68 MPa壓力,應用有限元分析軟件ANSYS11.0進行分析計算,限于篇幅僅列出壓差為0.68 MPa的有限元計算結(jié)果云圖,如圖2。

圖1 采油螺桿泵密封帶有限元網(wǎng)格

圖2 0～0.68 MPa壓力條件下密封帶及其細節(jié)云圖

由于半圓處密封壓力整體上要大于螺旋帶的密封壓力[5],所以僅以密封壓力較小的螺旋帶作為研究對象。由圖2可以看出,密封帶上接觸壓力的分布狀況在其橫向大致呈中間大,邊緣小的趨勢,因此螺旋帶橫向中間節(jié)點的接觸壓力大于邊緣節(jié)點的接觸壓力;圓圈內(nèi)密封帶的接觸壓力低于密封帶整體的接觸壓力,該區(qū)域是密封帶上密封的薄弱環(huán)節(jié),一旦發(fā)生油液泄漏,將首先從該區(qū)域開始。

分別沿螺旋帶1和螺旋帶2縱向上提取各個中間節(jié)點接觸壓力的變化數(shù)值,如表1～2。對表1～2的數(shù)據(jù)進行分析可確定密封帶的泄漏位置。

1) 隨著壓差的不斷增加,節(jié)點上的接觸壓力整體隨之減小。

2) 根據(jù)采油螺桿泵橡膠的密封準則[6],當相鄰壓差大于接觸壓力時,油液發(fā)生泄漏竄流現(xiàn)象。隨著壓差的不斷增大,這一現(xiàn)象首先發(fā)生在螺旋帶1上由連續(xù)節(jié)點6207、6208和6209組成的連續(xù)區(qū)域,這些節(jié)點恰好位于圖2中所選定的密封帶密封的薄弱環(huán)節(jié)。由此可知,該區(qū)域為泄漏區(qū)域。

假設連續(xù)2個有限元網(wǎng)格(連續(xù)3個節(jié)點)的寬度可以讓油液泄漏,即,當圖2中螺旋帶薄弱環(huán)節(jié)的寬度達到4～7 mm時,如果相鄰腔室的壓差大于密封帶上的接觸壓力,腔室內(nèi)的油液開始發(fā)生泄漏。因此,建立的有限元模型節(jié)點號6207、6208和6209為研究的重點節(jié)點,其對應的區(qū)域為該型采油螺桿泵泄漏的主要區(qū)域。

表1 螺旋帶1上節(jié)點接觸壓力 MPa

表2 螺旋帶2上節(jié)點接觸壓力 MPa

2 三維有限元模型壓力傳遞規(guī)律

2.1 有限元計算

對低壓腔室分別施加0、3、5、7、10 MPa壓力,相應的高壓腔室內(nèi)壓力不斷增加,經(jīng)過有限元計算,分別得出不同內(nèi)壓力、不同壓差對應的接觸壓力。將確定的密封帶泄漏位置沿密封帶縱向?qū)Ρ裙?jié)點接觸壓力數(shù)值,選取節(jié)點號為6208的節(jié)點進行分析,計算數(shù)據(jù)如表3～7。

表3 低壓腔室0 MPa密封帶接觸壓力有限元計算數(shù)據(jù) MPa

表4 低壓腔室3 MPa密封帶接觸壓力有限元計算數(shù)據(jù) MPa

表5 低壓腔室5 MPa密封帶接觸壓力有限元計算數(shù)據(jù) MPa

表6 低壓腔室7 MPa密封帶接觸壓力有限元計算數(shù)據(jù) MPa

表7 低壓腔室10 MPa密封帶接觸壓力有限元計算數(shù)據(jù) MPa

2.2 計算結(jié)果分析

以低壓腔室內(nèi)壓力為3 MPa模型為例,臨界接觸壓力值如表4?？梢钥闯?當高壓腔室內(nèi)壓力不斷增加時,相鄰腔室之間的壓差隨之增大,密封帶的接觸壓力隨之減小;當相鄰腔室之間的壓差≤0.55 MPa時,相應的接觸壓力大于壓差;當相鄰腔室之間的壓差>0.55 MPa達到0.56 MPa時,相應的接觸壓力小于壓差。當相鄰腔室之間的壓差小于接觸壓力時密封;當相鄰腔室之間的壓差大于接觸壓力時油液發(fā)生泄漏竄流。由此可知,在低壓腔室內(nèi)壓力為3 MPa時,高壓腔室內(nèi)壓力<3.55 MPa密封,高壓腔室內(nèi)壓力>3.55 MPa時油液發(fā)生泄漏竄流。因此,此時高壓腔室的內(nèi)壓力為低壓腔室壓力在3 MPa時的臨界內(nèi)壓力,其值為3.55 MPa,此時的臨界接觸壓力是0.55 MPa。同理可以得到低壓腔室在不同內(nèi)壓力條件下的臨界接觸壓力值,如表8。

表8 G LB120-27型螺桿泵臨界接觸壓力值 MPa

3 建立三維有限元模型壓力場

根據(jù)螺桿泵壓力場分布規(guī)律[3],用 MATLAB7.6對低壓腔室壓力為0、3、5、7、10 MPa時相應的臨界接觸壓力進行多項式擬合,擬合多項式為

y=-9.75×10-4x2-3.49×10-2x+0.67(1)式中,x為低壓腔室內(nèi)壓力,MPa;y為臨界接觸壓力,MPa。

由此得到低壓腔室內(nèi)壓力與臨界接觸壓力之間的變化趨勢曲線,如圖3。

圖3 低壓腔室內(nèi)壓力隨臨界接觸壓力變化趨勢

假設 GLB120-27型螺桿泵吸入端壓力為0 MPa,吸入端腔室為0#腔室,建立其壓力場分布模式。

1) 吸入端壓力0 MPa,則0#腔室的內(nèi)壓力為0 MPa。

2) 根據(jù)腔室內(nèi)壓力與臨界接觸壓力的相關變化趨勢可知,當?shù)蛪?#腔室內(nèi)壓力為0 MPa時,由式(1)得到臨界接觸壓力為0.67 MPa,因此1#腔室內(nèi)壓力為0.67 MPa。

3) 再根據(jù)此變化趨勢可知,當?shù)蛪?#腔室內(nèi)壓力為0.67 MPa時,由式(1)得到臨界接觸壓力為0.64 MPa,因此2#腔室內(nèi)壓力為1.31 MPa。

4) 再次根據(jù)此變化趨勢可知,當?shù)蛪?#腔室內(nèi)壓力為1.31 MPa時,由式(1)得到臨界接觸壓力為0.63 MPa,因此3#腔室內(nèi)壓力為1.94 MPa。

依次類推。

結(jié)合壓力場分布模式得到 GLB120-27型螺桿泵壓力場分布,如表9。因此,該采油螺桿泵的最高泵壓為10.77 MPa。

表9 G LB120-27型螺桿泵壓力場分布 MPa

4 試驗現(xiàn)場

在現(xiàn)場對 GLB120-27型螺桿泵進行水力特性的檢測試驗,得出設定轉(zhuǎn)速為100 r/min時相應的試驗數(shù)據(jù)如表10,水力特性試驗曲線如圖4。

表10 G LB120-27型螺桿泵性能現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

圖4 GLB120-27型采油螺桿泵水力特性試驗曲線

由表10和圖4可以看出,隨著出口壓力的升高,總效率先升高后降低,最大總效率75%;容積效率逐漸下降,在壓力為10.5MPa時出現(xiàn)拐點,相對容積效率下降明顯。

石油行業(yè)標準SY5549—1992規(guī)定,在額定工作壓力下試驗泵的容積效率為60%～90%,總效率不低于60%。因此 GLB120-27型螺桿泵在對應轉(zhuǎn)速下的最高泵壓為10.50 MPa。將 GLB120-27型螺桿泵舉升壓力有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果相比較,誤差為2.62%,驗證了 GLB120-27型螺桿泵壓力場有限元模擬結(jié)果的合理性。

5 結(jié)論

1) 通過采油螺桿泵三維模型有限元分析,確定其泄漏位置在密封帶上。

2) 根據(jù)采油螺桿泵密封與泄漏的關系,給出GLB120-27型采油螺桿泵三維模型的壓力傳遞規(guī)律。

3) 通過該泵水力特性試驗,驗證了壓力傳遞規(guī)律及有限元模擬結(jié)果的正確性。

[1] 葉衛(wèi)東,宋玉杰,韓道權,等.單螺桿泵定子有限元分析[J].石油礦場機械,2008,37(4):42-44.

[2] 韓國有,趙 毅,杜秀華.采油螺桿泵三維有限元模型分析[J].東北石油大學學報,2010,34(5):110-113.

[3] 何 艷.螺桿泵定子受力及變形規(guī)律分析[J].油氣田地面工程,2009,28(8):18-19.

[4] 葉衛(wèi)東,郭玉雙,杜秀華,等.螺桿泵內(nèi)部壓力分布規(guī)律研究[J].科學技術與工程,2009,9(11):3 069-3 072.

[5] 任全彬,蔡體敏,王榮橋,等.橡膠O形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和失效準則研究[J].固體火箭技術,2006,29(1): 9-14.

[6] 杜秀華.采油螺桿泵磨損失效機理研究[D].大慶.大慶石油學院,2010.

Lifting Pressure Analysis of 3D Model on G LB120-27 Screw Pump

ZHAO Yi
(College of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing163318,China)

Half-lead 3D model of GLB120-27 has been calculated by Finite element method.The leak field of oil extraction progressing cavity pump is on a sealing spiral belt when oil is lifted by PCP.The theory head of GLB120-27 has been defined by studying the pressure transfer law of 3D model on the leak field.The finite element simulation results are correct by the oil extraction PCP hydraulic characteristics test.

3D model;screw pump;pressure transfer;finite element

1001-3482(2011)07-0009-04

TE933.3

A

2011-01-14

趙 毅(1983-),男,黑龍江寧安人,碩士研究生,研究方向為機械采油系統(tǒng)工程及節(jié)能技術,E-mail: zhaoyi211@126.com。