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)稱的，由對(duì)稱性條件可知，該模型在在yOz平面上沒有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)開裂現(xiàn)象的部位相吻合，在機(jī)械加工過程中，應(yīng)盡量保證加工質(zhì)量，也可以通過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^程中的受力狀況極為復(fù)雜，所以在分析過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，它在泵工作過程中起著承載壓力的作用，因此凡爾座外錐面沒有軸向和徑向位移；由模型的對(duì)稱性可知，在對(duì)稱截面上沒有徑向位移。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，可通過提高凡爾座和上體局部接觸部位的局部硬度來提高泵閥的接觸應(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)械加工過程中，應(yīng)盡量保證加工質(zhì)量，也可以通過增大圓角減小應(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，可通過提高凡爾座和上體局部接觸部位的局部硬度來提高泵閥的接觸應(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)。