石平太 苗杰 高志文 陳露 叢國棟

摘要：針對電潛泵用泵工況下井作業(yè)出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象，應用有限元分析的方法，對泵工況的外形結(jié)構(gòu)進行應力分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的薄弱點，探求對泵工況外形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化手段。

關(guān)鍵詞：泵工況;有限元分析;應力優(yōu)化

0 ? ?引言

海洋石油工業(yè)和陸地石油工業(yè)不同，在開采的過程中，用到的舉升設(shè)備一般為電潛泵而不是磕頭機，電潛泵的使用壽命尤為重要，由于電潛泵使用工況往往為數(shù)千米的深井內(nèi)，平時運行中難以得知電潛泵的實際運行情況。井下監(jiān)測設(shè)備一般有鋼絲繩、井底壓力計和泵工況三種監(jiān)測的形式，其中泵工況能同時測得多種數(shù)據(jù)，且測得數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定能保證可靠運行。在下入電潛泵的過程中，由于泵工況為電潛泵的最底端，在下入過程中，由于套管壁、油井狗腿度的影響，經(jīng)常容易發(fā)生磕碰，損壞的現(xiàn)象，本文針對電潛泵用泵工況下井作業(yè)出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象，應用有限元分析的方法，對泵工況的外形結(jié)構(gòu)進行應力分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的薄弱點，探求對泵工況外形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化手段。

1 ? ?有限元分析

有限元是近年來廣泛應用在產(chǎn)品設(shè)計驗證、結(jié)果分析中的技術(shù)手段，其將三維模型或待設(shè)計的運算對象劃分為有限多個小的單元模塊，通過計算各個單元模塊在應力場、流體場中的受力情況，對結(jié)果進行統(tǒng)一擬合，從而獲得最接近真實情況的分析模擬計算數(shù)據(jù)。常用的有限元分析軟件有ANSYS、Solidworks等，本文將以Solidworks為例，對泵工況外形結(jié)構(gòu)進行分析。

泵工況外殼往往由套筒和法蘭頭組成，與機組的固定方式為法蘭頭上的法蘭盤掛裝。在油井斜度較大時，受到的力主要為側(cè)向力，故將模型的法蘭盤進行固定，模型上加載偏心的側(cè)向力。

由于海洋平臺油井的應用環(huán)境，泵工況往往采用防腐材質(zhì)，一般以2Cr13居多。根據(jù)材料力學手冊，2Cr13的屈服強度為440 MPa，故在Solidworks中建立好產(chǎn)品模型后，在材質(zhì)選型中，選取Solidworks模型庫中最為接近的AISI 4130鋼，材質(zhì)庫及相關(guān)物理性質(zhì)如圖1所示。

設(shè)置相觸面組后，根據(jù)海洋平臺的實際使用情況，在夾具設(shè)置中對法蘭盤進行緊固，使法蘭盤基面及一圈安裝孔在分析過程中不會因外力而產(chǎn)生飄移，夾具設(shè)置如圖2所示。

根據(jù)電潛泵機組在井口下入時的實際工況，容易發(fā)生套管與泵工況之間的撞擊，該情況下受力為側(cè)向受力，故在泵工況下端施加水平力，初步設(shè)定為4 000 N。該位置的受力與實際機組下入時的受力情況較為吻合，同時該點與法蘭盤緊固點距離較遠，產(chǎn)生的力矩也為泵工況產(chǎn)品上最大距離，分析方案較為可靠。外部載荷設(shè)置及與緊固點的相對距離如圖3所示。

劃分網(wǎng)格后進行應力分析，網(wǎng)格劃分結(jié)果及應力分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

2 ? ?分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

通過分析結(jié)果可以看出，在泵工況上，主要發(fā)生應力集中的點為法蘭盤盤口下方及套筒側(cè)壁處，因此可采取的結(jié)構(gòu)應力優(yōu)化手段可以有：

（1）在法蘭盤盤口下方增加倒角，消除應力集中;

（2）增厚套筒壁，同時由于NPT接口處應力沒有明顯的集中現(xiàn)象，可以簡化加工工藝，采用直邊開槽。

3 ? ?結(jié)語

針對電潛泵用泵工況下井作業(yè)出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象，本文應用有限元分析的方法，對泵工況的外形結(jié)構(gòu)進行了應力分析，從而發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的薄弱點，在此基礎(chǔ)上對泵工況外形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化手段進行了研究，得到了有效的優(yōu)化效果。

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收稿日期：2020-02-20

作者簡介：石平太（1982—），男，甘肅靖遠人，工程師，研究方向：動態(tài)監(jiān)測。