摘要：壓裂泵液力端閥箱內(nèi)腔在加工完成后會(huì)自然形成相貫線，該相貫線位置存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中問題。這些位置也是液力端閥箱常見的開裂位置，雖然通過相貫線倒圓角的方式可以減小應(yīng)力集中程度，但是應(yīng)力減小的幅度不是十分明顯。針對(duì)此問題，通過有限元仿真對(duì)比的方式進(jìn)行了閥箱內(nèi)腔優(yōu)化研究，提出了減小閥箱內(nèi)腔應(yīng)力集中程度的技術(shù)方案，同時(shí)提出了應(yīng)用該方案時(shí)應(yīng)注意的一些問題。研究結(jié)果對(duì)于提高壓裂泵液力端使用壽命及優(yōu)化壓裂泵液力端設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：壓裂泵；閥箱；相貫線；應(yīng)力集中；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TE934.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.007

Optimization Study on Intracavity Structure of Fracturing Pump Fluid End

CHEN Tao1，LU Yixin1，ZHANG Changchun2， ZHAO Chongsheng3 ，WANG Xin4

（1. Shanghai Qinghe Machinery Co.， Ltd.， Shanghai 201802 ，China; 2. Jilin Oitfield Engineering

Technology Service Company， Songyuan 138000，China; 3. Honghua Group ， Chengdu 610037，China ;

4. Haimo Subsea Technology （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201306 ，China ）

Abstract：The intersection line will be generated at the intracavity structure of the fracturing pump fluid end after machining. There is a serious stress concentration at the intersection line， which is also a common crack location of the fracturing pump fluid end. Although the chamfers can reduce stress concentration to a certain degree however it is not obvious. Aiming at this problem， the optimization of the intracavity structure of the fracturing pump fluid end was studied by means of finite element simulation and comparison， and a technology program to effectively reduce the stress concentration in the intracavity structure of the fracturing pump fluid end was proposed， and problems that should be paid attention to when applying technology were put forward. The results provide applicable guidance to increase service life and optimum design of fracturing pump fluid end.

Key words：fracturing pump;valve pot; intersecting line; concentration of stresses; optimization

隨著非常規(guī)油氣開采技術(shù)的發(fā)展，高壓井、深井的數(shù)量逐漸增多，高壓柱塞泵液力端承受的壓力也隨之提高，苛刻的高壓條件導(dǎo)致閥箱的使用壽命減少［1-6］。液力端的閥箱屬于高值易損件，有效提高閥箱的使用壽命有著極其重要的意義。

隨著施工工況的變化，閥箱材料已經(jīng)從碳鋼發(fā)展到了不銹鋼。目前大部分液力端閥箱材料使用17-4PH或者15-5PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼。不同的施工工況對(duì)于閥箱的使用壽命影響較大，主要受到施工壓力、酸比以及砂比等因素影響，采用馬氏體沉淀硬化型不銹鋼的閥箱使用壽命是一般碳鋼材料閥箱壽命的2～5倍。不論采用何種材料，閥箱在結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的情況下常見開裂失效位置和原理是一致的，也就是在內(nèi)腔應(yīng)力集中位置發(fā)生的腐蝕疲勞失效。

液力端閥箱的失效形式為典型的疲勞失效。為了延長(zhǎng)使用壽命，常采用的方式主要有［6-11］：①使用疲勞強(qiáng)度更好的材料，比如碳鋼升級(jí)為不銹鋼；②表面處理，比如氮化處理等，提高內(nèi)腔表面的抗腐蝕、沖擊能力；③自增強(qiáng)處理，比如超高壓自增強(qiáng)，或者滾壓處理，在受力表面形成壓應(yīng)力。以上措施都可以在一定程度上延長(zhǎng)液力端閥箱的壽命，但是關(guān)于液力端閥箱內(nèi)腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于閥箱使用壽命的關(guān)注卻非常之少。本文通過有限元仿真對(duì)比、驗(yàn)證的方式進(jìn)行了閥箱內(nèi)腔優(yōu)化的研究，提出了有效減小閥箱內(nèi)腔易開裂位置應(yīng)力集中程度的技術(shù)方案，同時(shí)提出了應(yīng)用該方案時(shí)應(yīng)注意的一些問題，可為壓裂泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。1 工作狀態(tài)下閥箱內(nèi)腔有限元分析以某型號(hào)壓裂泵液力端閥箱為例，使用有限元分析工具進(jìn)行工作狀態(tài)分析，當(dāng)網(wǎng)格尺寸減小為8 mm時(shí)，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果已基本穩(wěn)定，其與網(wǎng)格尺寸為10 mm時(shí)的結(jié)果差異主要是由于網(wǎng)格尺寸不同帶來的計(jì)算積分點(diǎn)的不同，所以可以認(rèn)為網(wǎng)格尺寸為8 mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂。以下分析結(jié)果的網(wǎng)格尺寸均為8 mm。

在140 MPa的工作壓力下閥箱內(nèi)腔的應(yīng)內(nèi)力場(chǎng)如圖1所示。

從圖1可以看出，內(nèi)腔應(yīng)力集中點(diǎn)主要在相貫線4處位置，即，如圖1所示的A、B、C、D處。事實(shí)上液力端閥箱常見的閥箱失效開裂位置與有限元分析應(yīng)力集中位置相符合［11-14］，如圖2所示。

2相貫線倒角半徑值對(duì)于應(yīng)力集中的影響

以某型號(hào)壓裂泵液力端閥箱為研究對(duì)象，常見的液力端閥箱內(nèi)腔相貫線倒圓角后形狀如圖3所示。圖3中標(biāo)注的R為加工中形成的相貫線倒圓角的半徑值，具體R值各個(gè)生產(chǎn)廠家加工的不盡相同，但是對(duì)相貫線進(jìn)行倒圓角后會(huì)有效地改善液力端閥箱內(nèi)腔應(yīng)力集中程度，這是行業(yè)內(nèi)所公認(rèn)的。為研究相貫線倒圓角半徑值變化對(duì)于閥箱內(nèi)腔應(yīng)力集中程度的影響，分別以倒角半徑R數(shù)值為0 （不處理）、3、5、8、10、12、14 mm建立閥箱模型，在相同受力狀態(tài)下對(duì)閥箱進(jìn)行有限元分析，得到數(shù)據(jù)整理后如表1所示。

由表1可看出，液力端閥箱相貫線只要進(jìn)行倒圓角處理，4個(gè)位置的應(yīng)力集中程度都會(huì)降低，總的趨勢(shì)是隨著圓角半徑的增加，4個(gè)位置的應(yīng)力集中程度會(huì)在一定程度上較小，但是隨著圓角半徑的增加，應(yīng)力減少的趨勢(shì)明顯變緩。總的來說液力端閥箱相貫線倒圓角可以在一定程度上減小A、B、C、D 4處的應(yīng)力集中程度，但是減小的程度有限。

3閥箱內(nèi)腔結(jié)構(gòu)變化的研究

既然相貫線圓角半徑的變化對(duì)A、B、C、D 4處的應(yīng)力集中程度影響有限，考慮通過對(duì)閥箱內(nèi)腔的再加工，形成新的相貫線，如果新生成的空間曲線長(zhǎng)度、走向發(fā)生改變，即，走向、長(zhǎng)度明顯不同于原相貫線，那么應(yīng)該能起到分散應(yīng)力集中的作用。

考慮內(nèi)腔的可加工性，在不影響閥箱使用安全和配件安裝的前提下，在已形成相貫線的液力端閥箱內(nèi)腔中加工一些幾何形狀，分別為圓柱體和球體。相貫線添加幾何形狀后的內(nèi)腔如圖4～5所示。

使用有限元分析工具對(duì)原模型、內(nèi)腔添加圓柱體模型、內(nèi)腔添加球體模型進(jìn)行有限元分析，3者分析過程中的載荷、約束條件完全一致，當(dāng)網(wǎng)格尺寸減小為8 mm時(shí)，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果已基本穩(wěn)定。所以可以認(rèn)為網(wǎng)格尺寸為8 mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂。網(wǎng)格尺寸均為8 mm，得到此模型A、B、C、D 4處位置的應(yīng)力，如表2所示。

通過有限元分析可以看出，對(duì)比原模型，在內(nèi)腔添加圓柱體模型、內(nèi)腔添加球體模型后A、B、C、D 4處的應(yīng)力減小幅度非常明顯，其中內(nèi)腔添加圓柱體后相較于原模型4處位置應(yīng)力平均減小15.41%，內(nèi)腔添加球體后相較于原模型4處位置應(yīng)力平均減小17.91%。

在有限分析過程中發(fā)現(xiàn)，在原模型內(nèi)腔加工一定的幾何形狀雖然能有效減小閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中水平，但是由于應(yīng)力在空間上的分散導(dǎo)致原本應(yīng)力集中水平較低的位置應(yīng)力集中水平反而提高。以閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置A為例，如圖6所示，圖6a為原模型A位置的應(yīng)力集中位置以及最大值位置，圖6b為內(nèi)腔形狀改變后應(yīng)力集中位置以及最大值位置，可以看出圖6b較之于圖6a高應(yīng)力分布區(qū)域擴(kuò)大，但是最大值小于原模型，總體來說內(nèi)腔形狀改變使應(yīng)力集中的峰值得到有效減小。根據(jù)疲勞開裂理論，只要應(yīng)力集中的峰值得到有效減小，那么疲勞壽命也會(huì)相應(yīng)的得到提高。

4優(yōu)化措施

在閥箱內(nèi)腔設(shè)計(jì)過程中要考慮到泵效，務(wù)必保證內(nèi)腔體積增大后不會(huì)對(duì)泵效產(chǎn)生影響。

1）在閥箱內(nèi)腔設(shè)計(jì)過程中需要考慮液力端零配件的通用性，需要對(duì)內(nèi)腔加工的幾何形狀尺寸加以控制。由于內(nèi)腔容積的增大，需要判定液力端的使用安全性。

2）在液力端閥箱內(nèi)腔加工完成后，需要對(duì)相貫線進(jìn)行倒圓角處理，包括在內(nèi)腔內(nèi)加工一定的幾何形狀后新生成的空間曲線也要進(jìn)行倒圓角處理，才能更好地發(fā)揮分散應(yīng)力集中的作用。

3）根據(jù)內(nèi)腔的優(yōu)化原理，液力端閥箱內(nèi)腔添加一定幾何形狀加工完成后需要著重對(duì)原應(yīng)力集中位置A、B、C、D 4處相鄰區(qū)域進(jìn)行打磨處理，保證表面的粗糙度要求。

4）根據(jù)機(jī)加工設(shè)備的特性、參數(shù)合理設(shè)計(jì)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，保證所設(shè)計(jì)的幾何形狀能夠加工完成。

5）經(jīng)過長(zhǎng)期對(duì)比分析，不同型號(hào)壓裂泵液力端閥箱內(nèi)腔優(yōu)化形狀不盡相同，且不一定是規(guī)則的圓柱體或者球體，加工成不規(guī)則的幾何形狀在一些模型中也能較好地減小應(yīng)力集中水平。

5結(jié)論

1）在壓裂泵液力端閥箱內(nèi)腔加工一定的幾何形狀能有效減小閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中水平，同時(shí)可兼顧液力端通用配件的安裝以及使用。一旦閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中峰值得到改善，閥箱疲勞壽命就會(huì)得到提升。

2）經(jīng)過對(duì)比，相同施工工況下，通過閥箱內(nèi)腔形狀的改造，在內(nèi)腔A、B、C、D 4個(gè)關(guān)鍵位置應(yīng)力集中峰值減小17%情況下，現(xiàn)場(chǎng)使用壽命可提高20%以上。

3）有限元分析表明，不論內(nèi)腔形狀如何改變，對(duì)于相貫線一定要進(jìn)行倒圓角處理。但是隨著圓角半徑的增加，應(yīng)力減少的趨勢(shì)明顯變緩。

4）提出了應(yīng)用該方案時(shí)應(yīng)注意的一些問題，尤其是應(yīng)力分散后對(duì)于關(guān)鍵位置周邊表面粗糙度要重點(diǎn)加以關(guān)注，對(duì)于內(nèi)腔容積變化后的泵效以及閥箱本體安全性能要進(jìn)行評(píng)估。

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