压裂泵泵阀磨损机理研究及其有限元分析
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摘要
随着压裂工艺的广泛运用和发展，现场上要求压裂泵阀承受更高的压力，更大的冲击载荷，具有更好的综合性能，以保证在更加恶劣的工况下有较高的使用寿命。因此，在发展压裂工艺的同时，还必须对压裂泵阀进行深入的研究。
本文为提高压裂泵阀的寿命，针对GT78-1000压裂泵阀作了大量的基础性研究。详细阐述和分析了它的运动特性；根据其实际工况，通过模拟试验，研究了压裂泵阀冲击磨料磨损的磨损规律和磨损形式，并且将其与纯冲击磨损、滑动磨料磨损进行了对比；分析了压裂泵阀的冲击磨料磨损、冲蚀磨损等磨损机理；借助ANSYS有限元分析工具，对泵阀关闭状态下和冲击过程中的应力应变分布规律进行了详细分析。
最后，得出了一些有关冲击磨料磨损、压裂泵阀方面有益的结论，并提出了一些压裂泵阀选材、热处理工艺、结构设计等方面的改进措施和建议。
With the wide application and development of fracturing techniques, in the oil field fracturing pump valve requires enduring higher pressure, stronger impact load, and obtaining better comprehensive performance so that it has longer natural life in worse working condition. So it is very necessary to do some deep research on fracturing pump valve while developing fracturing techniques.
In order to prolong the natural life of fracturing pump valve, this article do much basic research work on fracturing pump value.Firstly,kinetic characteristics of fracturing pump valve are stated particularly and analysed.Through stimulated experiment based on practical working conditions,the wearing disciplinarian and forms of impact particle wear about fracturing pump valve are researched by comparing it with pure impact wear and abrasive wear.Furthermore, the wear mechanism of impact particle wear and particle erosion are analysed. In the end ,by using the fenite element analyzing tool ANSYS,the distributing law of stress and strain of fracturing pump valve at the state of closing and during the process of impact are analysed carefully.
In addition,some conclusions about impact particle wear and fracturing pump valve are drawn,and improving measures about material selection,heat treatment and structure etc are provided which are useful for maintenance of fracturing pump valve.
本文为提高压裂泵阀的寿命，针对GT78-1000压裂泵阀作了大量的基础性研究。详细阐述和分析了它的运动特性；根据其实际工况，通过模拟试验，研究了压裂泵阀冲击磨料磨损的磨损规律和磨损形式，并且将其与纯冲击磨损、滑动磨料磨损进行了对比；分析了压裂泵阀的冲击磨料磨损、冲蚀磨损等磨损机理；借助ANSYS有限元分析工具，对泵阀关闭状态下和冲击过程中的应力应变分布规律进行了详细分析。
最后，得出了一些有关冲击磨料磨损、压裂泵阀方面有益的结论，并提出了一些压裂泵阀选材、热处理工艺、结构设计等方面的改进措施和建议。
With the wide application and development of fracturing techniques, in the oil field fracturing pump valve requires enduring higher pressure, stronger impact load, and obtaining better comprehensive performance so that it has longer natural life in worse working condition. So it is very necessary to do some deep research on fracturing pump valve while developing fracturing techniques.
In order to prolong the natural life of fracturing pump valve, this article do much basic research work on fracturing pump value.Firstly,kinetic characteristics of fracturing pump valve are stated particularly and analysed.Through stimulated experiment based on practical working conditions,the wearing disciplinarian and forms of impact particle wear about fracturing pump valve are researched by comparing it with pure impact wear and abrasive wear.Furthermore, the wear mechanism of impact particle wear and particle erosion are analysed. In the end ,by using the fenite element analyzing tool ANSYS,the distributing law of stress and strain of fracturing pump valve at the state of closing and during the process of impact are analysed carefully.
In addition,some conclusions about impact particle wear and fracturing pump valve are drawn,and improving measures about material selection,heat treatment and structure etc are provided which are useful for maintenance of fracturing pump valve.
引文
[1] 万邦烈，李继志，石油矿场水利机械，石油工业出版社，1987年
[2] 石油矿场往复泵，兰州石油机械研究所，1975年
[3] 孟英峰，梁红，张仲良，往复泵泵阀运动规律与仿真，石油机械，v23，n5，p16-20，24，1995
[4] 兰州通用机器厂，影响500压裂泵易损件寿命的因素及应采取的措施，石油钻采机械，p11-17，1980
[5] 周秋莎，周锡容，压裂泵阀变形及应力分布规律的有限元法分析，石油机械，v19，n4，p39-43，1991
[6] 周锡容，周秋莎，冲击磨料磨损试验研究，第五届全国摩擦学学术会议论文集，1992
[7] 杨启明，周锡容，谯英，新型压裂泵阀材料的耐磨损性能研究，西南石油学院学报，v23，n6，2000
[8] 小野浩二，理论切削学，国防工业出版社，1987
[9] 张来斌．往复泵阀的线性动态特性分析．石油矿场机械，1991，20(30)；1-6
[10] 林福严，邵荷生，冲击角度对浆体冲蚀磨损的影响，Wear，141，1991
[11] 刘家俊，材料磨损原理及其耐磨性，清华大学出版社，196页
[12] 林福严，曲敬信，陈华辉，磨损理论与抗磨技术，科学出版社，121页
[13] 王焕庭，李茅华，余善国，机械工程材料，大连理工大学出版社，1991
[14] 曲敬信，王华明，新型高强韧性奥-贝钢及其抗冲击磨料磨损特性的研究，第五届全国金属耐磨材料学术论文选集，1990
[15] 周锡容，杨启明，摩擦磨损与润滑，石油工业出版社，1996
[16] 李庆扬，王能潮，易大义，数值分析，华中理工大学出版社，1982
[17] 邵萌生，张清，金属材料的磨料磨损与耐磨材料，机械工业出版社，1987
[18] 庄懋年、马晓士、蒋潞，工程塑性力学，高等教育出版社，1992
[19] 刘鸿文，材料力学，高等教育出版社，1993
[20] [美] M.B.彼得森，W.D.怀纳，磨损控制手册，机械工业出版社，1987
[21] 郭福星，戴建华，概率论与数理统计，上海科学技术出版社，1990
[22] 磨损失效分析案例编委会，磨损失效分析案例汇集，机械工业出版社，1985
[23] 华东石油学院矿机教研室主编，石油钻采机械，石油工业出版社，1982
[23] 朱俊华，战长松，往复泵，机械工业出版社，1991
[24] 王季勇，钻井泵泵阀失效分析与机理，石油矿场机械，V23，n1，p13-16，1994
[25] 刘有平，提高国产压裂车技术装备水平的建议，石油机械，v25，n7，1997
[26] 克拉盖尔斯基等，摩擦磨损计算原理，机械工业出版社，1982
[27] Ann Sundstrom, Wear behaviour of some low alloyed steels under combined impact/abrasion contact conditions. Wear 250(2001) 744-754.
[28] Y.I. Oka, H. Ohnog, Hosokawa, M. Mastumura, The impact angle dependence of erosion damage caused by solid partice impact. Wear 203-204(1997)573-579.
[29] Critical impact velocity in the solid particles impact erosion of metallic materials. Wear 233-235(1999)468-175.
[30] 杜建峰，黄仕成，往复泵泵阀结构改进，石油矿场机械，v30，2001．
[31] 刘有平，提高国产压裂车技术装备水平的建议，石油机械，25，n7，1997．
[32] 罗安贤，齐树敏，杨启明，优质压裂泵泵阀分析，西南石油学院学报，n3，v14，1992
[33] 郑华毅，金建民，陈南平，磨料磨损中疲劳机制研究，清华大学学报，v27，n1，1987
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