F-1300钻井泵液力端阀座的接触分析.pdf

石油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 ． ． 设计计算 F一1 3 0 0钻 井泵液力端 阀座 的接触分析 李洪波 曾兴昌 周天明 贾秉彦 赵永康 廖丽华 白丙建 宝鸡石油机械有限责任公司 摘要 为了延长 阀座的使用寿命 ，提高钻井效率，结合相关资料，利用有限元软件采用接触 单元对 F一1 3 0 0钻井泵阀座、阀体、液缸之 间的接触应力和静应力进行接触分析。采用轴对称单 元建立的有限元模型进行平 面分析，且将所有的面一 面接触均简化为 线． 线接触。分析结果表 明， 阀座失效的主要原因是阀座与阀体之 间中下部 的接触应力过 大及 阀座 中下部的 M i s e s应力过大； 阀座与液缸的接触应力及两者 的 Mi s e s应力都较大。要提高阀座的接触应力和抗胶合能力，应该 提高阀座与液缸和阀体接触部位的局部硬度，阀座与液缸和阀体的接触应力约7 0 M P a为宜。 关键词 F一1 3 0 0钻井泵 阀座 液缸 接触分析 有限元 目前 ，F一1 3 0 0钻井泵是各个油 田使用最多的 钻井泵 ，大约 占钻井 泵总数的 7 0 ％。钻井泵 的工 作效率直接影响着钻井 的工作效率 。然而钻井泵的 液力端阀座常常在钻完 1～ 2口井后 就因失效 而更 换 ，而且更换阀座的时间大约为 2 h ，严重影 响钻 井工作效率。为了延长阀座的使用寿命 ，提高钻井 效率 ，笔者结合相关资料 ，利用有限元软件采用接 触单元对 F一1 3 0 0钻井泵阀座进行接触分析 ，分析 阀座 、阀体 、液缸之间的接触应力和静应力的分布 状态 ，寻找阀座失效根源。 1 接触 问题 的有 限元理论分析 接触问题是一种 与状态相关 的高度非线性问 题 ，随着接触状态 的变化 ，接触刚度也发生变化。 笔者运用有限元离散法在接触面上布置接触单元 ， 整个问题的描述 采用笛卡尔坐标系 X O Y ，接 触摩 擦单元的描述采用局部坐标系 17 ,0 8 见图 1 。运用 虚位移原理可得 式 中 △ n 整体坐标系中增量节点位移矢量 ； △ F 整体坐标系中增量等效节点力矢量； △ A 局部坐标系中增量相对位移矢量 ； △∑局部坐标系中增量接触应力矢量 。 引人插值函数 Ⅳ，将单元内任一点的相对位移 和接触应力用节点相对位移及节点接触应力表示， 最后得接 触单 元节 点 接触 应 力 与节点 力 问 的关 系 为 C S A o -A F 2 S S N T N d F 3 式中C 坐标转换矩阵 ； △ 局部 坐标 系 中增量 节 点接 触 应力 矢量 。 对不同的接触状态 ，接触面上的位移和应力应 满足不同的平衡方程和连续条件。一般接触条件可 分为固定 、滑动和 自由3类。在固定状态 ，节点对 之间的相对法 向和切向位移为 0 ，即无 相对滑动 ； 在滑动状态 ，节点对之间在法 向方向仍保持固定 ， 但在切线方向产生滑动，切向剪应力超过允许剪应 力，节点对之间有相对位移 ；自由状态实际是指节 点对之间产生裂纹 ，节点对沿法向和切向方 向的接 触应力都等于 0 I 3 - 5 ] 。接触单元的几何和静力约束 方程可统一表示为 ⋯、 ， 、 接 ～ ⋯ ㈢ ㈩ _r J F T △ ∑ d f 1 式中 c 一坐 ； 2 0 1 0年第3 8卷第 5期 李洪波等F一1 3 0 0钻井泵液力端阀座的接触分析 -- 4 3-- 0 不同接触状态 下给定 的节点相对 位 移或节点接触应力矢量 。 将式 2 和式 3 合并 ，即可得到可在单元 水平上进行刚度和载荷组装的新单元 ，并可使用有 限元形函数法计算得到总刚度矩阵和总载荷向量。 2 阀总成的有限元分析 2 ． 1 有限元模型的建立 钻井泵在工作过程中，液缸 内充满钻井液 ，由 于阀座 、阀体、阀胶皮 、阀导向架等都是轴对称结 构，建立有限元模型时均可用轴对称单元模拟。根 据圣维南定理远离受力表面的力可 以忽略，将 液缸与阀座的接触部分也简化为轴对称单元 ，且采 用矩形模拟液缸。鉴于阀胶皮在工作过程中受力的 复杂性和其主要的密封作用 ，建模时将其去除。而 阀导向架工作时只起导向作用 ，并不传递力 ，故建 模时也不考虑。 笔者以 A P I 7号阀为例进行分析，阀体、阀座、 液缸三者接触的有限元模型如图 2所示。建模时因 阀座和阀体的微小 圆弧过渡部分对其受力影响较小 予以简化。另外，阀体与导向架连接部分对其受力 也无影响，建模时不予考虑。三者均可视为各 向同 性材料，其弹性模量 E 2 0 6 G P a ，泊松比 0 ． 3 。 图 2 阀体 、阀座 、液缸 三者接触 的有 限元模型 1 一 阀体 ；2 一阀座 ；3 --液缸 。 网格划分 时液缸、阀体 、阀座采 用不 同的单 元。网格划分后得到液缸 的单元数为 9 5 0 ，阀体 的 单元数为 1 9 3 ，阀座 的单元数为 3 1 8 。 2 ． 2 接触 模型 的建 立 采用轴对称单元建立的有限元模型进行平面分 析 ，且将所有的面一 面接触均简化为线一 线接触 ，这 样既可保证分析的正确性又可节省计算时间。工作 过程 中为防止钻井液泄漏 ，各个接触面之间接触紧 密 ，故接触面之间 的摩擦因数 ．厂 取值较 大，取 f 0 ． 1 。接触单元系统 自动选择 c a n t a c t 1 6 9 ，目标单 元系统 自动选择 T a r g e 1 7 2 J 。接触分析后得阀体与 阀座之间接触单元数为 9 ，目标单元数为 1 4 ，液缸 与阀体之间接触单元数为 1 8 ，目标单元数为 l 8 。 2 ． 3 边界条件和载荷的施加求解 因液缸较厚，其尺寸和刚度都 比阀座大很多 ， 所以根据圣维南定理施加约束时把液缸远离阀座的 一 侧设为固定 ，阀体和阀座均采用轴对称结构 ，在 轴对称截面上不能有径 向位 移。工作时液缸 、阀 体 、阀座组成的空间充满液体 ，在对称 的截面上液 体压力互相抵消 ，最终液体压力只作用在阀座与液 缸的接触面上及阀座暴露在钻井液 中的外 环面上。 将前者的压力转化为作用在阀体顶部的压力 ，阀座 外环面受力即为钻井液压力。 2 ． 4有 限元分 析结 果 将上述边界条件和载荷分别施加到各 自的有限 元模型上后求解 ，结果如图 3～图 5所示 。 ’ 1． W t ”∞ m‘ m ⋯ -l m． m_ 删 图 3 阀体 、阎座、液缸 三者的 M i s e s 应 力云 图 O H 1 ． I ． 1 1．m 图 4 阀体 、阀座、液缸 三者的位 移云图 图 5 阀体 、 阀厘 、液 缸 三 者 之 间的 接 触 厘 力 云 图 从 图3可知 ，最大 M i s e s 应力发生在阀体的台 阶处 ，其值为 6 5 3 ． 0 0 6 MP a ，其次发生在阀座内侧 的中下部 ，其值为 6 2 ． 8 7 8 MP a ；液缸 的最大应力 为 1 4 5 ． 2 8 1 M P a 。三者的应力变化趋势 与现场应用 情况相符。其安全系数分别为 ] 阀体 78 5 1 ． 2 02／ l , 1 Or 一 m ax ‘ 阀座 杀 7 8 5 2 ． 16 3 j 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 液缸 n3 O- - 4 ． 3 7l 一 m ax 丽 4 j 这三者中阀体的安全系数最小 ，但因阀体最大 应力发生处可 以通过增大过渡圆角的方法消除，所 以对阀体寿命影响不大 ，而阀座的最大应力是交变 应力 ，是产生疲劳破坏的根源。液缸的安全系数最 大，因此液缸在工作过程中损坏的几率较小 。 从图 4可知，阀体 、阀座的位移为 1 ． 2 8 8 mm， 而液缸的位移为 0 实际工作 中液缸的相对位置不 动，但阀体 、 座的整体移动距离一般 ≤5 m m。 从图5可以看出，阀体与阀座的接触应力最大 值发生在阀体与阀座接触 的最下部边缘，这与阀座 现场产生破损的位置相吻合。阀座与液缸的接触应 力最大值发生在 阀座与液缸接触位置的下边缘，也 与现场阀座和液缸发生胶合 、拆卸时阀座被撕裂的 情况相吻合。分别计算 2种情况下的安全系数 。 阀体与阀座 n 4 s ／O “ ⋯ 7 8 5 ／ 48 3 1 ． 6 25 阀座 与液 缸 n5 s ／ o - 78 5／ 3 2 2． 4 4 5 2． 43 4 3 计算结果分析 1 阀座失效 的主要原 因之一是 阀座 与阀体 之问中下部的接触应力过大及 阀座中下部 的 Mi s e s 应力过大 ，并且这 2种应力频繁地交替 ，使阀座中 下部很快出现疲劳裂纹 ，裂纹不断增大 ，从而在阀 座表面出现脱落 ，致使阀座失效。 2 阀座失效 的主要原 因之二是 阀座与液缸 的接触应力及两者的 Mi s e s 应力都较大。由现场经 验得知 ，阀座与液缸之间的接触应力为工作压力的 2倍左右即可密封良好 ，而 F一1 3 0 0钻井泵的工作 压力为 3 5 MP a ，阀座 与液缸 之 间 的接 触 应力 为 1 4 5 ． 2 8 1 M P a ，两者的比值为 4 ． 1 5 1 ，比经验值大 ， 加之两者较大的 Mi s e s 应力导致 阀座与液缸之间出 现胶合。由于液缸刚度大于阀座，拆卸阀座时在其 表面出现撕裂脱皮而使阀座失效 。 3 阀座的滑移距离为 1 ． 2 8 8 m m，说 明阀座 在系统压力作用下其凸台下边缘若不与液缸接触 ， 两者安装距离要有一个设定下限值。 4 结论与建议 1 有限元 分析结果与现场阀座失效情 况相 符 ，说明有限元分析 的正确性 ，从而为阀座设计提 供了可靠的理论依据 。 2 利用有 限元法对 阀座进行接触分析 ，能 更清楚 、更有效地反映阀座的失效根源。从而得知 要提高阀座的接触应力和抗胶合能力 ，应该提高阀 座与液缸和阀体接触部位的局部硬度 。其办法是改 善阀座的材料 ，如在阀座 的材料中加入 C r 、N i 、V 等元素。 3 阀座 的失效首先从阀座 内外侧的中下 部 开始 ，然后逐渐 向上扩展。要解决这类失效问题 ， 应改变阀座的结构 ，提高阀座的刚度和增大受力面 积 ，以减小 阀座与液缸和阀体的接触应力。根据分 析结果和经验值得知 ，阀座与液缸和阀体的接触应 力约 7 0 MP a 时为宜。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 参考文献 王秀勇 ，路永明 ，张金中 ，等 ．钻井泵 泵阀失效 分 析与机理 [ J ]．石油矿场机械，1 9 9 4 ，2 3 】 1 3 一 l 6 ． 王秀勇 ，翟玉生 ，路永 明 ，等 钻 井泵泵 阀的应力 分析 [ J ]． 石油大学学报自然科学版，1 9 9 4 ，1 8 6 6 36 7 ． 郑水荣 ，王秀勇 ． 钻 井泵泵 阀与阀座 间的接触应力 分析 [ J ]． 石 油机械 ，2 0 0 1 ，2 9 9 5 0 5 2 ． 付云霞 ． 往复泵泵阀的失效分析与结构参数优化研 究 [ D]．大庆 大庆 油学 院 ，2 0 0 3 ． Cha n S H， T ub a I S． A fin i t e e l e me n t me t h o d f o r c o nt a c t p r o b l e ms o f s o l i d b o d i e s[ J ]． I n t ． J ． Me s h ． S c i e n c e s ， 1 971， 1 361 56 39 ． 成 大先 ．机械设计手 册 [ M]． 4版 ．北京 化学工 业 出版社 ，2 0 0 6 3一l 2 ，4 0 ． 尚晓汀 ，邱峰 ，赵 海峰 ，等 ． A N S Y S结构 有限元 高级分析方 法与 范例 [ M]．北京 中国水利 水 电 出版丰 十，2 0 0 6 ． 刘鸿文 ．材料力学 [ M]．北京高等教育出版社 ， 2 0 003 63 7． 濮 良贵 ，纪名刚 ．机械设计 [ M]．北京 高等教 育 出版社 ，2 0 0 0 41 9 ． 第一作者简介 李 洪波 ，女 ，T程 师 ，生 于 1 9 8 2年 ， 2 0 0 7年毕业 于长 汀 大学 机械 工 程学 院 机械 设计 及 理论 专 业 ，获 硕 士 学 位 ，现 从 事 机 械设 计 与研 究 工 作。地 址 7 2 1 0 0 2 陕西省 宝鸡 市。电话 0 9 1 7 3 4 6 2 1 9 6 。Em a i l l h o ng bo 68 1 2 6．c om。 收稿 日期 2 0 0 91 0 2 l 本文编辑王刚庆