泵阀弹簧对石油压裂泵性能影响的试验方案.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0 年 4 月第 3 2 卷第 2 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A p r ． 2 0 1 0 V o 1 ． 3 2 N o 2 3 8 5 泵 阀弹簧对石 油压 裂泵性 能影响 的试 验方案 刘永华 ，雷江泉 ，石 臻 ，文祥宇 ，徐梦 婷 长江大学机械工程学院， 湖 北荆州4 3 4 0 2 3 [ 摘要]泵 阀作 为压 裂泵液力端的关键部件和易损部件 ，它工作 的好坏直接 影响到压 裂泵 的性能和使 用寿 命。弹簧是直接 与压裂泵泵 阀接 触 的重要部 件。弹 簧性 能的好 坏将 对压 裂泵 的工作 性能 起到 重要 作用 。 通过试验方法测得 弹簧 与泵 阀联合 工作 的特 性 ，寻找 最佳 的弹簧 刚度对研 究泵 的吸入 、排 出性 能具 有非 常重要 的意义 ，提 出了泵 阀弹簧对 石油压 裂泵性能影 响的试 验 方案，包括 试验 原理 、试 验 方案和 数据处 理 方 法 等 。 [ 关键词]压裂 泵；泵阀；弹簧 [ 中图分类号]T E 9 3 4 ． 2 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 09 7 5 2 2 0 1 0 0 2 0 3 8 5 0 3 1 试验的现实意义 泵 阀作 为压 裂泵 液力 端 的关键 部件 和 易损部 件 ] ，它 的好坏 直 接 影 响 到压 裂 泵 的性 能 和使 用 寿命 。 近年来 ，随着钻 井工 艺 的强化 ，泵 压 的升高 ，排 量 的增 大 ，对 泵 阀性能 的要 求也 越来 越 高 j 。对泵 阀进 行系统 、深 入 的研究 ，改 善泵 阀的工作 性 能 ，提高其 使用 寿命 ，已势在 必行 。弹簧作 为泵 阀的重要 组 成 部分 ，其结构和性能对泵阀效率有着巨大影响。泵阀因作用不 同，分为 吸人 阀和排出阀，现场实践 表 明，吸入阀的寿命 比排出阀要低【 3 ] 。目前弹簧对压裂泵性能影响的研究很少 ，而弹簧作为压裂泵 的重要 组 成 ，其性 能在设 计 和分 析压 裂泵 时 有 很 高 的参 考 价 值 。该 试 验 旨在 测绘 压 裂泵 在 额 定 转 速 下泵 的排 量 ，泵的输入、输 出功率和效率与排出压力的关系曲线，以了解泵阀弹簧对石油压裂泵的性能影响。 2 试验流程及原理 通过 改变 不 同刚度 的弹簧 ，测量 相应 的参 数 ，如泵 的转矩 、流 量和输 出压力 等 ，得 到泵 的输 入 和输 出功率 ，最终得到泵的效率和泵 的排量系数。试验装置见图 1 。 2 ． 1 流 量 的测量 L w一 1 5涡轮流 量变 送器 及 X S F 一 4 0 B流量 积算 仪配 套使 用 ，从 而实现 流量 的测 量 。A． L W一 1 5涡轮 流 量变 送器 由叶轮 、导流 体 、壳体 、前 置放 大器 组成 。它 的工 作原 理是 当被 测液 体流 经变 送器 时 ，变送 器 内的叶轮 借助 流体 的动 能而 旋转 ，叶轮则 周期 性地 改变 信号 检测 器 中磁路 的磁值 ，使通 过线 圈 中的磁 值 发生变 化 而产生 变化 电脉 冲信 号 ，经 前置 放大 器 后 ，送 至 二 次仪 表 实 现 流量 的测 量 X S F 一 4 0 B流 量 积 算 仪用 于测 量 电频 率讯 号 的瞬 问值 ，当它与 频率 输 出的流 量变送 器 配套使 用 时 ，可测 定流 量 的瞬时值 ，瞬 时值最 大满 量程 0 ． 5 L ／ s 。 2 ． 2往 复 泵的转 矩 转速 及轴 功率 的测 量 采 用 J C 2 B转 矩转 速传 感 器及 配套 的二 次仪 表 J S G S l数字 式 转矩 转 速功 率 仪进 行 测 量 。J C 2 B传感 器 的基 本原理 是 通过 磁 电变换 ，把 被测 转矩 转换 成具 有相 位差 的 2 个 电信号 。这 2个 电信 号 的相位 差 的 变化与被测转矩的大小成正比，把这 2个电信号输入到转矩转速功率仪即显示出转矩 、转速及功率的大 小 。J S GS 一 1 转矩转速功率仪作为 J C 2 B传感器的二次仪表，与传感器配套使用时，能将传感器送来 的相 [ 收稿日期]2 0 0 9 1 20 4 [ 基金项目]国家大学 生创 新性试验计划项 目 2 0 0 8 0 3 0 o [ 作 者简介]刘永华 1 9 8 8一 ，男 ，2 0 0 6级学生 ，现主要从事石油机械 专业 的学习与研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 6 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 0年 4月 1 ． 调 整 2 8 - 温 度传感器 9 一 球 阀 图 1 往 复 泵试 验 装 置 简 图 位差 及 电势频 率信 号进行 相应 的转换 ，并 将结 果用数 字 的形式 显示 出来 ，并根据 P一 1 1 7 f l M 1 0 M 为 J U 转矩 ， N m； ”为转速， r ／ mi n 进行计算 ， 从而直接显示轴功率 P 的大小 。 它的前面板上有 3 个显示窗 L I ， 一 个显示 转矩 量 k g m ，用 4位 十进制 的数来 表 示 其测 量 结果 ；一 个 显 示转 速 量 r ／ mi n ， 也 用 4位 十进制 的数 来表示 其测 量结 果 ；一个显 示功 率 k w 或 h p ，用 5位 十进制 数 来显 示其 结 果 。只 要正 确 地使用该仪表及其配套的传感器 ，就能对转矩 、转速及功率进行精确测量 。 2 ． 3压 力测 量 分别用 真空 表和 压力表 测量 泵进 出 口处 的压 力值 。 3 试试验方案 按簧 丝直径 从 1 ． 8 ～2 ． 2 mm 设计 不 同弹簧 ，计算 刚度 值 。其他 参 数不 变 有效 圈 数 一 4 ． 5圈 ； 自由高度 H 一 3 4 ． 5 mm。 中径 D 在 2 5 ． 5 mm 的基础 上根据 簧丝 直径 改 变 如 1 ． 8 mm 的簧丝 中径 为j 2 『 2 5 ． 3 mm， 刚 度 K 控制应 该 在 1 ． 3 1 4 ～2 ． 7 9 8 N／ mm之 间 。 K 一 G一 7 3 0 。 。 MP a ； 为弹 簧直径 ； Dig 3 弹簧 中径 。 一 ．8mm ，D 一 2 5 ． 3 m m ， K ． 9 m m ， D 一 2 5 ． 4 m m ， K 一 宴 一 2 ． o m m ， D 2 5 ． s m m ， K 一 裴 一 2． mm ，D 一 2 5 ．e mm ， K 一 一 2 ． 2 m m ，D 一 25 ． 7 mm ， K 一 1 ． 3 1 4 N／ mm 1 ． 6 1 3 N／ ml T l 1 ． 9 5 7 N／ mm 一 2 ． 3 5 1 N／ mm 一 2 ． 7 9 8 N／ mm 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2 卷 第 2期 刘永华等 泵 阀弹 簧对 石油压裂泵性能影0 向的试睑 方案 通 过测绘 压 裂泵在 额定 转速 下泵 的排 量 ，泵 的输 入 、输 出功率 和效 率 与排 出压力 的关 系 曲线 ，进 而 了解 不 同刚度 的泵 阀弹 簧对 石油压 裂 泵 的性 能 影 响 ，最 终找 到最 优 的弹 簧 刚度 。 4 试验方案实施 1 试验 准备①试 验前 首先 检查 真空 罐水 位是 否 在 液位 指 示 器刻 度 范 围 内 ，否则 需 要 相 应 的增 加 或 降低其 中的水 位 ；② 打开泵 的入 口进 水 阀 门及 真 空罐 的 回水 阀门 ；③ 打开试 验控 制 阀主 电源 ；④ 开启 控制 电 源并打 开转矩 转速 功率 仪 ，电机调速 器 ，流 量指示 积算 仪 电源 开关 ；⑤ 检查 电动调 节 阀的开启 状 态 ，必须 将 电动调 节 阀 B置 于全 开启 状态 ；⑥ 预热 2 0 rai n后 ，开启 转矩 转速 传感 器顶 部小 电机 。 2 加 载性 能试 验 ①完 成准 备工作 后 打开 主 电机 旋钮 ，这 时 电机 调速 器 转 速 应 置 为零 ；② 将 电机 调速 器速 度调节 到额 定转 速 ，并 保 持 稳 定 ；③ 逐 渐 关 闭 电 动调 阀 B 的开 口，使 泵 出 口压 力依 次 升 高 ， 直至 全关 闭 阀的 开 口到 9 5 刻 度 时为 止 ，值得 注意 的是 ，阀的开 口不 能超 过 1 0 0的刻度 ；④在 电 动调 节阀 B的每一个开度 即每个流量点 ，记录下出口压力表 、真空表、转矩 、转速 、功率及流量显示仪 的数值 ，并 记 录在 附表 内 ，为 了作 出特 性 曲线通 常取 l 0 ～ 1 3个点 ；⑤ 试验 完毕 后 ，打 开 电动 调节 阀 B， 关 闭 电机调 速器 为零 ，然 后停 大 电机 ，关 闭 转矩 转速 功率 仪 、流量 指示 积算 仪 、直 流 电源 开关 ，最 后停 小 电棚 。 5 试验数据处理 计算方法 1 泵 的试验 流量 Q试 一 ／ 0 ． 5 1 0 m。 ／ s ／为指 流量 计显 示读 值 。 2 泵的输入 功 率 P 入 一 M 1 0 ～ 。 为泵 的输 入转 速 r ／ mi n ； M 为泵 的输 入扭 矩 ， N m 。 3 泵的输 出功 率 P 一 一 ； H 一 I D 为液体 密 度 ， k g ／ m3 ； Q为泵输 出流量 ， m。 ／ s ； H 为 泵 的扬程 ， m；P为 泵 的输 出压力 ， P a 。 4 泵效 率 一 。 5 泵的理 论平 均流 量 Q理 均一 m。 ／ s F 一 丁x d 2 为 活塞 截面 面积 ， m2 ； s为柱塞 冲程 ， m； 为 冲 程 次数 ， rai n ～ ； i 为 缸数 ； d为 柱塞直 径 ， m 。 6 泵排量 系数 a一 堕 - Q 试 为泵 的试验 流量 ， m。 ／ s ； Q理 均为泵 的理 论平 均 流量 ， m。 ／ s 。 绘制泵的输入 、输 出功率和效率与排 出压力的关系曲线 ，计算出泵的效率，和泵的排量系数，得到 不 同刚度 的泵 阀 弹簧对 石油 压裂 泵 的性 能影 响 ，进 而 找 出对 压 裂泵 工作 最优 的 弹簧 刚度 。 [ 参 考 文献] [ 1 ]贾文杰 ．钻井泵泵阀失效的动力学分析及泵阀变螺距 弹簧设计E J ]．石油机械 ，1 9 9 5 ，2 3 1 2 8 ～1 2 E 2 ]徐永进 ．某油 田注水泵阀体弹簧断裂分析 E J ]．江苏冶金 ，2 0 0 6 ，3 4 3 】 O ～1 3 ． E 3 ]李双武 ．钻井泵吸入阀的设计和使用探 讨 E J ]．钻采工艺 ，1 9 9 5 ，1 8 4 4 7 5 1 ． [ 编辑] 苏开科 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m