钻井泵阀的设计研究.pdf

2 0 0 1 年第 6 期 阀 门 文章编号 1 0 0 2 5 8 5 5 【 2 0 0 [ 0 6 0 0 0 t 0 4 钻 井 泵 阀 的 设 计 研 究 王 中辉 ．朱江 北京 石油 化 工学 院 ．北 京1 0 2 6 0 0 摘要在分析 泵阀失效 的基础 上 ，提 出 7一套合理的泵 闷设计方 法，并 以此 为基础 设计 制造 1新 型泵 闷。该 阀具有 密封 好 ．冲击 小及耐 磨捐 等特 点。 关 键 词泵 阀 ；失效 分 析 ；设 计 ；制 造 中图分 类 号 T E 9 2 7 文献 标 识码 A De s i g n a nd r e s e a r c h o f a ne w t y pe of d r i l l i ng pu m p v a l v e W ANG Zh o n g h u i ， ZHU ] i a n g D e p a r t me n t D {Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g 。B e i j i n g I n s ti t u t e D {P e t r o - c h e r n i c a l Te c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 2 6 0 0 ．Ch i n a Ab s t r a c t The d r i l l i n g p u mp v a l v e i s o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t we a r i n g p a r t s o f d r i l l i n g p u mp． Th e d e s i g n o f d r i l l i n g p u mp v a l v e d i r e c t l y i n f l u e n c e s t h e wo r k i n g p e r f o r m a nc e a n d u s i n g l i f e o f d r i l l i n g p u mp． I n t h i s p a p e r ， b a s e d o i l t h e f a i l u r e a n a l y s i s o f d r i l l i n g p u mp v a l v e ，a o p t i ma l d e s i g n h a s b e e n a dv a n c e d， t h e n a n e w t y p e o f d r i l l i n g p o mp v a l v e h a s b e e n d e s i gn e d an d ma n u f a c t u r e d． Fi e l d t e s t s h a v e b e e n a l s o p e r f o rm e d a n d t h e r e s u l t s r e s a t i s f a c t or y ， Ke y wo r d s d r i l l i n g p u mp v a l v e ；f a i l u r e a n a l y s i s； d e s i g n；ma n u f a c t u r e 1 概 述 钻井 泵是 钻井 时用 作循环泥浆 的设 备，分 析 其工作原理 和运 动过 程，钻井泵 的关键部 位 是液力端 ．而 泵 阀则对 液 力 端起 到 控制 作用 。 由于 泵阀 的运 动规 律 、工 况 及破 坏 过程 复 杂 ， 泵 阀寿命 较 低 的问 题 一直 未 能 得 到 很 好 的解 决 ，严重影 响钻井 时效 及进 度 。近几 年来 ，随 着钻井 工 艺 的 强 化． 水 力 喷射 钻 井工 艺 的 推 广，泵压 升高 ，排量增 大 ，从而对 泵阗提 出了 更高的要 求 。因此 ．需要研制 新型 泵 阎，以改 善泵阎的工 作性 能，提高其 使用寿命 。本文 在 对泵阀 失效 分析的基础 上 ，找 出其 失效 的主要 原因，提 出一 套合理 的设计计算公 式，并 此 为依据 ，设计 出长 寿 命 泵 阀，满 足 了 生产 需 要 。 2分 祈 泵阀 图 1 失效 是多 种因素 综 合影 响的 结果 ，采用 单一 因素分析 方法 不能从根本 上解 决 问题 。因此把 阀瓣 、密 封圈和阀座 看作一个 串联 系统．与泥浆 组成一个 开式摩 擦 系统 系 统 内的物 质 和 能 量与 周 围介 质等 出现 相 互 转 化 ，采用故 障 树分析 法对 泵 阀进 行定性 和定 量 分析 。从 中可 看 出，介质对密封 面和 阀腔 冲刷造 成 的冲蚀 磨损 ，阀瓣对 阀座高速 撞击 引 起 的冲击磨 损，密封 圈加工工艺不合理 ．流道 变 化引起的汽蚀 及选 材不 当等．是影 响泵 阀寿 命 的重 要 因素 。 另外 ．加工 质 量， 安装 误 差 ． 运 输中的损坏等 因素也不 容忽视。 冲蚀磨损与液流速度有密切关系，液流速 度越 大，冲蚀越 严重 。因此，设计泵 阀时要把 作者简丹王中辉 1 9 6 8 一 ，男．山东泰安，讲师 从事机械设计及制造方面的研究。 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 一 阀 门 2 0 0 1 年第 6 期 液流速度限定在安全范围内。阀门关闭滞后可 引起阀隙液体倒 流，此高速 反 向流对 泵 阀冲 蚀 更严重． 因而 应尽量减少滞 后 。 1 ．同 盖2 ． 弹 簧3 螺 母4 ．掰 封 圈 5 ．阀瓣6 ．阀座7 阀悻 图 l 泵 阀结 构 阎瓣高速 冲击阎座 ．阀座锥面 下部 与 阎瓣 接 触 ，上部 与密封圈接触 ． 由于密 封圈 的缓 冲 作用而 减小 了变 形．从而 使阎座下 沉形 成 上下 两锥面 。这 样阎隙流道发 生变 化 ，加剧 了泥浆 冲蚀 和汽蚀，使 阎瓣 和密封 圈密封 失效 。 3设 计 泵阎是钻井工 作过程 的直接组 成件 ．也是 钻井 泵 中易损件之 一。设计 时应考 虑 阀门的及 时启闭．其关 闭速 度和关 闭滞后 角度应尽 可能 小．以减小关 闭冲击 和 回流损 失。所选材 料应 有足够 的强度和 刚度．对泥浆 冲蚀 有较强 的抵 抗能力 。还应保证 阀门流阻小 ．密封可靠 ，结 构简单 ．拆装方便 ，工艺性好 ．有 良好 的互换 性 ．工 作平稳 ．噪声 小，寿命长 。 在泵 阎 失效 分 析 基 础 上 ，综 合 考 虑 其 特 点．设计 了一种 新型 泵 阎 图 2 。该 阎改 进 了阀瓣 和密封 圈的结 构及 阀体与 阎座 的配 合形 式 。另外，为使 阀瓣 运动时对 中性 好 ，加 长 了 导向杆 。 3 ． 1 阀座流通 面积 阀门单位 时间 内最 大流量 为 Q一 V一 1 单位时间 内的最 大理论排 量为 AR ⅡA ⋯ q一 ‘ zj 1 ．罔盖2 ．弹簧3 ．螺母4 ．密封 回 5 ． 阀瓣6 阀座7 ． 阀悻 图 2改 进的 泵 阀结 构 令Q～ q 一 ，则 n As n 3 式 中A 活 塞截 面积 ．m2 s活塞 行程．m 活 塞往复次 数 ．r ／ mi n V一 阀座孔最 大瞬时流速 ，m／ s V～ 一 般 按 经 验 选 取。 流 速 过 大， 阻 力 损失 大．影 响泵 的 吸人性 能 。 流速 选取 过 小 ． 泵 阀尺寸过 大，泵 阀质量也增 大。据对美 国国 家供应 、爱迪 科 、爱 姆斯特和 马雷 普等公司 生 产的泵统计 ．建议 对三 缸泵取 7 ． 2 m／ s 。 计算 时 取 A 0 0 2 5 m2 ． 5 0 ． 2 5 4 m， 1 4 0 r ／ mi n ，V一 7 ． 2 m／ s ．代入式 3 得 f s 0 ． 0 O 6 6 r a 。 詈 d t d 一 1 5 w 磊一 a n 4 式 中d 阀座 内径 ，m d 阀座筋条 内圆直径 ，m 阀座筋条 厚度，n 3 鑫 ～ 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 1 年第 6 期 阀 门 将 d 0 ． 0 4 6 m， 0 ． 0 1 5 m，代 入式 4 ．得d 0 ． 1 l l m， 一 般d ≤ 0 ． 1 2～ 0 ． 1 5 m。考 虑 现 有 产 品 尺 寸 标 准， 取d k 0． 1 0 9 m，代 入式 4 ，再 精 确计 算 值 。则 0． 0 0 6 2 m2 。 由式 3 得 、 ， 一 5 对于三 缸泵 ，[ 、 ， 一 】取 8． 5 m／ s 。 V 7 ． 5 m／ s 0． 006 7m ， 取 d 0 ． ∞ 7 m。 弹簧工 作 圈数 i为 嚣 12 式 中 r 弹簧 材料的 剪切弹 性模量 ．MPa d 弹簧 中径，m c 弹簧 刚度 ．N／ m 取 r8 0 GP a ， d 0 ． 0 9 m，将 数 值 代 入 式 1 2 得 i 5 。 弹 簧总 圈数i i 27 弹簧 节距 ￡为 ￡ 8 d 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 2 0 0 1 年第 6期 a ≥志 1 3 式 中d 弹簧 间距 ，I T I ， y 一弹簧 受最大力 时的压 缩量 ，m 由式 1 3 求 得 a≥ 0 ． 0 1 1 m，取 d 0． 01 5m ， z d 0． 022 m 。 弹簧 自由高 度 H 为 H z d i i 10 ． 5 a 1 4 将 z 、d 、 i和 i 1代 入 式 1 4 ， 得H 0． 1 2m 弹簧 预安装高 度 H。 为 H一 Fo 1 5 将 F0 和 c代入式 1 5 ，得 Ho 0． 0 9 6 m 4 阀瓣关 闭速度校核 由 一 u l 1 6 得 ～ 0 ． 3 2 m／ s 采 用阿道 尔夫 的试验结 果确定泵 阀的允许 关 闭速 度 ，即 H～ 式 中 [ “ ， ] 允许关 闭速度 ，m／ s A 阀 瓣 与 阀 座 密 封 接 触 面 面 积 ， m2 M 阀瓣 质量 ， 阿道 尔夫试验 系数，k ／ I l l s K 1 2 6 ～1 3 5 ，平均 取 1 3 0 将 A j 0 ． 0 0 8 8 m ， M 4 k g 代 入 式 1 7 ，得[ “ r ] 0 ． 5 8 m／ s 。因为 u ／ [ “ r ] ， 说 明泵 阎满足无 冲击 条件 。 5 阀瓣弯 曲强度校 核 假设 阀瓣为周边 自由支承 的受均 布 载荷平 板 ，阀瓣按 静压作用 校核弯 曲强度 。 ～ 毕 ≤[ ] 1 8 ～ 一 【 J ～ l 6 J 式 中￡ 阀瓣厚度．m △ 排 出压力 与 吸入 压 力之 差 ，约 等 于排出压 力．MP a [ ]3 5 Mo许用 弯曲应力 ，MP a 将 z 0 ． 0 0 1 5 m，△P1 9 ． 3 MP a ， [ ] 3 4 0 MP a代入 式 1 8 ， ～ 3 1 6 MP a [ ] 6材料选 用 新型泵阀 组件 中．阀座 、弹簧 和螺母 的结 构 不变，而对 阀瓣和 密封 圈作 了改 进 。阀瓣 的 材料 选 用 3 5 C r Mo钢，3 5 C r Mo为 调 质 钢， 具 有 很好 的综合 机械性 能。密封 圈的材料选 为聚 氨 酯，聚氨酯 的耐磨性高 于其 它橡 胶 。阀瓣 的 制 造 工 序 为 下 料 、锻 造 、正 火 、粗 车 、调 质 、精车 、铣 削 、氮 化和 外磨 削。密封 圈由 自 制模 具压制 。 7特点 新型泵阀 阀瓣 比原泵阀 阎瓣 的质量减轻 了 0 ． 3 5 ，这 不仅减少 了阀瓣对 阎座 的冲击 ，而 且 使阀瓣 运动 惯性 力 减小，滞 后角变 小，泵阀 动 作灵活 ，从 而提 高 了泵 阀 使用寿 命 。阀瓣 和 密 封圈结构 的改进 ，使常 用 的金属 工作面接 触 变为 金属 与非 金属 工 作锥 面接 触， 因而消 除 了 金属 工作锥面 接触形 成的剪 口，避 免 了密封 圈 被 撕咬。 由于 橡胶 有 优 良的 伸缩性 能和积储 能 量 的能力 ，在 接触应 力不 大 于橡胶 表面的撕 裂 强 度的情 况下 ，橡胶 有一定 的容让 性 ，从而 避 免 了因关 闭不严形成 气蚀 。金属 与非金属 的韧 性接 触也起到 了减振 缓冲的 作用。 阀座采 用双 支撑 面形 式 ，降低 了支撑 面 的应力 ，加强 了阀 座 的强度． 防止阀座变形 。加 长泵 阀下导杆 可 使阀瓣上 下运 动定位性好 ，阀瓣平 稳地落在 阀 座上 ．不 易发 生偏斜 现象 。 8结语 在泵阀失效分析的基础上，提 出了一套合 理 的泵阀设计 计算公 式，并设 计了一种新型 泵 阀，新型 泵 阀结构 有效地 减少 了冲蚀磨损 ，试 验证 明其 具 有 密 封 性 好 ，缓 冲性 好，对 中性 好 ，耐磨性 好 等优点 。 [ 1 ] [ 2 ] 参考文献 往复泵设计编写组．往复泵 设计[ M]北京；机掖 工业 出版 社 ．1 9 8 7 王中辉等 ．钻井泵泵阀失效 的故障树分析[ J ] ．石油 矿场机械 ．1 9 9 5 ．2 4 1 1 2 6 --2 7 ． f 啦 稿 日期 2 0 0 1 ． 0 6 1 8 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载