一种高压液氮泵液力端结构与材料研究

发布时间：2017-08-14 03:18

  本文关键词：一种高压液氮泵液力端结构与材料研究

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【摘要】：为了适应非常规油气藏的高开采难度以及提高现有油气井的产量,国内正在研发能够承受高压、超低温、大排量的具有自主知识产权的液氮泵产品。液氮泵是液氮泵车的关键部件,属于特种作业设备,具有高压和低温的特点,其液力端需要具有特殊结构以适应液氮这种特殊介质的需要,并且其制作材料必须要满足在超低温条件下具有足够的强度和韧性,以及在长期交变应力的作用下要具有足够的寿命,这样才能保证现场施工时能够满足使用要求,降低开采成本,提高经济效益。 本文在广泛调研国内外液氮泵、压裂泵相关资料的基础上,结合我国液氮泵车使用特点以及非常规油气开采作业技术要求,采用理论分析与实验研究结合的方法开展了液氮泵的液力端结构及材料研究,主要包括如下几个方面： (1)分析了普通压裂泵液力端的结构特点,研究液氮泵送过程的特征与普通压裂液泵送的异同之处,在现有压裂泵液力端的基础上设计了一种满足液氮泵送的液力端结构,并对相关零部件进行了设计计算及强度校核。 (2)选择了液力端用低温材料,并开展了材料的热处理工艺研究,制定了淬火+回火(QT)和双相区热处理(QLT)两种热处理工艺,完成了材料热处理后的金相观察,分析了材料的金相组成特点。 (3)完成9Ni钢热压缩模拟实验,利用果蝇算法(FOA)优化最小二乘支持向量机(LSSVM)参数,建立了9Ni钢本构模型,为9Ni钢的热塑性加工过程提供参考。 (4)完成9Ni钢低温示波冲击实验与拉伸实验,并利用扫描电镜对冲击实验与拉伸实验试样断口进行观察,分析低温下材料的裂纹扩展和断裂机理,选择出低温韧性较好强度满足要求的热处理工艺。 (5)基于上述实验结果,完成QLT热处理下9Ni钢疲劳实验,运用最小二乘法拟合得到材料Basquin方程,绘制了50%、90%以及99%可靠度下的9Ni钢材料疲劳寿命(S-N)曲线,并利用Goodman法修正材料S-N曲线获得零件的S-N曲线；利用扫描电镜观察疲劳试样断口,分析断口组成特征以及材料疲劳断裂机理。(6)利用实验所得疲劳数据,采用MSC.Fatigue软件对所设计的液氮泵液力端内缸套、阀座进行疲劳寿命预测,得到它们的疲劳寿命分布特征,找到它们容易疲劳损伤的部位；并开展了吸入压力对上述零部件应力及疲劳寿命的影响规律分析。 本文对液氮泵液力端结构的研究为高压液氮泵液力端的设计制造提供了依据；对液力端制造材料的研究,为液力端主要零部件疲劳寿命预测提供了简单可行的方法。本文的研究成果与现实结合后对现场生产、制造以及现场施工作业都具有一定的指导意义。
【关键词】：液氮泵 液力端 低温材料 本构模型 S-N曲线 疲劳寿命
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE93
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 论文研究工程背景9-10
• 1.2 液氮泵国内外现状10-12
• 1.2.1 国外液氮泵现状10-11
• 1.2.2 国内液氮泵现状11-12
• 1.3 液氮泵液力端研究现状12-15
• 1.3.1 压裂泵液力端常见形式12-13
• 1.3.2 压裂泵液力端工作原理13-14
• 1.3.3 压裂泵液力端阀箱的研究现状14-15
• 1.4 低温用9Ni钢的研究与应用15-17
• 1.4.1 9Ni钢的应用15
• 1.4.2 9Ni钢的研究现状15-17
• 1.5 主要研究内容及思路17-19
• 1.5.1 主要研究内容17-18
• 1.5.2 论文研究思路18-19
• 1.6 论文创新点19-20
• 第2章 液氮泵液力端基础理论20-36
• 2.1 液力端液缸内压力变化规律及正常吸入条件20-23
• 2.2 液氮泵液力端泵阀的运动规律23-28
• 2.2.1 泵阀阀芯运动规律的数学模型23-27
• 2.2.2 阀芯运动方程的简化27-28
• 2.3 液力端的容积效率28-34
• 2.3.1 泵送不含气介质时的容积效率31-33
• 2.3.2 泵送含气介质时的容积效率33-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 液氮泵液力端总体方案设计36-42
• 3.1 设计原则36
• 3.2 设计方法36
• 3.3 总体方案设计36-38
• 3.4 液力端主要结构参数确定38-41
• 3.4.1 活塞平均速度U_m的选择39-40
• 3.4.2 曲轴转速n和柱塞冲程长度S的选择40
• 3.4.3 活塞直径D的选择40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 液力端关键零部件结构设计及强度校核42-57
• 4.1 低温材料选择42-43
• 4.1.1 常用低温材料42-43
• 4.1.2 液力端低温材料选择43
• 4.2 泵阀的设计及校核43-52
• 4.2.1 吸入阀的设计及校核44-48
• 4.2.2 排出阀的设计及校核48-52
• 4.3 缸体的设计及强度校核52-55
• 4.3.1 缸体的设计52-53
• 4.3.2 缸体的强度校核53-55
• 4.4 液力端密封结构设计55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第5章 9N i钢材料热处理方案及实验方法57-62
• 5.1 实验材料57
• 5.2 热处理方案制定57-58
• 5.3 实验方法58-60
• 5.3.1 试样制备58
• 5.3.2 组织观察58
• 5.3.3 热压缩模拟实验58-59
• 5.3.4 力学性能测试59-60
• 5.3.5 疲劳实验60
• 5.4 实验设备60-61
• 5.5 本章小结61-62
• 第6章 不同热处理工艺下9Ni钢材料的力学特性62-94
• 6.1 金相观察62
• 6.2 热压缩实验62-70
• 6.2.1 实验材料与方案63-64
• 6.2.2 9Ni钢本构模型建立64-70
• 6.3 低温示波冲击实验70-72
• 6.3.1 低温示波冲击实验70-72
• 6.3.2 冲击断口分析72
• 6.4 拉伸实验72-76
• 6.4.1 拉伸实验方案73
• 6.4.2 拉伸实验数据处理73-75
• 6.4.3 拉伸断口分析75-76
• 6.5 9Ni钢的疲劳性能实验76-88
• 6.5.1 疲劳实验原理76-78
• 6.5.2 疲劳实验方案78-79
• 6.5.3 疲劳实验数据处理79-82
• 6.5.4 9Ni钢材料的P-S-N曲线82-84
• 6.5.5 疲劳断口分析84-87
• 6.5.6 低温下材料的疲劳特性87-88
• 6.6 液力端零部件S-N曲线88-92
• 6.7 本章小结92-94
• 第7章 液力端关键零部件有限元分析94-110
• 7.1 内缸套强度及疲劳分析94-101
• 7.1.1 内缸套强度分析94-97
• 7.1.2 内缸套疲劳寿命分析97-101
• 7.2 阀座强度及疲劳寿命分析101-106
• 7.2.1 阀座强度分析102-105
• 7.2.2 阀座疲劳寿命分析105-106
• 7.3 柱塞的有限元分析106-108
• 7.4 本章小结108-110
• 第8章 结论与展望110-112
• 8.1 结论110
• 8.2 后续工作与展望110-112
• 致谢112-113
• 参考文献113-117
• 攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果117

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：670481