采油螺杆泵定子疲劳寿命预测及试验研究

发布时间：2020-08-28 03:25

【摘要】：采油螺杆泵是一种重要的油田举升设备,它具有很多其它采油设备不能替代的优点。螺杆泵定子受交变载荷、工作温度和井下介质等因素影响而发生疲劳失效,是导致螺杆泵失效的重要原因。本文针对不同工况条件下螺杆泵定子的疲劳失效进行寿命预测和模拟试验研究,为采油螺杆泵的结构优化、耐疲劳定子橡胶的研制和提高螺杆泵的使用寿命提供理论依据。对不同温度水浸和油浸条件下定子橡胶试件进行单轴拉伸和平面剪切试验。采用Yeoh模型和修正Arruda-Boyce模型对单轴拉伸应力-应变进行预测和评估,确定采用表征能力强的修正Arruda-Boyce模型作为定子橡胶本构模型,并确定模型的参数。依据定子橡胶试件的温胀和溶胀试验,应用温度当量法确定不同工况下溶胀的当量温度。在不同温度、不同介质和不同过盈量条件下,建立了采油螺杆泵有限元模型,计算分析得到定子接触应力、剪应力和等效应力分布规律,确定了各工况最易发生疲劳的危险位置。采用德墨西亚等加速试验方法,对不同温度水浸和油浸介质下定子橡胶试件进行疲劳试验,确定了定子橡胶疲劳裂纹扩展特性参数和潜在临界损伤等效的裂纹尺寸,分析两项参数随温度和介质变化的规律,并确定随温度变化的表达式;同时拟合得到定子橡胶伸长比-疲劳寿命曲线,建立了定子橡胶基于应变损伤参量的疲劳裂纹萌生寿命预测模型,并确定了不同工况下模型参数。结合螺杆泵力学有限元分析结果,建立了螺杆泵定子以过盈量、温度和介质为变量的统一疲劳裂纹扩展寿命预测模型;应用连续损伤力学理论,基于定子橡胶以应变为疲劳损伤参量的疲劳裂纹萌生寿命模型,建立了螺杆泵定子以等效应变范围为损伤参量的疲劳裂纹萌生寿命预测模型。预测不同工况螺杆泵定子的疲劳裂纹扩展寿命和疲劳裂纹萌生寿命,分析确定了螺杆泵定子疲劳寿命主要取决于疲劳裂纹扩展寿命。根据螺杆泵的工作特性,研制了模拟螺杆泵定子加速疲劳试验装置。以静刚度损失率为疲劳失效判断准则,以过盈量、温度和介质为变量,进行加速疲劳试验。利用疲劳试验结果对疲劳裂纹扩展寿命预测模型进行修正。用修正的疲劳寿命预测模型,预测实际条件下螺杆泵定子的疲劳寿命,预测寿命与实际寿命的比值为1.23和0.93,模型预测精度较高。验证了修正的预测疲劳寿命模型的可靠性。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE933.3
【图文】：

（a）水浸工况 （b）油浸工况（a）In water immersed condition （b）In oil immersed condition图 2.1 定子橡胶不同温度单轴拉伸应力-应变曲线Fig.2.1 Uniaxial tensile stress-strain curves of stator rubber at different temperatures（2）定子橡胶的平面剪切试验平面剪切试验前先将试件分别浸泡在 20℃、30℃、50℃、70℃和 90℃的 0 号柴油和水介质中 72小时，剪切面积为2A （2 双剪） （3厚度） 290（周长） 1740mm。利用岛津公司生产的电子拉力试验机、恒温箱等设备进行不同温度的平面剪切试验，取每组 3个试件的平均值作为试验结果，获得了不同温度水浸和油浸橡胶的应力-应变曲线，如图 2.2所示。

（a）水浸工况 （b）油浸工况（a）In water immersed condition （b）In oil immersed condition图 2.1 定子橡胶不同温度单轴拉伸应力-应变曲线Fig.2.1 Uniaxial tensile stress-strain curves of stator rubber at different temperatures（2）定子橡胶的平面剪切试验平面剪切试验前先将试件分别浸泡在 20℃、30℃、50℃、70℃和 90℃的 0 号柴油和水介质中 72小时，剪切面积为2A （2 双剪） （3厚度） 290（周长） 1740mm。利用岛津公司生产的电子拉力试验机、恒温箱等设备进行不同温度的平面剪切试验，取每组 3个试件的平均值作为试验结果，获得了不同温度水浸和油浸橡胶的应力-应变曲线，如图 2.2所示。

东北石油大学博士研究生学位论文2.1.3 定子橡胶表征评估考虑螺杆泵定子所处的温度和介质情况，对上述两种本构模型表征能力进行预测和评估。将图 2.1 中定子橡胶不同温度单向拉伸应力-应变试验数据代入式（2-17）和式（2-23）进行拟合，得到不同温度水浸和油浸工况下的应力-应变拟合曲线如图2.3~2.7 所示。采用线性最小二乘法拟合 Yeoh 模型，采用非线性最小二乘法拟合修正Arruda -Boyce模型，确定不同温度水浸工况和油浸工况的模型参数，如表 2-1 所示。

【参考文献】

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本文编号：2807028