压裂泵泵阀胶圈失效机理与结构优化研究

发布时间：2017-12-26 13:30

  本文关键词：压裂泵泵阀胶圈失效机理与结构优化研究　出处：《西南石油大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 压裂泵 泵阀 胶圈 磨损 冲击 有限元分析 正交优化

【摘要】：压裂泵是压裂酸化作业系统中的核心设备,由于运输介质中含有固体颗粒以及泵阀的往复工作特性,使得阀体上的胶圈极易受到固体颗粒磨损以及冲击载荷的作用,造成胶圈的破坏失效。胶圈的失效不但影响压裂酸化作业的效率还会导致泵阀提前失效,因此研究掌握压裂泵阀胶圈在含砂压裂液下的磨损失效机理和规律,开展胶圈的结构优化研究具有重要意义。本文以70MPa压裂泵的泵阀胶圈为研究对象,开展了泵阀胶圈的失效机理与结构优化研究,具体的分析过程和研究方法如下:(1)基于压裂泵实际结构组成和工作原理,考虑泵送液体可压缩性和泵阀阀体质量对运动惯性力的影响,运用AMESim对压裂泵泵阀运动规律进行了仿真研究,仿真结果与传统理论方法数值计算结果的对比验证了仿真模型的正确性,并分析了不同影响因素下泵阀的运动规律,所得结果可以作为泵阀阀隙流场分析的数据基础。(2)在不同升程、不同冲次、不同锥角及不同固相浓度下,运用Fluent对泵阀阀隙流场进行了仿真分析,得到了流道内胶圈处的固液两相流速度分布规律,揭示了造成胶圈下部发生穴窝状脱落的原因。基于Fluent仿真分析结果,确定了胶圈近壁区域固相颗粒的运动速度,为胶圈材料的冲蚀磨损研究提供了数据基础。(3)在不同颗粒形状、不同颗粒直径、不同冲击速度、不同冲击角度下,运用Abaqus对胶圈材料冲蚀过程进行了仿真分析,得到了冲蚀过程中胶圈材料应力应变和能量的变化规律,从微观角度揭示了胶圈材料冲蚀磨损时材料流失的本质,并基于能量磨损理论对比分析了不同形状颗粒的冲蚀特性,揭示了不同形状颗粒(较钝颗粒和较尖锐颗粒)冲蚀时靶材的失效机理。(4)在MDW-100型万能摩擦磨损试验机上完成了胶圈在含砂压裂液下的摩擦磨损试验,对胶圈在含砂压裂液下的磨粒磨损机理和规律进行探讨,重点分析了砂粒浓度,载荷,阀体与阀座之间的滑动速度对胶圈磨粒磨损行为的影响规律并探讨了胶圈在含砂压裂液下的磨粒磨损失效机理。(5)建立阀体与胶圈冲击阀座的有限元模型,确定了胶圈应力最大处出现在胶圈底角处,该处易发生疲劳失效而脱落,这与现场胶圈下部发生块状剥落的形貌相吻合。最后在有限元模型的基础上利用正交试验方法对胶圈结构进行优化,得到较优的胶圈结构参数。
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE934.2

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