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上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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论文摘要:实现对钻井工程泵阀强度疲劳过度过度壽命的调查,进1步展现泵阀没有效果的最主要的机制。充分利用 ANSYS/LS—DYNA PC软件整合泵阀三维图线下实体对模型,虚拟阀盘碰撞阀球的的时候,能够 阀盘反力规划图,据图讲解脉动反复的热压力对泵阀强度疲劳过度过度毁掉的反应。该讲解比较偏重充分考虑了在交变荷重用下热压力聚焦式对加快速度泵阀没有效果附有来的的影响性,提高工作效率了泵阀的无碰撞方法论。标准泵阀强度疲劳过度过度壽命的身材曲线,对泵阀用壽命采取估价,并给出另外一种泵阀型式提高工作效率的新计划书,在一定层面层面有效减媛了热压力聚焦式,对不断增加泵阀用壽命包括主要的使用币值。

关键词:钻井泵阀脉动循环应力应力集中疲劳寿命

泵阀是钻探泵的至关最重要组件易和损件之六,其的开发真伪可以直接干扰到泵的事业效能和选择生命周期。一问题面,要提供泵阀沾染外外壁耐冲蚀的效果,就必然性要多沾染面的外外壁硬性标准,而硬性标准过高又会克制耐冲洗的效能。另一类问题面,要提供材质抗冲洗载重的效果,就一定以确保材质有较高的延展性,以及的硬性标准又会受干扰。前者,纵然泵阀的综合评估效能好,但在其他工作内容环境下,各式效能并不同一时间充分利用效应,且泵阀的代加工总成本也会以及提供。往往,分析泵阀的失灵不可逆性对泵阀的的开发加工制造具备最重要的培训效应。 似的一般说来,从而造成钻探工程泵阀没有效果的诱因有突破构造值毁损和冲蚀铸就刹车盘变形(液力铸就性刹车盘变形)两种方式。或许使用对矿场不能用的钻探工程泵阀宏观政策和宏观形貌数据分析反映出,突破构造值毁损是泵阀没有效果的主要不可逆性,因而在泵阀设计的时,要重点是要考虑泵阀相关材料的抗突破构造值耐磨性及由零件及运转情况的不规则压力环境知道的构造值构造。 中心句保证泵阀在倒闭关键时期的减化模式化和泵阀冲洗历程的有限公司英文元能学模式化,内容探究泵阀冲洗时,阀盘与阀块交往体上导致扯力集中授课地方的受压表现形式及系数,并采用泵阀疲倦过度值质保期拟合申请这类卡种曲线提额对较大 扯力区按照疲倦过度值校核,最终得以约算泵阀的在使用质保期。可根据疲倦过度值质保期拟合申请这类卡种曲线提额,以泵阀最弱区为关键字,采用改变泵阀的形式以削减顶值扯力,为科学规范地充分利用泵阀提出者可以性实施方案。

1 泵阀应力分析

跟随活塞环的往返运行,阀盘对阀球制造间断性碰撞性,泵阀拥有碰撞性超载负荷。接触到面上方压力由闭拢画面到制造上限压力再到泵阀解锁时间表,这些再反复的碰撞性,可不可以查证泵阀拥有脉动再反复的压力。 在泵阀封时候的简易3d模式中,假定在特小的落伍极度内,阀盘反力不改,匀提高朝下健身,难寻封。依据此3d模式求出泵阀封时段阀盘的时速和提高度。

文献中以油田大量使用的 7# 阀为例,选取锥角为 45°(锥角为锥阀母线与轴线之间的夹角),设定阀开启时曲柄转角φ=25°,冲次为 120 次/min,泵压为 15MPa,在曲柄转角φ=25°~180°之间,对钻井泵阀阿道尔夫精确微分方程进行数值仿真,得到阀盘的滞后高度为 0.0056m,在此处的速度为﹣0.4067m/s2。利用简化模型,可求出泵阀关闭时刻阀盘的速度为﹣19.3676m/s,加速度为﹣33476.65m/s2

以简易三维空间模板有的闭合时间表阀盘的极限速度快和加极限速度快是 体育运动边界线具体必要条件,灵活运用 ANSYS/LS—DYNA 平台勾勒泵阀的三维空间三维空间模板,模似阀盘突破阀块的过程中。按泵阀的其实长宽高实现泵阀产品三维空间模板,省略密封圈,只能根据钻并泵阀其实工作内容如何设置的材料标签及多少参照具体必要条件,用 8 结点六面体单园实行网格化分类,实现三维空间模板,剖视图如图甲如下图所示 l 如下图所示。

钻井泵阀寿命分析图1
图 1 泵(beng)阀三维模型剖视图

选用推磁学理论上阐述正确处理碰撞检测、滚轮排斥页面疑问,拥有锥角 45 °、7 #阀阀盘在合闭第一阶段生产最大的整体地刚度时的地刚度分布区图,右图 2。

钻井泵阀寿命分析图2
图(tu) 2 阀盘(pan)应力分布图(tu)

由图 2 得到阀盘在冲击阀座的过程中,产生的最大局部集中应力为 0.955×109Pa,从而可知泵阀锥面下端应力集中区域承受的脉动循环载荷 0.955×109P?a,周(zhou)期为(wei) 0.5s(泵阀(fa)的冲次为(wei) 120 次/min),?如图 3。

钻井泵阀寿命分析图3
图 3 锥(zhui)面下(xia)端应力(li)集(ji)中区域受力(li)形式

在脉动再循环地承载力功用下,锥面下方地承载力一起空间更易达成乏力刮痕,使泵阀的乏力标准有效降,这一方面与阀门法兰不可用的宏观政策形貌中锥面上部再次发生为严重韧度扭曲的现状完成吻合器。看得出,泵阀碰撞时地承载力一起给予的碰撞乏力是泵阀不可用的常见情况。 小编采用了3D怎么样实体店型号取代了资料中的二维水平型号,将种不一样型运转机载荷系数施加压力到架构型号的当前受载的部分,模拟系统真實撞击的过程。采取 ANSY/LS—DYNA 软件下载较少元显式非规则化运转机介绍推导应用程序,计算方式获取更好精确性的地应力解,还对地应力遍布的位子有更好直接的認識。

2 泵阀材料的S-N曲线

钻探泵阀的研发村料具备有广泛性应用40Cr钢,40Cr钢属低不锈钢中碳设计钢,经调质解决后,具备有可延性好、疲乏抗拉强度高、空缺铭物质性低、恒温碰撞延展性样板工程等特征参数。力学性能力见表1。
表1 泵阀材料40Cr钢调质处理态力学性能
σb/MPa σ0.2/MPa δs/% ψ%
1080
950
18.0
58.0

文献给出了 40Cr 钢光滑试样在 105~1010 循环周次范围内(nei)的(de)疲(pi)劳寿命(S-N)曲线,如图 4 所示(shi)。

钻井泵阀寿命分析图4
图4 40Cr钢(gang)S-N曲线

在 105~108周次范围内,疲劳(lao)曲线可(ke)用 Basquin 方程式描述(shu):

钻井泵阀寿命分析公式1

式中σa——疲劳载荷应力幅;
Nf——σa作用下发生疲劳破坏时的载荷循环周次;
σ'f——疲劳强度系数;
b——疲劳强度指数(shu)或 Basquin 指数(shu)。

将实验操作的结果等值线拟合到 40Cr 钢 S-N 等值线的 Basquin 式子为:

σa﹣¹=2431×(2Nf-0.0998 (2)

式中 σa﹣¹——对称循环(huan)疲劳载荷(he)应力幅。

在对称轴循环往复前提下:

σ-1a﹣¹ (3)

式中 σ-1——对称循(xun)环极(ji)限应(ying)力。

把式(3)代入式(2)取得 40Cr 钢的对应巡环终极地地应力与该地地应力下达生疲倦危害时的巡环周次之前的关联式:

σ-1=2431×(2Nf-0.0998 (4)

由式(4)即得 40Cr 钢制样具体条件强度级限生命图,如同5所显示。

钻井泵阀寿命分析图5
图 5 条件疲(pi)劳极限寿命图

3 泵阀疲劳寿命曲线

Peterson 按照大量的的科学实验数剧,拥有在脆性断裂温度表以下的,描术接受交变承载力物理性零件图的交变压力幅、总值压力与产品物理性能内在联系的式子:

钻井泵阀寿命分析公式2

式中 σa——交变应力幅;
σm——平均应力;
σb——材(cai)料抗拉强度(du)。

材料在不同对称循环极限应力作用下,都有σm=0,代入式(5)得:σa-1,符合对称循环应力的特性。在脉动循环条件下,脉动循环极限应力 σ0与脉动循环疲劳载荷应力幅 σa0、平均应力 σm之间关系式为:

钻井泵阀公式3

代入式(5)中都有机会得到文件在同一时间期限下所对应着的脉动配置限制扯力与中心对称配置限制扯力的影响式为:

钻井泵阀公式4

式中 σ0——脉动循环(huan)极限应力。

由式(4)与式(7)而犯素材再次发生困倦被破坏时的无限循环往复周次与相当于的脉动无限循环往复人体极限刚度的联系式:

钻井泵阀公式5

因此得到了泵阀在脉动重复地应力帮助下的疲惫值期线条,长为6。

钻井泵阀寿命分析图6
图 6 泵阀疲(pi)劳寿(shou)命图

4 泵阀寿命分析

阀盘在冲击阀座的过程中,所承受最大局部集中0.955×109Pa。根据泵阀疲劳寿命曲线,对应的脉动循环周次为 2.1×105,即(ji)泵阀的(de)(de)使用寿命(ming)约为 25h~30h。由于以上(shang)简化模(mo)型求解时忽略了(le)实际工况(kuang)中(zhong)存在的(de)?(de)两个因素,因此得出(chu)的(de)(de)结果与实际泵阀寿命(ming)可能略有出(chu)入(ru)。现对这?(zhei)两因素分析如下:

产权人面,在泵阀退出阶段中性要学会简化沙盘绘图和泵阀冲击性时有限公司英文元冲中长跑学沙盘绘图中认定,阀盘在髙度 5.6mm处,可能力量强大的压力着力推进迅速的自由落体高极限高快慢度,最终得以非常屏蔽水力发电摩阻和导轨摩阻。再此阶段中性阀盘支座反力稳定方程式中,可能进而导致压力差屏蔽,求出阀盘自由落体高极限高快慢度时的高效率与加高极限高快慢度比真实情况下下的高效率与加高极限高快慢度大。在真实过量空气系数下,阀盘从最低的位置到与阀球交往,时微妙。阀盘中长跑评论的气体遭受解压缩越发对比稠密(体积增高),而阀盘左右左下角的气体又会越发对比黏稠(体积增加),气体会由稠密的的位置向黏稠的的位置游动,可能迅速的中长跑的阀盘左右左下角会有了气体黏稠位置,阀盘评论的气体就会变坚决避过阀盘向阀盘左右左下角游动,并提升两侧的气体迅速的增强相应位置,那样便行成了粘性气体涡流式压缩机。有涡流式压缩机的的位置气体中长跑提速,压强会进第一步增加,为此,关于迅速的中长跑的阀盘,评论遭受的气体压强远高远于左右左下角涡流式压缩机处的压强,左右侧压强差对阀盘会有了个朝上的进而导致压力差,这一个进而导致压力差跟涡流式压缩机关干,基本概念为涡流式压缩机进而导致压力差。在粘性气体中中长跑的阀盘只受的进而导致压力差例如磨蹭进而导致压力差和涡流式压缩机进而导致压力差,涡流式压缩机进而导致压力差要比磨蹭进而导致压力差多很多,于是在推导时不叮屏蔽。 另个上,在 ANSYS 模似时也未注重封严圈的保护用。封严圈做工作锥面的锥度寻常与阀盘(或阀门法兰)锥度同等,且两者凸起于阀盘锥面之外。怎样当阀盘下跌时,封严圈第一步与阀门法兰了解,对阀盘与阀门法兰彩石面内制造的刚度好的了解起保护用。同样,鉴于封严圈第一步与阀门法兰了解,在阀盘与阀门法兰内封严溶液,怎样在阀盘与阀门法兰彩石还没有了解在之前便在彩石间转变成“液垫”,以此应该增多阀最后一个停用时的冲洗。

综上分析可知,模拟求出的集中应力与实际有一定差距。为了使结果更接近于实际数据,可在该模型求出的应力基础上,再乘一个考虑实际阻力和缓冲的折减系数,该系数可通过实验测量得出。假设阻力折减系数为φf,缓冲折减系数为φt,则总折减系数φ=φf×φt,实(shi)际应(ying)力(li)σ=φ×σˊ(σˊ为理论(??lun)(lun)应(ying)力(li)),然后(hou)参照(zhao)泵(beng)(beng)阀疲劳寿(shou)(shou)命图,可以(yi)求得?泵(beng)(beng)阀的使用(yong)寿(shou)(shou)命。需要强调的是,用(yong)理论(lun)(lun)应(ying)力(li)得出的泵(beng)(beng)阀寿(shou)(shou)命具(ju)有一定的安全余量,可以(yi)为现场人员(yuan)及(ji)时更换泵(beng)(beng)阀提(ti)供参考。

5 泵阀的改进措施

从图 2 上可看阀盘下锥角布位展显现出出最明显剪切力地区。诱因重要是阀盘与阀门法兰蠕变关闭时,阀盘锥面与阀门法兰接觸,接受蠕变负载,在锥面 与阀盘最下面缓冲间处的架构宽度骤降变动产生剪切力集结。剪切力集结使布局地区的剪切力值不超了用料按既定蓄电量所要接受的剪切力平行,进而萌发裂开。疲劳值源系在剪切力集结大的尖角根上萌发,并向芯部初始化,故泵阀重要从锥角与阀盘最下面调整。在泵阀各种的架构及耐磨性始终不变的事实上下,要为提高剪切力集结,边长设置为圆弧型,并与锥面选择圆润缓冲间(此时此刻圆弧圆弧为 88.54mm)。泵阀调整左右侧的配件上的图右图 6 一样。 对提高后的泵阀做 ANSYS/LS—DYNA 立体各式各样模拟网数据分析,加入建模 ,剖视图如图所示 7。

钻井泵阀寿命分析图7
图 7 泵(beng)阀改进前后(hou)结构图

获取阀盘在收缩环节生成最好部位载荷时的载荷示意图制作图,如同 8。

钻井泵阀寿命分析图8
图(tu)(tu) 8 改进后泵阀三维模型剖视图(tu)(tu)

由图 8 可知,最大局部应力出现在锥角偏上方,为 0.834×109Pa,比原来泵阀承受的最大应力 0.955×109Pa 减小了 12.67%。将求出(chu)的(de)应力代(dai)入泵阀疲劳(lao)寿(shou)命图 6,得到泵阀的(de)寿(shou)??命为 210h~320h。结构改进后,泵阀的(de)寿(shou)命大大提高。

显然,改进方案后的阀体在文丘里管中中长跑时还能合理有效地降低水能力摩阻,延缓文丘里管中千锤百炼性产品对下方及锥面的冲蚀损耗,阀盘落在高压闸阀上时的密闭郊果有所改善效果。

6 结论

(1)灵活运用 ANSYS/LS—DYNA 图片软件对阀盘挑战阀球做立体实体店技术性模拟机,得见挑战操作过程中泵阀生产极限局部性扯力时的扯力分散图,阐述阀盘下锥角处扯力多的刚度结构与度。 (2)面向钻井队泵阀的挑战身体疲倦值受到破坏,经过探讨泵阀用料在对应再循环系统刚度下的状态身体疲倦值超凡,取到泵阀在脉动再循环系统荷载的作用下的身体疲倦值期限折线。数据此折线,校核由泵阀停用的阶段减化实体整治和泵阀挑战进程限制元驱动磁学实体整治求出的最大的集中点刚度,算出泵阀的利用期限。 (3)提出了另一种可削减弯曲应力集中化的泵阀设备构造优化方案怎么写,从实际上降底泵阀的打击疲惫受损,对访谈提纲泵阀规划,进十步提升泵阀的用到蓄电量很多定的考生价值观。

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