邢立偉

【摘 要】超高壓大排量柱塞泵工作時(shí)，泵頭體內(nèi)表面間歇性承受極高的工作壓力。泵頭體不規(guī)則的內(nèi)表面形狀會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，應(yīng)力集中的位置相比于其它位置會(huì)較早產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂，導(dǎo)致泵頭體的破壞。本文應(yīng)用大型有限元分析軟件ABAQUS，研究了新開(kāi)發(fā)的超高壓大排量STP3300型泵頭體在靜壓下的應(yīng)力分布狀態(tài)，并對(duì)多個(gè)部位嘗試進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)研究結(jié)果，將易開(kāi)裂的十字相貫線(xiàn)部位的最高應(yīng)力降低了16%以上，大幅度降低了STP3300型泵頭體的開(kāi)裂傾向。

【關(guān)鍵詞】STP3300；泵頭體；ABAQUS

隨著油氣總儲(chǔ)量日漸減少，無(wú)論是油氣田的增效增產(chǎn)開(kāi)采，還是前景廣闊的新能源開(kāi)發(fā)與利用，例如頁(yè)巖氣開(kāi)采，都越來(lái)越倚重于大型成套壓裂設(shè)備的研制與應(yīng)用。

中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠(chǎng)是“國(guó)家重大技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化基地”、“中國(guó)石化集團(tuán)固井壓裂設(shè)備國(guó)產(chǎn)化基地”、“湖北省高新技術(shù)企業(yè)”。通過(guò)采取從國(guó)外引進(jìn)部分先進(jìn)加工設(shè)備，并在技術(shù)上不斷取得自主創(chuàng)新與突破，四機(jī)廠(chǎng)成為了國(guó)內(nèi)最大的固井壓裂裝備制造出口基地。在短短20余年的時(shí)間里，先后成功開(kāi)發(fā)了800型、1000型、1800型、2000型和2500型及2800型等成套壓裂設(shè)備，很好的滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)外對(duì)高端壓裂設(shè)備的需求，并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大量技術(shù)空白，部分產(chǎn)品甚至達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。為了響應(yīng)國(guó)家進(jìn)行第二次油氣資源開(kāi)發(fā)的號(hào)召，四機(jī)廠(chǎng)作為主要單位負(fù)責(zé)承擔(dān)起了國(guó)家十二五重大專(zhuān)項(xiàng)—《3000型成套壓裂裝備研制及應(yīng)用示范工程》課題。本課題研究對(duì)象STP3300型泵頭體設(shè)計(jì)與優(yōu)化即為該重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容之一。

本課題采用有限元軟件ABAQUS，研究在靜壓狀態(tài)[1～3]下STP3300型泵頭體的受力狀態(tài)，并重點(diǎn)研究如何降低關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力，從而提高其使用壽命。

1 有限元模型及材料參數(shù)

本研究對(duì)象為四機(jī)廠(chǎng)擬制造的STP3300型泵頭體（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“泵頭體”），該型號(hào)泵頭體由三個(gè)缸組成，每個(gè)缸的柱塞腔的側(cè)面孔與柱塞相連，三個(gè)缸共用一個(gè)排出腔，由于模型的對(duì)稱(chēng)性，取泵頭體的一半，建立數(shù)值分析模型。建好后的實(shí)體模型見(jiàn)圖1。有限元模型將除柱塞孔外的孔堵死，模擬加壓的工況，加壓內(nèi)腔。將4根螺栓與泵頭體設(shè)置為接觸關(guān)系，采用庫(kù)倫模型，摩擦系數(shù)設(shè)為0.2。取一定安全系數(shù)；由于采用線(xiàn)性靜態(tài)分析本模型，取泵頭體內(nèi)表面均勻分布的壓力載荷為140 MPa；除壓力載荷外，泵頭體還承受重力作用。泵頭體的約束條件為：螺栓遠(yuǎn)離泵頭體那一端固定，對(duì)稱(chēng)面約束Z方向的移動(dòng)。采用C3D4單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，整體網(wǎng)格密度設(shè)為20，內(nèi)表面的應(yīng)力狀況是分析的重點(diǎn)，內(nèi)表面附近局部網(wǎng)格密度設(shè)為3.5。網(wǎng)格劃分完成后，共有794907個(gè)網(wǎng)格，166248個(gè)節(jié)點(diǎn)。材料參數(shù)為，屈服強(qiáng)度950MPa，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3。

2 有限元求解結(jié)果與分析

2.1 原始結(jié)構(gòu)求解結(jié)果

在ABAQUS中對(duì)建立的模型施加140MPa后，計(jì)算所得的泵頭體中間腔應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可以看出，在壓力作用下，泵頭體內(nèi)腔應(yīng)力集中的位置有5處，分別在排出腔上部（A）、柱塞腔左上角（B）、柱塞腔左下角（C）、柱塞腔右上角（D）、柱塞腔右下角（E）。

由圖2可以看出，中間腔的最大應(yīng)力約為509MPa，位于排出腔上部。將側(cè)面腔從柱塞孔中部剖開(kāi)，應(yīng)力圖如圖3所示，應(yīng)力集中的位置有6處，分別在排出腔上部近端（F）、排出腔上部遠(yuǎn)端（G）、柱塞腔左上角（H）、柱塞腔左下角（I）、柱塞腔右上角（J）、柱塞腔右下角（K），上下左右的方位在從中間向側(cè)面看的時(shí)候確定。側(cè)面腔的最大應(yīng)力位于排出腔上部遠(yuǎn)端G點(diǎn)，應(yīng)力大小約為564MPa。由此可以看出，在同種工作狀態(tài)下，側(cè)面腔的最大應(yīng)力比中間腔的最大應(yīng)力高出約11%，這種結(jié)果符合國(guó)內(nèi)外泵頭體失效規(guī)律，即對(duì)于整體泵頭體，大部分產(chǎn)品均在側(cè)面腔體內(nèi)失效。

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對(duì)泵頭體應(yīng)力集中的狀況，給出了四種結(jié)構(gòu)改變，試圖減少應(yīng)力集中，具體如下。

（1）在柱塞腔的下部加斜坡結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)加斜坡），斜坡可以對(duì)柱塞腔下部的凸臺(tái)有支承加固作用。

（2）排出腔下移，這樣是為了試圖避免相貫線(xiàn)急劇變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中。

（3）柱塞腔切去部分材料（簡(jiǎn)稱(chēng)切除法）。如圖2及表1所示，柱塞腔上下左右四角（B、C、D、E）的應(yīng)力較大，而中間L和M處的應(yīng)力較小，由圖可知L和M處的材料較多，因此可考慮切去L和M附近的部分材料，以使各處應(yīng)力均衡，達(dá)到減少應(yīng)力集中的作用。

四種結(jié)構(gòu)改變經(jīng)過(guò)計(jì)算，各處應(yīng)力集中的應(yīng)力值如表1所示。

由表1的“最大值”列可知，四種結(jié)構(gòu)改變后的應(yīng)力集中情況都有所改善。由表1的“平均值”列可知，四種結(jié)構(gòu)中，“切除法”的綜合改進(jìn)效果最明顯，“無(wú)斜面”綜合改進(jìn)效果很小?！盁o(wú)斜面”這種結(jié)構(gòu)改變需要添加大量材料，而換得的改進(jìn)效果不明顯，可認(rèn)為這種方法是不可取的。

具體對(duì)于不同的位置，分析的結(jié)果如下：

（a）無(wú)論是中間腔還是側(cè)面腔，“加斜坡”時(shí)，柱塞腔的左下角（C、I）和右下角（E、K）應(yīng)力下降明顯，平均降幅為22.7MPa，這可以解釋為“加斜坡”對(duì)柱塞腔左下角和右下角處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)。

（b）“排出腔下移”時(shí)，排出腔上部（A、F、G）的應(yīng)力下降非常明顯，平均降幅為73.2MPa，說(shuō)明“排出腔下移”減少了相貫線(xiàn)急劇變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中。

（c）“切除法”時(shí)，柱塞腔上下左右四角（B、C、D、E、H、I、J、K）的應(yīng)力值全線(xiàn)下降，平均降幅為76.2MPa。

根據(jù)以上分析，將“加斜坡”、“排出腔下移”、“切除法”三種結(jié)構(gòu)改變疊加，簡(jiǎn)稱(chēng)綜合改進(jìn)。對(duì)綜合改進(jìn)后的實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力云圖如圖4所示。

將綜合改進(jìn)后各處應(yīng)力集中位置的應(yīng)力值與原始結(jié)構(gòu)比較，得到表2，可知綜合改進(jìn)獲得了較好的效果，最大應(yīng)力減少了100.1MPa，應(yīng)力的平均降幅為81.8 MPa。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)STP3300泵頭體進(jìn)行的研究與分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，當(dāng)STP3300型泵頭體工作應(yīng)力為140MPa時(shí)，側(cè)面腔內(nèi)最大應(yīng)力為564MPa，中間腔內(nèi)最大應(yīng)力為509Ma。側(cè)面腔應(yīng)力比中間腔高出11%，是側(cè)面相對(duì)中間腔易開(kāi)裂的主要原因。

（2）通過(guò)增加斜坡、排出腔下移、及對(duì)腔體適當(dāng)切除多余部分可以明顯降低STP3300型泵頭體的最大應(yīng)力。采用這3種方法綜合改進(jìn)后，最大應(yīng)力平均降低幅度達(dá)到16%以上。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]