楊偉業(yè)

（珠海格力新材料有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

石油能源是人們?nèi)粘Ｉ钪匾哪茉促Y源，石油設(shè)備作為開采石油的重要器械是必不可少的。壓裂技術(shù)主要是使用在老油氣田中，用來增加產(chǎn)量和排油的能力，經(jīng)過一次成功的壓裂之后，一般情況之下可以使油井的產(chǎn)量增加數(shù)倍以上，甚至還可以達(dá)到十幾倍、幾十倍不等，可以產(chǎn)生非常多的經(jīng)濟(jì)效益[1]。一次壓裂后，可能會出現(xiàn)因水力力度不夠裂縫逐漸閉合的狀況，這種情況下使得壓裂技術(shù)得不到充分的使用，作用時間很短。因此工作中常常在第一次壓裂之后間接很短的內(nèi)繼續(xù)使用壓裂技術(shù)使其避免裂縫閉合，進(jìn)而達(dá)到增加產(chǎn)能的效果，因此壓裂技術(shù)一般是連續(xù)多次使用的。然而壓裂泵是壓裂技術(shù)中不可或缺的設(shè)備，但它們在極端惡劣的工作環(huán)境下承受著巨大的壓力和循環(huán)載荷，而且輸送的介質(zhì)還具有較強(qiáng)的腐蝕性，因此，壓裂泵的零部件設(shè)計和制造變得更加困難，尤其是柱塞處與橡膠之間的摩擦，會對壓裂泵的運(yùn)行產(chǎn)生極大的影響，其主要失效形式是磨粒磨損[1]。

根據(jù)專家的研究，當(dāng)摩擦副的表面具備適當(dāng)?shù)拇植诔潭群徒Y(jié)構(gòu)，就可以提高其摩擦效果。而且，隨著潤滑條件的變化，結(jié)構(gòu)的功效也發(fā)生了變化：（1）干摩擦條件下，結(jié)構(gòu)可以吸附和消除磨料，從而降低磨粒的磨耗[2]；（2）混合潤滑條件和邊緣潤滑條件[3]，結(jié)構(gòu)可以貯藏和維護(hù)潤滑劑，從而延長其使用壽命；（3）流動潤滑條件下，結(jié)構(gòu)可以形成楔形效應(yīng)，提升摩擦效率[1-4]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，表面織構(gòu)已經(jīng)成為滑動軸承、活塞面和壓裂泵柱塞密封副的重要組成部件[5]。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和仿真，我們發(fā)現(xiàn)，不論采取何種構(gòu)造，表面織構(gòu)的參數(shù)都會直接或間接地影響壓裂泵柱塞密封副的摩擦磨損性能[6-9]。因此，為了更好地控制壓裂泵柱塞密封副的摩擦磨損，有必要采取更加有效的表面織構(gòu)[1]，如采取方形凹坑構(gòu)造，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)，從而更好地控制表面織構(gòu)的參數(shù)，從而更有效地控制壓裂泵柱塞密封副的摩擦磨損性能。

1 壓裂泵的工作原理

壓裂泵的工作原理是四桿機(jī)構(gòu)中的一種特殊機(jī)構(gòu)，即曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，也屬于往復(fù)泵，其主要是由動力端和液力端這兩個部分組成，其中動力端是在液力端前面部分，主要是通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將原動機(jī)上的能量傳輸給液力端，而液力端是將滑塊往復(fù)運(yùn)動中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為泵內(nèi)的工作介質(zhì)的液壓能輸送到壓裂液中去。工作時必須使動力端和液力端的相互配合，才能使壓裂作業(yè)順利完成[1-3]。

各部分組成如下：

（1）動力端：曲柄、連桿、原動機(jī)、齒輪、十字頭等。

（2）液力端有：液缸體、柱塞、密封副總成、密封元件、管線、閥等。

具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 壓裂泵結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，壓裂泵的工作過程中可以分為兩個過程：吸入和排出。在吸入過程中：通過一系列傳動系統(tǒng)使原動機(jī)帶動壓裂泵的曲柄旋轉(zhuǎn)，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，可使得十字頭和柱塞向右運(yùn)動，因此造成泵腔內(nèi)容積增大，進(jìn)而導(dǎo)致泵腔內(nèi)壓力下降，當(dāng)它們移動到右死點(diǎn)時，腔內(nèi)壓力將降低到最小值，由于壓力差的存在使得壓裂液克服彈簧的彈力和吸入閥自身的重力等進(jìn)入工作容腔。排出過程：曲軸的繼續(xù)扭轉(zhuǎn)時，帶動柱塞及其相應(yīng)零件向左運(yùn)動，從右死點(diǎn)運(yùn)動到左死點(diǎn)，使得工作容腔容積減小，進(jìn)而導(dǎo)致泵腔內(nèi)壓力增加，當(dāng)移動到左死點(diǎn)時，腔內(nèi)壓力升高到了最大值，此時與吸入過程剛好相反。

2 壓裂泵柱塞密封系統(tǒng)仿真模型建立

2.1 丁腈橡膠本構(gòu)方程

通過對一種叫做丁腈橡膠（NBR）的橡膠密封圈的仿真分析來探究其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)劣。NBR 的主要規(guī)格包括：內(nèi)部直徑45 mm、截面寬度5 mm。橡膠作為一種獨(dú)特的物質(zhì)[7-9]，其具備極強(qiáng)的抗拉伸和抗彎曲能力，且屬于多方位的物理化學(xué)穩(wěn)定劑。在本次實(shí)驗(yàn)中，基于以下幾點(diǎn)假定來探討丁腈橡膠的密封性能：（1）確定的彈性模量與泊松比；（2）考慮到腐蝕與高溫的因素，我們不會改動它們；（3）考慮到蠕變的作用，不改變它們的體積；（4）它們的拉伸與壓縮的蠕變形態(tài)是一致的。采用Mooney-Rivlin 函數(shù)來描述橡膠的本構(gòu)方程可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

式中，W表示應(yīng)變能密度，C10和C01則表示材料系數(shù)，而I1和I2則表示第一和第二個應(yīng)變張量的不變值。

應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系為：

C10、C01分別取為1.87 和0.47。

2.2 軸對稱模型建立

采用仿真技術(shù)，根據(jù)不同的參數(shù)，研究了壓裂泵柱塞密封系統(tǒng)的特點(diǎn)，并且詳細(xì)地探討了織構(gòu)邊長與密封橡膠的彈性變形之間的關(guān)系，以及它們之間的交互作用，從而有效地改善了系統(tǒng)的摩擦效果。

在構(gòu)建矩形密封圈模型時，基本假設(shè)：

（1）由于柱塞與溝槽的彈力模量E=210 GPa（泊松比0.3，密度7800 kg/cm3），這意味著它們的彈性模量比橡膠高出幾萬倍，因此，在沒有計算它們的變形的情況下，可以把它們看作是具有剛性的實(shí)際結(jié)構(gòu)。

（2）由于其泊松比接近0.5，因此橡膠材料具有極強(qiáng)的可壓縮性。

通過二維軸對稱有限元分析，建立模型參數(shù)為：織構(gòu)邊長0 μm、50 μm、100 μm、150 μm 和200 μm，間距400 μm，深度100 μm。在進(jìn)行本次研究之前，我們需要確定兩種工作條件：一種是在靜止的情況下，通過測試橡膠材料的彈性變形，以確定它的彈性模數(shù)；另一種工作條件則需要在施加工作介質(zhì)壓力的情況下，通過測試彈簧的彈性變形，以確定它的彈性模數(shù)。當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時，流體介質(zhì)與橡膠密封圈之間的接觸點(diǎn)位置發(fā)生變化，形成了由右至左的壓差，這種壓差可以加大橡膠密封圈的緊固程度，改善了它們之間的連通性，從而大大提升了它們的密封效果。通過安裝靜密封件，能夠限制軸向位移，使得軸向位移無法移動。向軸向位移處施加3 MPa 的平行于軸向位移的壓力，以保證軸向位移的穩(wěn)定性。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸向位移被限制時，軸向位移會被限制，而軸向位移的平行度也會受到限制。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 織構(gòu)存在對橡膠的影響

為了研究織構(gòu)存在對橡膠的影響，在保證橡膠初始壓縮量和介質(zhì)壓力都相同，對有織構(gòu)（50 μm）和無織構(gòu)兩種情況下橡膠進(jìn)行分析，如圖2 所示為有無織構(gòu)下橡膠彈性變形和Mises 等效應(yīng)力云圖。由圖可以看出，織構(gòu)邊長為50 μm 和無織構(gòu)情況下，橡膠的應(yīng)力云圖基本相似，這說明織構(gòu)邊長為50 μm 時對橡膠的整體應(yīng)力不會造成影響。

圖2 有無織構(gòu)下橡膠彈性變形和Mises 等效應(yīng)力云圖

3.2 織構(gòu)邊長對橡膠應(yīng)力分布的影響

為了研究不同織構(gòu)邊長對橡膠應(yīng)力的影響，在保證橡膠初始壓縮量和介質(zhì)壓力都相同，只改變織構(gòu)邊長值的情況下對前述建立的仿真模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。圖3 是不同織構(gòu)邊長下橡膠Mises 等效應(yīng)力云圖。由圖可以看出，在織構(gòu)邊長50 μm、100 μm、150 μm、200 μm 情況下，橡膠在右邊中間部分和織構(gòu)轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力都較大，其最大應(yīng)力部分出現(xiàn)在織構(gòu)轉(zhuǎn)角處，根據(jù)材料力學(xué)知識可以發(fā)現(xiàn)在這個地方的橡膠材料有可能最先劈裂，屬于危險地方。此外由圖還是可以看出，隨著織構(gòu)邊長的增加，柱塞織構(gòu)處的橡膠大應(yīng)力范圍也越來越大。這說明織構(gòu)邊長越大，反而會對摩擦性能不利，違反設(shè)計的初衷。

圖3 不同織構(gòu)邊長下橡膠Mises 等效應(yīng)力云圖

3.3 織構(gòu)邊長對摩擦性能的影響

為了研究不同織構(gòu)邊長對橡膠彈性變形的影響，在保證橡膠初始壓縮量和介質(zhì)壓力都相同，只改變織構(gòu)邊長值的情況下對前述建立的仿真模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，著重觀測彈性變形的結(jié)果。根據(jù)圖4，我們可以看到，當(dāng)預(yù)壓縮0.5 mm、介質(zhì)壓力3 MPa 時，由于橡膠密封副具有超強(qiáng)的彈性，它的表面會因其具有的織構(gòu)而發(fā)生變形，從而導(dǎo)致它們更容易進(jìn)入凹陷，并且當(dāng)它們與柱塞進(jìn)行相對移動時，會因其具有的韌性而受損。因此，我們可以通過仿真技術(shù)來評估這種情況，從而獲取有關(guān)橡膠彈性應(yīng)變的有效信息。根據(jù)圖像，當(dāng)織構(gòu)的邊緣尺寸變化時，橡膠密封件更有可能被擠進(jìn)凹槽結(jié)構(gòu)中。這種情況下，擠出的橡膠塊的體積會變得更大，因此在擠出過程中會產(chǎn)生更強(qiáng)的摩擦力。這會導(dǎo)致橡膠材料在擠出過程中的磨損程度加劇，從而提高摩擦表面之間的相互作用。

圖4 不同織構(gòu)邊長下橡膠等效彈性應(yīng)變云圖

4 結(jié)論

為研究不同邊長方形織構(gòu)對織構(gòu)化壓裂泵柱塞密封副摩擦學(xué)性能的影響，基于ANSYS 仿真分析壓裂泵柱塞表面存在不同邊長織構(gòu)時對橡膠密封副應(yīng)力應(yīng)變及彈性變形的影響，主要得到了如下結(jié)論：

（1）當(dāng)介質(zhì)壓力保持不變時，隨著織構(gòu)邊長從50 μm 增加至200 μm，橡膠織構(gòu)內(nèi)部的變形量會顯著增加，這會嚴(yán)重影響摩擦性能，而且與較大的織構(gòu)相比，較小的邊長織構(gòu)對橡膠應(yīng)力的影響更為有限。

（2）為了達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)性能，應(yīng)該盡可能地選擇尺寸較小的織構(gòu)邊長參數(shù)，以減少橡膠材料在織構(gòu)處的變形量。