摘要：壓裂泵液力端閥箱作為油氣田開采壓裂施工設(shè)備中的一種高值易損件，目前普遍使用整個大型鍛造成型的鍛坯機加工而成，在制造生產(chǎn)過程中存在大量的材料浪費問題。針對液力端閥箱的失效特性進行了分析，確認了在保證結(jié)構(gòu)強度的情況下，可有效減小易疲勞開裂位置的應(yīng)力集中程度，同時實現(xiàn)閥箱鍛坯材料的減重，甚至延長液力端閥箱的疲勞壽命。通過有限元分析方法對閥箱減重及延長壽命的可行性進行分析，提出了一種組合式模塊化設(shè)計的壓裂泵液力端結(jié)構(gòu)，提供該種組合型模塊化液力端樣機在現(xiàn)場試驗的相關(guān)情況，最后提出了組合型模塊化液力端設(shè)計中需要注意的事項。研究結(jié)果對壓裂泵液力端閥箱減重及延長壽命既具有理論指導(dǎo)意義，又具有現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：閥箱;工作壽命;減重;組合式模塊化設(shè)計

中圖分類號：TE934.2" " " " 文獻標志碼：B" " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.04.012

Study on the Feasibility of Reducing the Weight and Extending the Life of Fracturing Pump Fluid Ends

CHEN Tao1，LI Niexi2，DUAN Xiaojun3，JIA Haiping3，LI Zhiqun3，YAN Baoquan3

（1. Shanghai Qinghe Machinery Co.，Ltd.，Shanghai 201802，China;2.Engineeringamp;Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China;3.Changqing Downhole Technology Company，CCDC，Xi’an 710021，China）

Abstract： As a high value consumable part， the fracturing pump fluid end of the fracturing pump is widely used in China to process the entire large-scale forged billet. There is a lot of material waste in the manufacturing process. According to the structural characteristics of the fracturing pump fluid end，the failure characteristics of the fracturing pump fluid end were analyzed. It is confirmed that as long as the structural strength is guaranteed，the weight of the valve box forging material can be reduced as long as the stress concentration degree at the easy cracking position is effectively reduced，and even the fatigue life of the fracturing pump fluid end can be extended. According to the analysis，a combined modular fracturing pump fluid end structure was proposed，and the issues to be considered in the design of the combined modular fracturing pump fluid end were put forward. The relevant situation of the combined modular fracturing pump fluid end prototype in the field test is presented. This study not only has theoretical guidance significance，but also practical significance and economic value for the weight reduction and service life extension of fracturing pump fluid ends.

Key words： fluid ends;working life;lose weight;combined modular design

壓裂泵（車）是目前提高油、氣井采收率的重要設(shè)備，尤其對于非常規(guī)油氣開采，壓裂作業(yè)扮演著重要的角色。壓裂泵（車）通過向井下泵送高壓清水、泥漿液、支撐劑等各類作業(yè)介質(zhì)對地層進行加砂壓裂或酸化壓裂作業(yè)及壓力測試等工作[1]。伴隨著壓裂施工要求的不斷變化，尤其是我國西南川渝等地頁巖油氣的開發(fā)，各類大型壓裂設(shè)備相繼問世，壓裂設(shè)備的工作壓力以及排量要求不斷提高，同時這些要求對作為高值易損件的壓裂泵液力端閥箱實際使用壽命影響極大。因此，如何有效降低壓裂泵液力端閥箱的制造成本與延長使用壽命成為了壓裂泵閥箱設(shè)計以及生產(chǎn)中一個重要的目標。

關(guān)于液力端閥箱的生產(chǎn)制造過程，一般分為原材料冶煉、鑄造、電渣重熔、鍛造、熱處理，機加工、表面處理等。以某型號液力端閥箱為例，不計算電渣錠的損失，從鍛坯到產(chǎn)品材料的損失率已經(jīng)達到了50%，經(jīng)過嚴格工序生產(chǎn)出來的鍛坯，其總質(zhì)量的一半將在后續(xù)的機加工過程中被廢棄，同時大量的機加工工時浪費在原材料的切除工序，實質(zhì)性地造成了閥箱的成本居高不下。

關(guān)于液力端閥箱的失效模式，張慶根、趙艷瓊、莫麗等先后在閥箱破壞的原因、失效形式、延長閥箱壽命等方面開展了研究[2-4]，也總結(jié)了眾多有利于提高液力端使用壽命的指導(dǎo)性結(jié)論，無論是超高壓自增強還是其它產(chǎn)生合理的殘余應(yīng)力的手段，都是為了有效減小關(guān)鍵位置應(yīng)力集中程度的效果，從而閥箱的疲勞使用壽命得到延長[5-11]。

本文通過對減重后的閥箱、優(yōu)化內(nèi)腔結(jié)構(gòu)減重閥箱、傳統(tǒng)閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置在工作狀態(tài)下應(yīng)力集中程度的分析對比，得出了有效減小閥箱質(zhì)量的措施，并提出了組合式模塊化設(shè)計壓裂泵液力端結(jié)構(gòu)以及設(shè)計中需要注意的事項。

1 閥箱工作狀態(tài)下內(nèi)腔有限元分析

以某型號壓裂泵液力端閥箱為例，以其單缸為研究對象，使用有限元分析工具進行工作狀態(tài)分析，當網(wǎng)格尺寸減小為8 mm時，計算應(yīng)力結(jié)果已基本穩(wěn)定，其與網(wǎng)格尺寸為10 mm 時的結(jié)果差異主要是由于網(wǎng)格尺寸不同帶來的計算積分點的不同，所以可以認為網(wǎng)格尺寸為8 mm時，計算結(jié)果已經(jīng)收斂，以下分析結(jié)果網(wǎng)格尺寸均為 8 mm。

在103.5 MPa的工作壓力下其內(nèi)腔的應(yīng)內(nèi)場如圖1所示。

從圖1可以看出，內(nèi)腔應(yīng)力集中點主要在相貫線四處位置，如圖1所示的A、B、C、D處，這也是與現(xiàn)場施工中壓裂泵液力端閥箱常見開裂失效位置是一致的，通過高壓自增強或者其它技術(shù)手段有效的減小A、B、C、D四處位置的應(yīng)力集中程度即可有效延長液力端閥箱的使用壽命。

2 減重后閥箱內(nèi)腔有限元分析

傳統(tǒng)的液力端閥箱如圖2a所示。經(jīng)過充分的研究分析，保留閥箱承壓主體結(jié)構(gòu)，將吸入端、排出端、盤根密封位置作為單獨的零件進行模塊化設(shè)計，最終得到的閥箱外形結(jié)構(gòu)如圖2b所示。以單缸為研究對象，使用有限元分析工具進行工作狀態(tài)分析，當網(wǎng)格尺寸減小為8 mm時，計算應(yīng)力結(jié)果已基本穩(wěn)定，以下分析結(jié)果網(wǎng)格尺寸均為 8 mm。

在103.5 MPa的工作壓力下圖2b閥箱內(nèi)腔的應(yīng)內(nèi)場如圖3所示。

由如圖3所示的A、B、C、D為閥箱工作時應(yīng)力集中處，這也是與現(xiàn)場壓裂泵液力端閥箱常見開裂失效位置是一致的，也就是閥箱的應(yīng)力集中狀態(tài)和位置基本未發(fā)生變化，同時A、D位置的應(yīng)力集中程度明顯要高于圖1結(jié)果，這是由于在減重結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中一些位置的材料損失導(dǎo)致的，但是也可以看出模型的最大應(yīng)力與圖1結(jié)果差別不大于100 MPa，各個生產(chǎn)廠家對于不同閥箱材料的熱處理后性能要求不盡相同，但是在保證傳統(tǒng)閥箱基本性能要求的基礎(chǔ)上，一般要求的材料屈服強度在900 MPa左右，分析結(jié)果顯示出無論傳統(tǒng)液力端閥箱或者減重的液力端閥箱，其關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中程度與最大應(yīng)力遠小于閥箱原材料的屈服強度，具體結(jié)果對比如表1所示。

3 優(yōu)化減重閥箱后內(nèi)腔有限元分析

閥箱內(nèi)腔的優(yōu)化過程可參照文獻[12]，本文不再贅述。該論文指出壓裂泵液力端閥箱內(nèi)腔加工一定的幾何形狀能有效減小閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中水平，同時可兼顧液力端通用配件的安裝以及使用，一旦閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中峰值得到改善，那么閥箱疲勞壽命就會得到一定的提升[12]?；诖苏摂啵瑢D2b所示模型進行內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的迭代優(yōu)化，具體過程可參照文獻[12]的內(nèi)容，最終得到閥箱模型再進行有限元分析。

使用有限元分析工具對模型進行工作狀態(tài)分析，當網(wǎng)格尺寸減小為8 mm時，計算應(yīng)力結(jié)果已基本穩(wěn)定，以下分析結(jié)果網(wǎng)格尺寸均為 8 mm。

在103.5 MPa的工作壓力下其內(nèi)腔的應(yīng)內(nèi)場如圖4所示。

由如圖4所示的A、B、C、D位置為應(yīng)力集中位置，這也是與現(xiàn)場壓裂泵液力端閥箱常見開裂失效位置是一致的，同時A、B、C、D四處位置的應(yīng)力集中程度明顯要低于圖1結(jié)果，也低于圖3所示的結(jié)果，也遠小于閥箱原材料的屈服強度，三種模型有限元分析結(jié)果對比如表2所示。

通過表2可以看出，通過合理的減重以及內(nèi)腔優(yōu)化完全可以實現(xiàn)壓裂泵液力端閥箱的輕量化，而且通過內(nèi)腔優(yōu)化，閥箱內(nèi)腔疲勞開裂的關(guān)鍵位置應(yīng)力集中程度也得到了明顯的改善，相比較于傳統(tǒng)液力端，減重后內(nèi)腔優(yōu)化的閥箱其關(guān)鍵位置A、B、C、D處應(yīng)力集中程度分別下降了7.67%、17.78%、12.64%、16.46%。

4 基于有限元結(jié)論的分析

通過前文可得出在通過合理減重后，只要對閥箱內(nèi)腔經(jīng)過有效的迭代優(yōu)化即可實現(xiàn)在閥箱減重的同時關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中程度的有效下降，而關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中程度有效下降將實現(xiàn)閥箱疲勞壽命的有效提高。實際中經(jīng)過對比，相同施工工況下通過閥箱內(nèi)腔形狀的改造在內(nèi)腔A、B、C、D四個關(guān)鍵位置應(yīng)力集中峰值減小17%情況下，現(xiàn)場使用壽命可提高20%以上[12];如果只是簡單的外形優(yōu)化減少材料的使用量將導(dǎo)致閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置應(yīng)力集中程度的上升，從而導(dǎo)致閥箱疲勞壽命的縮短。

閥箱的減重及延長疲勞壽命方案確認后，分體式設(shè)計的吸入端、排出端以及盤根密封的設(shè)計尤為重要。提出了減重、模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)方案[13～15]，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

實際產(chǎn)品目前已經(jīng)在現(xiàn)場進行測試中，通過現(xiàn)場驗證，該結(jié)構(gòu)形式的液力端閥箱優(yōu)點如下：

1） 高值易損件閥箱使用壽命有限延長。

得益于閥箱質(zhì)量的減輕，在閥箱原材料熱處理的過程中發(fā)現(xiàn)，減重后的閥箱在材料熱處理后的性能得到了很大的提高，特別是相貫線位置的閥箱芯部的力學性能提高尤為明顯;同時在材料性能提高的基礎(chǔ)上通過內(nèi)腔優(yōu)化，應(yīng)力集中的四處關(guān)鍵位置應(yīng)力集中程度得到了明顯改善，閥箱的疲勞壽命得到明顯提高。

2） 適應(yīng)高壓、高含砂工況。

由于材料熱處理后性能的提高以及關(guān)鍵疲勞壽命的有效提高，在高壓、高含砂工況下閥箱的使用壽命相比于傳統(tǒng)產(chǎn)品得到有效提高，更適合高壓、高含砂的苛刻工況。

3） 模塊化優(yōu)化設(shè)計。

提高了產(chǎn)品可靠性，更易于維護和產(chǎn)品升級，解決局部損傷導(dǎo)致液力端閥箱報廢或者高價維修的問題。

5 現(xiàn)場試用

根據(jù)減重模塊化的設(shè)計思想，完成了產(chǎn)品的詳細設(shè)計以及樣機生產(chǎn)制造，自2023-05投入現(xiàn)場試用，已累計在西南川渝地區(qū)經(jīng)過數(shù)個壓裂平臺的試用，典型工況如表3所示。

在某平臺現(xiàn)場試用過程中由于高壓力、高含砂的工況條件，多臺傳統(tǒng)液力端出現(xiàn)盤根密封位置閥箱刺傷，繼而導(dǎo)致液力端拆機、發(fā)生閥箱報廢、返廠返修的問題，試用的模塊化減重壓裂泵液力端在相同施工現(xiàn)場也出現(xiàn)了盤根密封位置失效導(dǎo)致無法繼續(xù)工作的問題，但是由于模塊化的設(shè)計在更換盤根模塊組件后即可投入生產(chǎn)現(xiàn)場使用，可以避免局部損壞導(dǎo)致閥箱返修、報廢的問題發(fā)生。壓裂泵傳統(tǒng)液力端閥箱在施工現(xiàn)場出現(xiàn)的盤根密封位置刺漏如圖6所示。

試用減重后液力端盤根密封位置出現(xiàn)刺傷后現(xiàn)場更換盤根密封模塊如圖7所示。

樣機在現(xiàn)場使用過程中也出現(xiàn)了一些問題，主要表現(xiàn)在關(guān)鍵件的質(zhì)量控制以及設(shè)計過程中關(guān)鍵件的疲勞強度校核，這些問題在后期產(chǎn)品迭代優(yōu)化中都得到了有效解決。

6 結(jié)論

1） 通過合理的減重可優(yōu)化現(xiàn)有的壓裂泵液力端結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)強度滿足要求的情況下可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式提高閥箱關(guān)鍵位置的疲勞壽命。

2） 減重設(shè)計的閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中程度必須小于、等于傳統(tǒng)閥箱內(nèi)腔關(guān)鍵位置的應(yīng)力集中程度，否則減重閥箱的使用壽命將得不到保障，內(nèi)腔優(yōu)化后的減重閥箱在關(guān)鍵位置可獲得更好的疲勞壽命。

3） 組合模塊化設(shè)計的壓裂泵液力端閥箱在相同熱處理工藝下可得到更好的芯部材料力學性能，更利于閥箱關(guān)鍵位置疲勞壽命的延長。

4） 組合模塊化設(shè)計的壓裂泵液力端在設(shè)計過程中必須注意模塊化零件的高壓密封和裝配后的形位公差。

5） 組合模塊化設(shè)計的壓裂泵液力端中的模塊化零件在設(shè)計過程要充分考慮在額定工作壓力下模塊化零件的強度，尤其是疲勞強度的校核。

6） 通過現(xiàn)場樣機的試用，組合模塊化設(shè)計的壓裂泵液力端在現(xiàn)場完全可替換傳統(tǒng)液力端產(chǎn)品，在高值易損件閥箱減重的同時解決了傳統(tǒng)液力端閥箱局部損傷尤其是盤根密封位置刺傷導(dǎo)致的閥箱報廢問題。

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收稿日期： 2024-02-21

作者簡介： 陳 濤（1985-），男，陜西西安人，工學碩士，高級工程師，從事石油礦場設(shè)備以及石油測井儀器設(shè)計開發(fā)工作，

E-mail：tchen@haimo.com.cn。