高速冲击下压裂液颗粒对压裂泵胶圈的冲蚀磨损

【目的】研究压裂泵的泵阀胶皮冲蚀磨损的影响因素。【方法】采用有限元软件COMSOL建立3 500 HP压裂泵液力端阀体流域模型,分析颗粒浓度、颗粒直径以及阀体锥角等因素对胶圈冲蚀磨损的影响。利用有限元软件ABAQUS建立胶皮的单颗粒和多颗粒冲蚀力学模型,分析颗粒形状、冲蚀速度、冲击角度和冲击次数等因素对冲蚀磨损性能的影响。【结果】(1)为改善胶圈磨损状态,阀体锥角最好不要小于70°;颗粒浓度越小,胶圈的磨损程度越低;固体颗粒直径增大2倍时,两相速度增加25%左右,对泵阀的磨损影响不大。(2)随着冲蚀速度的增加,冲蚀磨损程度也增大;胶皮在低攻角下更易吸收尖锐颗粒的能量,而在90°冲击下更易吸收圆钝颗粒的能量;多次冲击作用下,圆钝颗粒会导致胶皮疲劳失效,而尖锐颗粒则导致材料表面拉伸失效。【结论】对于3 500 HP压裂泵,可通过降低固相浓度,增大阀锥角以及减少固体颗粒的尖锐程度等方法减少胶圈的冲蚀磨损。