采油单螺杆泵动态力学特性及疲劳寿命预测研究

针对常规采油螺杆泵定子橡胶疲劳失效的问题,以油田常用的GLB120-27型单螺杆泵为研究对象,开展了50℃油浸工况下定子橡胶材料疲劳试验,获取了橡胶材料的疲劳性能参数,并构建了疲劳寿命预测模型。运用ABAQUS软件对螺杆泵进行动态力学特性有限元分析,基于数值模拟得到应力应变响应结果和定子橡胶材料单轴拉伸试验应力应变拟合表达式,计算了疲劳危险位置点应变能释放率的范围。利用构建的疲劳寿命预测模型对不同过盈量条件下的螺杆泵进行了疲劳寿命预测研究。结果表明,随着过盈量的增加,疲劳寿命呈指数函数下降,通过与某采油厂近5年单螺杆泵平均工作寿命的对比,发现基于裂纹扩展方法预测得到的螺杆泵定子橡胶疲劳寿命可以满足工程预测精度要求。

采油螺杆泵定子橡胶研究综述

采油螺杆泵在高黏度、高含砂量原油开采中具有突出优势,螺杆泵工作原理和工作环境决定了其核心部件橡胶定子的使役寿命,提升螺杆泵定子橡胶材料的耐磨、耐溶胀等性能具有重要意义。介绍了采油螺杆泵的核心部件组成和采油工作原理,面向螺杆泵定子橡胶的实际需求,梳理了国内外学者在定子橡胶材料老化、溶胀、摩擦等关键性能方面的主要研究成果,并针对近年来新兴的材料多尺度研究手段,从概念、原理、方法及其在定子橡胶力学与摩擦学性能等方面进行了综述,对未来持续提升采油螺杆泵定子橡胶耐磨、耐溶胀等性能的方法与研究手段进行了展望。

采油螺杆泵摩擦阻抗力(矩)分析

螺杆泵定子衬套的磨损是螺杆泵失效的重要因素。通过分析螺杆泵的磨损成因,推导出螺杆泵摩擦阻抗力的计算公式;考虑橡胶材料热膨胀及溶胀问题,计算出橡胶定子自由膨胀变形量;根据采油实际工况,得到高温高压对定子橡胶溶胀的影响;对螺杆泵进行热力耦合仿真分析,得到定子橡胶的溶胀对过盈量的影响以及过盈量和温度对螺杆泵摩擦阻抗力(矩)的影响。研究结果表明:由于定子的溶胀会导致实际过盈量与理论过盈量不一致;当理论过盈量较小时,由于定子的溶胀现象会导致实际过盈量变大;当理论过盈量较大时,由于定子的溶胀现象反而会导致实际过盈量变小;过盈量和温度的增加会导致螺杆泵摩擦阻抗力(矩)增大。

大扭矩螺杆钻具定子用橡胶材料的研究

从生胶、硫化体系、补强体系和特种功能助剂等着手,通过拉伸性能表征和耐磨性能、弹性模量及门尼粘度等实验比对,制备了大扭矩螺杆钻具用橡胶材料。结果表明,所获橡胶材料Shore A硬度为88,弹性模量在19 MPa以上,比常规产品提高1倍,而且加工性能优良,综合性能佳;通过对成品样机进行台架试验,表明采用该橡胶的螺杆钻具整机效率可提高20%,满足大扭矩螺杆钻具目标要求。

原油环境下螺杆泵定子材料的化学损伤

以氢化丁腈橡胶为原材料制备了螺杆泵定子材料,通过模拟真实采油环境并使用显微镜、衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪研究了螺杆泵定子材料在不同温度原油环境下的化学老化损伤情况,探究了螺杆泵定子材料在原油环境下的化学损伤机理。结果表明,原油温度和老化时间对氢化丁腈橡胶材料的化学老化损伤有重要影响,在相同老化时间下,螺杆泵定子材料的质量变化率随着原油温度的升高而增加,而在相同老化温度下,螺杆泵定子材料的质量变化率随着老化时间的延长而增加且增速趋缓;螺杆泵定子材料在25℃原油环境下的化学损伤机理主要以分子链的断裂和碳链的氧化交联为主,在60℃原油环境下的化学损伤机理主要包括分子链的断裂、碳链的氧化交联及腈基的氧化交联,而在100℃原油环境下的化学损伤机理主要包括分子链的断裂、碳链的氧化交联反应、腈基的氧化交联反应和腈基间因高温而引发的交联反应。

基于摩擦学系统理论的采油螺杆泵定子橡胶磨损分析

定子橡胶在原油介质下的减摩耐磨特性是衡量采油螺杆泵的主要技术指标之一。采油螺杆泵的运行环境复杂,影响其定子橡胶磨损的因素较多,属于典型的非线性系统问题。基于摩擦学系统理论,以橡胶定子、金属转子、石油介质、螺杆泵机械结构为主要元素,构建出采油螺杆泵的摩擦学系统框架;列出各元素特性,分析各元素之间的相互联系,并提出求解方法;对螺杆泵定子橡胶材料去除的摩擦学机制进行归纳,并初步讨论摩擦学机制与该摩擦学系统的关系。

采油用螺杆泵定子橡胶及其性能的改进

针对提高采油螺杆泵工作寿命的问题,介绍了国内外螺杆泵定子橡胶材料的类型和近年来丁腈橡胶改性研究的新进展,有利于定子橡胶性能的进一步改进。

螺杆泵定子温胀溶胀耦合变形及密封特性

采油螺杆泵工作时,定子在高温介质作用下发生温胀和溶胀,使定子脆化、膨胀等,降低螺杆泵密封性能。通过试验测得橡胶材料体积热膨胀系数及水浸和油浸时的溶胀参数,推导橡胶定子自由膨胀变形量表达式;对定子温胀变形进行有限元计算,使用温度当量法分析定子溶胀特性,耦合温胀与溶胀载荷进行有限元计算,得到型线的温胀与溶胀耦合作用变形规律。结果表明:定子发生温胀与溶胀变形时,定子型腔内表面变形量与壁厚成比例,最大变形出现在定转子接触位置;溶胀产生的变形量远高于温胀变形量。对螺杆泵密封特性进行有限元分析,得到定转子间密封带接触应力随温度与过盈量变化规律。结果表明:接触应力随温度和过盈量的增大而增大,油浸时最大接触应力高于水浸。

常规螺杆泵定子有限元求解策略

螺杆泵定子橡胶不仅是易损构件,而且它与转子的配合状况对螺杆泵的工作性能影响显著,为此需要围绕上述问题开展相关的研究工作。目前,还没有能够直接对实际工况下的定子橡胶的变形和受力状态进行测试的有效手段,因此对螺杆泵定子进行有限元分析自然是有益的尝试。利用有限元分析软件ABAQUS,对螺杆泵定子进行研究,得出了螺杆泵定子在不同工况下的受力状态和变形规律。针对常规螺杆泵受均匀和非均匀内压情况,对空间模型与平面应变模型所求出的定子的应力、应变和内轮廓节点位移进行了比较。通过对比分析论证了三维模型和平面应变模型所求出的定子橡胶衬垫在内压作用下其内轮廓线位移是一致的。因此,在这种情况下可以用平面模型来代替三维模型,从而大幅度提高了求解效率。

螺杆泵定转子过盈接触三维有限元分析

常规单螺杆泵包含两个主要的部件即橡胶定子和金属转子,定子与转子之间的相互作用是影响螺杆泵性能的主要因素之一。采用非线性有限元方法分析了螺杆泵定转子在初始过盈下的变形,结果表明转子在过盈力的作用下发生扭转与偏转;而且在初始过盈作用下圆弧段过盈小于初始过盈值,两条直线段的过盈并不相等。

提高螺杆泵定子橡胶材料寿命的分析与研究

介绍了采油螺杆泵的结构和工作原理。针对提高采油螺杆泵工作寿命的问题,通过对螺杆泵工作原理和工作寿命影响因素的分析,框述了近年来国内外螺杆泵定子橡胶新材料的特点和螺杆泵结构的优化设计方法,研究并采用了活化的硅酸盐矿物与以丁腈橡胶为主要成分的复合材料,来制备出高性能的活化硅酸盐复合材料。该材料的各项性能均高于羧基丁腈橡胶及通用丁腈橡胶。

基于Fe-safe螺杆泵定子橡胶疲劳裂纹形成寿命预测

采油用螺杆泵橡胶定子为研究对象,通过对定子橡胶材料的进行伸张疲劳试验,建立定子橡胶的S-N曲线;对螺杆泵进行力学特性分析,确定在靠近高压腔室螺旋密封带上螺杆泵最易发生疲劳失效;利用Fe-safe对螺杆泵定子橡胶进行疲劳裂纹形成寿命进行预测研究,确定螺杆泵定子橡胶各段模型的最小疲劳裂纹形成寿命和安全系数和随腔室压力的关系,即随腔室压力升高而下降,并拟合得到橡胶定子疲劳裂纹形成寿命与腔室压力的关系式。

采油螺杆泵定子温度场数值模拟分析

根据采油螺杆泵定子几何物理特性,对螺杆泵工况进行了合理的假设,建立了螺杆泵定子工作状态下的力学、传热数学模型。以常规GLB500—14型螺杆泵定子为例,利用有限元分析方法进行了定子力学场、温度场的耦合数值模拟计算,获得了特定条件下的定子内部稳态温度场分布情况,给出了温度场分布云图。通过计算结果验证,认为数值计算模拟结果较真实地反映了定子的传热状况,可为螺杆泵定子的研制开发提供可靠的理论依据。

常规螺杆泵定子有限元分析

螺杆泵定子橡胶不仅是易损构件,而且它与转子的配合状况对螺杆泵的工作性能影响显著。目前,还没有能够直接对实际工况下的定子橡胶的变形和受力状态进行测试的有效手段,因此对螺杆泵定子进行有限元分析自然是有益的尝试。重点研究定子橡胶衬垫内轮廓线的变形规律,而应力和应变分布情况仅作为辅助性的分析;对螺杆泵工况的考虑方面,重点研究均匀内压作用的情况,再考虑工作压差以及定子与转子的装配等所引起定子橡胶的变形和受力的变化。利用有限元分析软件Abaqus,对螺杆泵定子进行研究,得出了螺杆泵定子在不同工况下的受力状态和变形规律以及定子材料参数对变形规律的影响。利用此规律可对螺杆泵进行优化设计,提高其工作效率。

螺杆泵定子橡胶溶胀对容积效率的影响及对策

在油井高温、高压条件下, 原油或其中的某些化学物质通常会渗透到螺杆泵定子橡胶内部, 使橡胶膨胀, 体积增大, 增大部分占据了空腔体积, 使实际储存油液的空腔体积变小, 导致容积效率降低。3台GLB120—27螺杆泵的现场试验表明, 零压力时, 橡胶溶胀厚度平均 2 1mm, 容积效率损失平均 25 .19%, 与计算平均值 21 .24%接近, 容积效率损失随着泵出口压力增大而减小。最后提出了提高泵容积效率的技术对策。

干摩擦条件下FKM/NBR共混胶磨损行为研究

为改善丁腈橡胶(NBR)螺杆泵定子衬套的耐磨性能,采用氟橡胶(FKM)与其混炼制备FKM/NBR混炼胶,并在MPV-600型磨粒磨损试验机上研究相同硬度的氟橡胶和丁腈橡胶及其配比为5∶5、2∶8的混炼胶试样在干摩擦条件下的磨损行为,利用体式显微镜观察4种橡胶试样的磨损形貌并分析其磨损机制。结果表明:摩擦热引起的温升导致橡胶硬度降低是干摩擦条件下橡胶磨损的主要原因,混炼胶的耐热性能较好,其耐磨性能也较好,其中FKM/NBR配比为2∶8的混炼胶的耐热性能和耐磨性能最好;干摩擦条件下氟橡胶和丁腈橡胶的磨损机制以磨粒磨损和黏着磨损为主,而混炼胶以磨粒磨损为主。

等壁厚与常规井下螺杆泵对比分析

常规螺杆泵定子由于橡胶厚度不均匀致使其存在受力、散热和溶胀不均匀等问题,而等壁厚定子螺杆泵通过改变泵体结构,能够保证定子橡胶厚度均匀,从而改善了螺杆泵工作性能。采用ANSYS对常规螺杆泵和等壁厚螺杆泵的定子衬套进行受力和变形研究,找出了2种螺杆泵定子橡胶衬套在不同工况下的受力状态和变形规律,并进行了对比分析,得出了2种螺杆泵的截面型线的变形规律,为型线的设计提供了依据。最后对2种螺杆泵进行了室内性能对比试验,结果表明,在相同压力下,等壁厚螺杆泵的容积效率更高,且在许可的容积效率下,其承压能力更强。

类椭圆型采油螺杆泵举升性能分析

鉴于对类椭圆型采油螺杆泵举升性能研究较少的现状,建立了类椭圆型采油螺杆泵有限元模型,通过对螺杆泵接触带泄漏位置判定和接触应力计算分析,给出了临界接触应力随低压腔室压力变化的关系式,为该型螺杆泵的举升压力计算分析提供了高效快捷的方法。分析了不同腔室压差情况下临界接触应力与低压腔室压力的关系以及举升压力随螺杆泵级数变化的规律。研究结果表明:类椭圆型螺杆泵最易发生泄漏的位置通常出现在其窄带上,并且均在1/3导程范围内;随着低压腔室压力的增大,临界接触应力随之减小;随着螺杆泵级数的增加,举升压力增大,但增速逐渐变缓,因此在螺杆泵工作时,由下至上,单级腔室对采油螺杆泵举升压力的贡献逐渐减小。研究结果可为类椭圆型螺杆泵的设计提供参考。

采油螺杆泵磨损机理试验性研究

现今油田螺杆泵抽油井普遍采用的是单螺杆泵进行采油作业。针对螺杆泵转子与定子橡胶间的磨损问题,模拟GLB120—27型采油单螺杆泵螺杆-衬套副进行磨损试验研究。利用变频器改造MPX—2000型磨损试验机的参数及设计进行磨损试验的夹具。查阅相关文献并结合现场实际工况确定试验方案及试验参数。通过试验结果分析摩擦系数和磨损量与速度、载荷、环境介质之间的规律,为分析螺杆泵橡胶衬套磨损机理提供依据。

单螺杆泵定子橡胶的接触磨损分析

采用有限元法对常规单螺杆泵和等壁厚定子单螺杆泵的定子橡胶和螺杆进行接触非线性计算,得到了螺杆与定子在不同位置接触时变形及剪应变云图;分析了定子接触磨损的特点及规律,并进行了比较。结果表明:常规单螺杆泵定子与螺杆在圆弧顶接触时,剪应变和变形最大,定子两圆弧对角磨损最严重,同时定子的磨损随过盈量增大而明显增大;而等壁厚螺杆泵则在中间位置接触时,剪应变和变形最大,且最大剪应变位于定子的外表面。由于目前还没有能够直接对实际工况下的定子橡胶的变形和接触状态进行测试的有效手段,本文为定子的优化设计提供了理论基础和有效的数值模拟方法。