泵头体裂纹失效分析

采用化学成分分析、力学性能测试、宏观观察及金相检测等手段,对不锈钢泵头体裂纹产生的原因进行了分析。结果表明:由于泵头体抗拉强度低、晶粒稍粗,因此导致其自身的抗疲劳强度不足,在交变载荷压应力的作用下,材料因疲劳而产生裂纹。

钻井泵泵头体疲劳裂纹扩展分析

为探究钻井泵原头体裂纹扩展规律,对五缸钻井泵进行裂纹扩展分析。首先,针对泵头体材料进行拉伸、断裂韧度及裂纹扩展速率试验,获得有限元仿真参数;随后,对泵头体进行极限工况下的强度分析及疲劳安全系数分析,获得易发生裂纹的区域;最后,通过改变裂纹形状、尺寸、应力比及温度来探究泵头体的裂纹扩展规律。结果表明,五缸钻井泵泵头体易产生裂纹的区域为右端液压腔相贯线位置处;裂纹尺寸的增加会促进疲劳裂纹的扩展,且初始裂纹的深度对裂纹扩展的促进作用更加显著;增加泵头体的应力比会导致裂纹扩展难度增加,延长寿命;随着温度的增加,初始裂纹扩展加速;以裂纹深度准则进行安全性判断时,R=0.1和R=0.2时寿命分别为146和246 h;以结构面有限性度准则进行安全性判断时R=0.1和R=0.2时寿命分别为101和122 h。

泵头体锻件缺陷分析

泵头体锻件在无损检测时,发现密集型超标缺陷,通过低倍检验、扫描电镜分析、金相分析方法,确定了缺陷性质为夹杂物。通过生产过程的对比分析,发现炼钢过程中脱氧不充分是导致此缺陷的主要原因。

材质对超高压压裂泵泵头体自增强性能的影响研究

以某型号的超高压压裂泵泵头体为研究对象,在改变其材料屈服强度的情况下,对其进行弹性有限元分析,得出其屈服强度和弹性承载能力的内在关系。在此基础上对自增强处理过程进行弹塑性有限元分析,可知提高泵头体的自增强性能应从材料的屈服强度和自增强内压两方面入手。

包辛格效应在泵头体自增强上的应用

针对油田压裂工艺中对压力的要求越来越高和压裂液的腐蚀性越来越大造成的压裂泵泵头体极易损坏的问题,根据自增强原理,研究了一套泵头体自增强压力计算方法。该方案基于材料的包辛格效应,根据反向屈服应力的大小找到最佳自增强压力,然后以某型号的压裂泵泵头体为研究对象,在ANSYS有限元软件中建立考虑材料应变硬化和包辛格效应的双线性随动强化理论模型,对自增强泵头体进行数值模拟计算。数值计算结果表明,在120 MPa工作压力下,与未经过自增强处理的泵头体相比,经过自增强处理的泵头体内部的整体应力分布均匀,最大应力较小,改善了泵头体内部的疲劳状况,延长了泵头体的使用寿命。该项研究成果可为工程应用提供理论依据。

超高压压裂泵泵头体自增强再处理研究

自增强技术是提高超高压压裂泵泵头体寿命的有效方法。针对自增强处理形成的残余应力易出现松弛现象,开展了对泵头体再次自增强处理的研究。分析了初始自增强处理的最佳自增强压力的计算方法,得出了最佳压力值为637.7 MPa;并计算了泵头体在最佳自增强压力作用下的残余应力及工作应力分量值。确定了泵头体危险处沿内腔十字交叉孔面法线方向的应力分量对泵头体疲劳寿命的提高或降低起主导因素。根据法向残余压应力的衰减量,研究了泵头体再次自增强处理压力及残余压应力层深度变化的规律。结果表明：当泵头体内腔残余应力衰减量达到40%~45%范围内,需要进行再次自增强处理;且实施再次自增强处理所需的自增强压力应略高于或等于初始自增强处理时的最佳自增强压力。

压裂泵泵头体相贯线裂尖应力场及应力强度因子研究

压裂泵泵头体作为油气压裂工艺的中的关键装备,直接决定了压裂技术的成败,影响油气开采效率和经济效益。针对现有泵头体相贯线处的疲劳开裂失效现状,建立了泵头体有限元分析模型和不同初始长度的圆形裂纹断裂模型,通过分析裂尖应力场和应力强度因子的分布规律。结果表明:内压作用下,泵头体整体仍处于弹性区,只有裂纹面前方两侧的45°~70°区域进入塑性区。相贯线处的裂纹类型虽然为Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合裂纹,但是仍然是I型裂纹主导,裂纹的起始位置位于两个内腔表面。不同裂纹长度,其应力强度因子分布规律基本一致;但是初始裂纹越长,裂纹越容易发生扩展。裂尖附近区域应力分布是影响裂纹起裂的关键因素,但泵头体两个相贯内腔半径也会影响裂纹起裂。通过分析泵头体裂尖应力场和应力强度因子,可以更好了解泵头体疲劳开裂原因和裂纹起裂位置,为泵头体的工程应用提供理论依据。

自增强超高压柱塞泵泵头体设计

分析了当前超高压柱塞泵发展过程中面临的实际问题,介绍了自增强技术在超高压柱塞泵发展中的应用。依据von-Mises屈服准则,应用弹塑性理论知识求解出最佳弹-塑性界面半径Ropt和最佳自增强压力popt;同时,对通过自增强处理后的泵头体的残余应力进行了分析,对合成应力进行了计算。结果表明:通过自增强处理后的泵头体内部应力分布均匀,最大应力得到了减小,泵头体疲劳状况有较大改善。研究结果为超高压柱塞泵的设计提供了理论性的指导。

基于局部网格细化的泵头体强度有限元分析

泵头体内部形状复杂,难以用材料力学公式得到应力的解析解。为此,对某三缸压裂泵泵头体强度进行有限元分析。在取对称模型的条件下,发现多处应力集中位置。各处应力最大值较接近,在结构改进时需全盘考虑。为保证应力分析精度,提出一种局部网格细化的方法,在网格节点数不超出计算机内存限制的情况下,该方法以迭代计算的方式减小网格尺寸。计算结果表明,该网格细化方法可有效提高应力集中处的应力计算精度。采用Python和VB开发了通用性较好的网格细化及流程控制程序,该程序也可用于解决其他有限元分析中出现的应力集中问题。

压裂泵头体内腔相贯线裂尖塑性区计算与分析

针对压裂泵泵头体主要失效形式,建立了含裂纹缺陷压裂泵泵头体有限元模型,分析了不同初始裂纹及工作压力情况下裂纹前缘塑性区长度,依据最大张开位移(maximum crack opening displacement,MCOD)拟合了裂纹前缘θ=0°及θ=90°处裂尖塑性区长度多项式。结果表明:内腔相贯线处裂纹前缘3°≤θ≤87°处裂尖应力状态接近平面应变状态,裂尖塑性区长度与初始裂纹及工作压力呈正相关,应用Irwin公式计算的塑性区长度能较好地吻合有限元结果;裂纹前缘θ=0°及θ=90°处于平面应变与平面应力的过渡状态,拟合的塑性区多项式与MCOD及初始裂纹有关,为研究裂尖塑性区对泵头体裂纹扩展的影响提供了一种方法。

基于热固耦合的压裂泵泵头体工作特性研究

压裂泵泵头体是压裂工艺装备中的重要组成部分,其承载能力对压裂工艺技术的发展具有较大影响。针对泵流体吸入排出运动特性分析,建立了柱塞以及输出流量的运动规律曲线,完成了泵头体的热传递以及热变形分析。基于workbench软件热固耦合方法,获得了泵头体内腔的温度场以及应力应变分布场。结果表明:内腔温度场沿水平方向热传导速率最快;泵头体内部结构之间的相互约束及结构的应力集中性是导致温度场热应力产生原因,主要分布在内腔表面以及沿表层内侧厚度60 mm范围内;热应力的存在提高了整个内腔壁面的应力,但对相贯线处应力有一定改善作用。从热固耦合角度研究泵头体正常工况下承载性能,为泵头体的设计提供新思路。

固井压裂用TH泵泵头体有限元分析及材质选用

针对固井压裂泵泵头体的开裂失效问题 ,运用弹性力学有限元法 ,利用Pro/ME CHANICA软件对TH泵泵头体进行了有限元分析计算 ,获得其内腔的应力大小和应力幅分布规律。计算得到TH泵泵头体在使用工况下内腔的合成应力Δσ =2 90MPa。由此确定TH泵泵头材料为 34CrMo4A。该材料经调质处理后 ,得到稳定的综合机械性能 :拉抗强度σb≥ 85 0MPa ,屈服强度σs≥ 6 5 0MPa ,延伸率δmin≥ 10 % ,断面收缩率 ψ纵 ≥ 4 5 % ,ψ横 ≥ 32 % ,常温冲击值αkv(2 0℃ )≥ 32J ,低温冲击值αkv (- 2 0℃ )≥ 2 1J ,布氏硬度 2 70～ 312HB ,满足TH泵泵头体使用要求。

相贯线处圆角半径对泵头体自增强性能的影响研究

为了研究压裂柱塞泵泵头体相贯线处圆角半径大小与其自增强性能的关系,以某型号的压裂柱塞泵泵头体为研究对象,利用有限元分析软件,建立了泵头体的参数化有限元模型,针对不同相贯线处圆角半径大小,对其进行了有限元分析。分析结果表明:相贯线处圆角半径为7mm时,泵头体极限载荷较大;相贯线圆角半径为6.35mm时,泵头体残余应力最大;在综合考虑相贯线圆角半径大小对泵头体极限载荷及自增强处理后的残余应力的影响,压裂柱塞泵泵头体相贯线处圆角半径最佳值为6.35mm。

柱塞泵泵头体失效分析

对柱塞泵泵头体的断裂失效进行分析、检验，发现渗碳淬火时造成很大应力，在泵体应力集中严重的部位产生了裂纹，受高工作应力的作用，裂纹扩展而断裂。这与成分偏析、混晶组织、表面加工粗糙及热处理质量差等因素有关。

基于混合硬化模型的超高压泵头体自增强研究

超高压泵头体自增强分析需要准确描述材料的硬化行为和包辛格效应。在推导出混合硬化弹塑性本构关系的基础上,将开发的子程序UMAT应用于某型超高压泵头体的液压自增强弹塑性有限元分析中。提出了以节点塑性应变增量的变化情况来判断自增强残余应力是否导致反向屈服的方法。通过分析自增强压力与自增强泵头体工作时最大等效应力的关系,得出该型泵头体的最佳自增强压力。泵头体最佳自增强压力的确定应以自增强残余应力不发生反向屈服为前提,以最大工作内压作用下等效应力峰值最小为原则。研究结果表明,经过最佳自增强压力处理的泵头体在工作压力作用下,内腔最大等效应力明显下降,应力分布更加均匀。

基于机器人的泵头体焊接修复

研究了泵头体材料30CrNi3MoV钢的焊接性,采用机器人焊接代替传统的手工电弧焊对泵头体进行焊接修复。焊接时,选用1.2 mm的JM-130焊条,焊前预热100℃,焊接电流270～280 A,焊接电压27～29 V,焊接速度75 cm/min,气体流量20 L/min。虽然30CrNi3MoV钢冷裂倾向较大,但是由于采用混合气体保护,在焊接过程中严格控制预热温度和焊缝的层间温度,所以焊后并未发现裂纹,焊接质量良好。富氩气体保护焊工艺的确定为以后同材质材料提供了直接依据,对其他材质泵头体采用气体保护焊修复具有借鉴意义。

TG、TH柱塞泵泵头体失效分析及改进意见

TG、TH固井压裂柱塞泵在油田应用广泛。本文介绍了该泵液力端泵头体存在的问题,分析了断裂过程和受力情况,得出延长泵头寿命和提高螺纹强度是最好解决途径的结论;从将螺纹的梯形改为锯齿形、螺纹联结改为栓接和加大螺距三方面,提出了改进意见,取得显著的经济效益。

油田注水泵泵头体裂纹的焊接修复

3H-8/450型高压三柱塞泵是油田注水采油的重要设备,它由泵身及泵头组成.工作时,泵头承受工作压力为40MPa,介质为带有腐蚀性的油田污水,动作频率为370次/min,工作环境十分恶劣.泵长期在这种环境下运行,液力端泵头处常常因产生腐蚀疲劳裂纹而发生泄露现象,导致大多数没有达到设计使用寿命的泵头提前报废.国内各油田每年因这种破坏而报废的泵头有几百台,经济损失很大.因此,对报废的泵头进行修复重新利用就显得十分必要.

压裂泵泵头体材料的疲劳实验与疲劳寿命预估

基于某型压裂泵泵头体材料25CrNi2.5MoV低碳合金钢的力学性能参数,采用成组法进行7个应力水平下的疲劳实验,运用最小二乘法对S-N曲线进行拟合,将S-N曲线导入到有限元软件中的材料库;建立泵头体三维模型,设置123、110、100、85 MPa四种不同工况载荷,进行泵头体疲劳有限元仿真分析。仿真模拟结果确定了压裂泵泵头体在额定载荷下的疲劳寿命,这为泵头体的工程应用提供了理论参考。

泵头体自增强超高压密封技术研究

泵头体自增强通过引入残余应力来提高其结构强度和疲劳寿命。针对泵头体受自增强压力、内腔结构和加工工艺限制,难以实现超高压密封的问题,通过泵头体自增强密封技术特点分析,提出了软硬密封相结合的自紧密封方案。对锥面硬密封进行接触弹塑性有限元计算与分析,得到了最佳半锥角和圆角半径值。并提出泵头体超高压锥面密封的半锥角选择原则:低压确保建立稳定密封,超高压时应具有高结构强度。最后采用缩比模型实验验证了泵头体超高压密封结构合理、密封可靠性、结构强度足够,为泵头体自增强技术提供了超高压密封理论与实验依据。