φ175 mm涡轮钻具叶片型线结构参数优化研究

以φ175 mm涡轮钻具为研究对象,研究了不同叶片型线结构参数对涡轮钻具效率及扭矩的影响。基于五次多项式理论和计算流体力学基本原理,开展了涡轮钻具水力性能仿真分析;结合正交试验法和响应面优化法,研究了叶片的前缘和后缘半径、前缘和后缘楔角、进口和出口结构角对涡轮钻具效率和扭矩的影响程度,并通过对极差分析,确定以入口结构角、出口结构角和后缘楔角为影响因素,以效率和扭矩最大化为目标,进行响应面优化;通过响应面法建立了叶片结构参数与扭矩和效率的回归方程,得到了涡轮钻具优化后的工作效率和扭矩。研究结果表明:影响效率的主要因素是出口结构角、后缘楔角和后缘半径;影响扭矩的主要因素是出口结构角、入口结构角和后缘楔角;优化后的涡轮钻具其扭矩提高了42.6%,效率提高了2.4%。研究结果可为涡轮钻具叶片型线结构的参数设计和优化提供理论支持。

变椭圆振动筛筛分性能的数值模拟研究

钻井液振动筛作为一级固相控制设备,常存在“筛堵”“筛糊”和“跑浆”等问题,而通过改变“力心”和质径积比值等参数来得到合理的变椭圆振动轨迹,可以较好解决这些问题。针对变椭圆轨迹振动筛的结构参数改变要求,研究其对振动轨迹和颗粒行为的影响,并基于离散元法(Discrete Element Method)的耦合多体系统动力学(Dynamics of Multi-body System)研究方法,对变椭圆振动筛本体和物料颗粒进行联合分析求解;分析了变椭圆振动筛力心位置和偏心块质径积比值对振动轨迹、物料颗粒运移速度和透筛率的影响。结果表明:振动筛在力心与质心的距离在100~150 mm,偏心块质径积比值在10∶7左右,入料端最大椭圆倾角在60°~65°时,变椭圆振动筛可以达到较好的筛分性能。研究结论可为变椭圆振动筛的设计提供理论支持。

高压井口采气树结构设计与试验研究

针对国内外现有高压井口采气树装置中存在的可靠性低、密封性能差等问题,设计一种EE级78-140高压井口采气树。对高压卡套接头、顶丝填料、金属密封结构等主要零部件进行设计分析、有限元计算及试验测试,结果表明整套井口采气树装置强度满足相关标准和安全性能要求,密封测试达到现场密封性应用标准,具备工业现场应用条件,有利于推动国内高压采气井口装置的发展,促进国内石油装备水平不断进步。

平板结构参数对裂纹应力强度因子影响规律研究

分析了用传统的强度理论设计方法来校核含裂纹体的构件强度存在的问题。重点研究了平板厚度和裂纹位置分布及尺寸对裂纹尖端应力强度因子的影响,结果表明:沿垂直方向应力强度因子分布呈现中间小两边大,提高构件沿裂纹扩展方向的长度,应力强度因子的分布呈现截止区与局部增大区,而提高构件沿垂直于裂纹扩展方向的长度,应力强度因子的分布只出现截止区,沿厚度方向应力强度因子分布规律呈现表层小于中心层,其裂纹尖端的扩展位移为椭圆形。通过裂纹多因素分析为工程构件的裂纹扩展断裂提供理论性的指导。

Y型管式油水分离结构分离特性仿真分析

管式油水分离技术具有占地面积小、分离效率高、成本低等优点,基于管式油水分离原理,设计一种Y型管式油水分离结构,利用Fluent数值模拟软件,采用标准k-ε湍流模型和Mixture多相流模型,对Y型管内部流场特性以及外部参数对分离效率的影响进行了研究。结果表明,Y型管对流体扰动小,内部流场特性稳定不易产生涡流,能够实现油水分离,支管与主管交汇处存在油水分离现象;油水分离效率随着油滴粒径的增大而逐渐提高,油滴粒径越大越利于油相上浮聚集在Y型管上层,能有效提高油水分离效率;入口速度对油水分离效果的影响很大,速度越大,油相上浮时间越短,Y型管的分离效率越低;分离效率随支管分流比的增大而增大,当入口速度为0.5 m/s时,分流比超过0.4后,分离效率不再增加。研究结果为油水分离提供了新思路,可为Y型管的设计提供理论参考。

阻尼层敷贴法对钻井振动筛降噪效果的影响

针对钻井振动筛工作噪声问题,提出了在钻井振动筛筛箱侧板敷贴阻尼层以减弱其噪声辐射的方法。通过筛箱振声模型,采用有限元法和模态应变能法对侧板敷贴阻尼前后的振动模态和侧板声辐射进行分析,利用COMSOL进行仿真求解,比较分析了不同材料、不同厚度的阻尼层对筛箱表面噪声辐射的影响。研究表明,表面阻尼结构能减弱噪声辐射;敷贴较硬的材料能对侧板起到一定的振动约束作用;需要根据材料属性选取最佳厚度,达到最佳减振降噪效果。

基于DPM模型的变径管冲蚀磨损分析与结构改进

针对变径管冲蚀失效的问题,基于DPM模型、Realizeble k-ε模型和颗粒磨损方程对变径管进行数值模拟计算,分析流速、颗粒直径、质量流量、过渡倾角、改进后过渡圆角对变径管的冲蚀磨损规律和改进后变径管的性能。结果表明:过渡段与小径管相贯处冲蚀磨损最为严重;随流速、质量流量的增大和颗粒直径的减小,最大冲蚀速率逐渐增大,其中受流速的影响最大。过渡倾角由5°增加至35°,最大冲蚀速率在9.32×10^(-5) kg/(m^(2)·s)上下波动;由35°增加至85°,最大冲蚀速率整体上升、后大幅度下降;80°~85°时,最大冲蚀速率较小且受各因素的影响很小,尤其等于85°时,其最大冲蚀速率降低了23.5倍。结构改进后过渡圆角7.5~15 mm变径管的最大冲蚀速率小于改进前变径管,且冲蚀分布比较均匀;随过渡倾角的增大,结构改进后过渡圆角2.5~15 mm变径管与改进前变径管相比,管内最大压力相差逐渐减小,且改进后管内最大压力及应力均低于改进前变径管,管内压力最大降低了2.25倍。该结果可为实际作业中变径管的选用及结构设计与优化提供参考。

基于相关性分析和响应面法的复合旋流器结构参数优化

为了提高旋流器优化参数的准确性,得到其在结构优化中的最优解,以一种新型复合旋流器为研究对象,基于相关性的单因素分析寻优法,以相关性分析的结果来指导优化范围的选取,提高其结构参数优化范围的准确性。结合响应面优化方法,以分离效率为优化目标,确定旋流器的最优结构参数,建立了分离效率和结构参数之间的回归模型。结果表明:不同的结构参数和各性能指标之间的显著关系并不相同,根据相关性分析的结果确定各结构的优化范围为:上锥角为0°~4°,下锥角为8°~12°,底流口直径为12~16 mm;响应面优化得到旋流器最优结构为:上锥角为2.565°,下锥角为11.719°,底流口直径为12.889 mm,在本组参数下旋流器固体分离效率达到了99.945%,气体分离效率达到了93.807%。为旋流器的结构优化提供了一种新方法。

直角弯管结构改进及冲蚀磨损特性分析

为减小弯管的冲蚀磨损,改进普通弯管结构形成弧形、梯形和矩形弯管,利用Fluent中DPM模型、湍流模型和冲蚀磨损模型对4种弯管进行数值模拟计算。结果显示:弧形、梯形和矩形弯管的抗冲蚀性能较普通弯管分别提高14.54%、3.73%、12.38%,4种弯管的冲蚀分布均呈现椭圆形和V形形貌,冲蚀磨损相比于普通弯管明显减轻;4种弯管的最大冲蚀速率随流速、含砂量的增加而增加,但冲蚀区域不随流速、含砂量的变化而变化,不论流速、含砂量为何值,弧形弯管最大冲蚀速率<矩形弯管<梯形弯管<普通弯管;弧形底长、弧形高度、排列间隔三个因素对弧形弯管最大冲蚀速率的影响为弧形高度>排列间隔>弧形底长;弧形弯管抗冲蚀性能最佳组合为弧形底长3 mm、弧形高度2 mm、排列间隔3 mm,抗冲蚀性能较普通弯管提高22.60%。该结果可为弯管的冲蚀防护和结构设计提供新思路。

电站调节阀阀体结构参数对流阻特性的影响

为了系统研究阀体结构参数对调节阀流阻特性的影响,采用数值模拟的方法,建立电站调节阀阀体模型,结合正交试验设计,研究调节阀阀体不同结构参数对流阻特性的影响。结果表明:调节阀阀体的结构参数对流阻系数的影响程度依次为上腔半径>下腔高度>上腔高度>阀体半长>下腔半径>中腔半径,同时再对阀体的入口角度进行优化分析,得到入口角度越小,流阻系数越小。通过正交实验优化和入口角度优化后得到的最优结构,其流阻系数与原结构相比降低了19.45%,且流量特性曲线也更加理想。研究成果能够为套筒式调节阀的结构优化提供理论支持。

液固两相流对高压活动弯头的冲蚀磨损研究

为探究水力压裂作业中各因素对活动弯头的冲蚀磨损规律,基于液固两相流理论,利用FLUENT软件研究压裂液流速、颗粒质量流量、颗粒直径、安装角度、公称直径、连接长度、曲率半径对活动弯头冲蚀速率的影响。结果表明:活动弯头易冲蚀区域主要集中在弯头外侧,其最大冲蚀速率和平均冲蚀速率随流速、颗粒质量流量、颗粒直径的增大而增大,随安装角度、公称直径的增大整体上逐渐减小,安装角度位于90°~180°时,最大冲蚀速率和平均冲蚀速率较小且变化平缓;随曲率半径的增大,最大冲蚀速率整体上先减小后增大,平均冲蚀速率逐渐减小;连接长度对最大冲蚀速率和平均冲蚀速率的影响较小。研究表明,压裂液流速是导致冲蚀速率增加的主要因素,通过合理调整压裂液流速可以大大降低活动弯头的冲蚀磨损。该研究结果可为活动弯头的现场使用、冲蚀防护、结构改进及优化提供参考。

内锁紧悬挂器及井口快速连接装置结构设计研究

近年来,国内外各石油工具公司相继开发了多种结构的悬挂器和井口快速连接装置,并进行了大规模的现场推广应用,但均存在安装困难、费时费力、可靠度低等短板问题。结合载荷要求和现场实际工况,本文设计了多种型号的内锁紧悬挂器以及井口快速连接装置,并建立了内锁紧悬挂器以及井口快速连接装置的力学模型,对井口快速连接装置、锁紧环及快速连接玩具测试工装3种装置进行了有限元分析,并对产品进行了PR2测试,分析得到,各个装置的最大应力均小于其屈服强度值。通过对产品的有限元仿真分析以及现场PR2测试,验证了所设计的内锁紧悬挂器和井口快速连接装置满足现场使用要求,为内缩紧悬挂器以及井口快速连接装置的研究提供了一定的借鉴。

管道腐蚀及振动无线监测系统设计

为实时监测油气管道内的腐蚀及振动情况,设计一种管道腐蚀及振动无线监测系统。该系统由无线传感器、无线路由器、无线网关及云平台系统组成。现场测试结果表明,该系统可精确地检测出管道的厚度、振动、承载、温度等数据,并将数据通过4G通信或以太网上传至云平台,实现实时掌握管道腐蚀状态的功能,对预防管道事故、确保管道安全平稳运行具有重要的现实意义。

常规法兰结构密封性能对比研究

介绍了传统的四种密封结构密封性能的优缺点与密封原理,采用有限元方法研究了在四种密封结构下其不同预紧力、法兰刚度与工作压力对金属垫片面密封接触压力的影响,结果表明:在预紧力作用下形成的初始预密封与工作载荷和预紧力综合作用下的工作密封,突面密封、榫槽面密封、凹凸面密封与环形密封的密封面的密封效果依次递增;在正常工况下环形密封与凹凸面密封结构较突面密封与榫槽面密封对管道轴向力的作用不敏感,密封面的接触压力不易出现削弱;提高法兰刚度,不影响密封面中部位置的接触压力,其中环形垫片在中部位置压力分布较均匀。

双层桨叶搅拌罐内固液混合均匀度研究

为提高工程中双层搅拌罐的搅拌均匀性,使用ANSYS Fluent,通过Euler多相流模型以及标准k-ε的湍流模型对双层桨叶搅拌罐内固液混合过程进行模拟。分析了不同转速、桨叶的直径和桨叶间距离对搅拌罐内固液混合均匀度(σ)的影响,并结合罐内速度对固液混合过程进行定量分析。结果表明:当转速低于300 r/min时,搅拌罐内不会出现均匀悬浮,当转速为300、400 r/min时,出现完全离底悬浮,继续增大转速反而降低搅拌效果;当桨叶直径为0.5D(D为搅拌罐内径)时,搅拌罐内固相分布均匀性好;当桨叶距离为390 mm,J_(1)型桨叶的固相有较好的悬浮,当桨叶距离为440 mm,J_(2)型桨叶的固相有较好的悬浮;当距离大于440 mm时,固相大多沉积在搅拌罐底部;桨叶直径和桨叶数量对σ几乎没有影响,转速对σ影响较大;在J_(1)型桨叶组合,转速为400 r/min、桨叶距离为390 mm时的σ最低;在J_(2)型桨叶组合,当转速为300 r/min、桨叶距离为440 mm时的σ最低;转速为300 r/min时J_(2)型桨叶搅拌更好,转速为400 r/min时,J_(1)型桨叶搅拌更好。在最佳参数组合下,搅拌24 s即可达到最好的搅拌效果。

油气旋流器工作参数对分离性能的影响研究

为了研究不同工作参数下油气旋流器的分离性能,以某型号的油气旋流器为研究对象,利用CFD方法对油气旋流器进行两相流模拟仿真,结合响应面优化方法,研究了气泡尺寸大小、入口速度和入口含气量对旋流器分离性能的影响。研究结果表明:三种工作参数对油气旋流器的分离效率及压降的影响程度次序均为入口速度>气泡尺寸>入口含气量,其中气泡尺寸和入水含气量对分离效率的影响程度大于压降,入口速度对压降的影响程度大于分离效率;通过对响应面求解,得到最佳工作参数下的旋流器分离效率,分离效率提高了14.95%。研究结果可为油气旋流器实际应用过程中工作参数优选提供参考。

轴向载荷下油管点蚀坑-裂纹应力强度因子研究

为了研究管道在轴向载荷下的点蚀坑-裂纹应力强度因子的变化规律,利用ANSYS平台提供的相互作用积分法,把点蚀坑和裂纹作为一个整体模型,研究了油管外壁点蚀坑形态、裂纹形态和裂纹倾斜角度等对裂纹应力强度因子的影响。研究结果表明:裂纹前缘存在严重的应力集中现象,且应力最大值均在裂纹前缘与点蚀坑底面的交点处;Ⅰ型应力强度因子K_(Ⅰ)随点蚀坑深径比、裂纹形状比及裂纹倾斜角度的增大而减小;Ⅲ型应力强度因子K_(Ⅲ)随点蚀坑深径比和裂纹形状比的增大而增大,随裂纹倾斜角度的增大先减小后增大,且沿45°对称分布;总应力强度因子K随裂纹倾斜角度的增大而减小,当点蚀坑底部的裂纹倾斜角度θ=0°时,裂纹危险程度最高。所得结论可为油管点蚀坑-裂纹的安全评估提供参考。

紧急卸荷阀的设计与研究

紧急卸荷阀是油田固井和压裂作业的重要设备,主要用于配备在压裂车、固井车及钻井泥浆泵等高压系统上,现有卸荷阀型号众多,但仍存在适用性差,开启压力控制不精确等问题。因此,本文介绍了一种石油压裂设备用紧急卸荷阀,通过对紧急卸荷阀密封结构和板簧进行设计分析、数据模拟及现场测试得出该紧急卸荷阀阀芯与阀座具有良好的密封性,满足高压力工况的高强度要求,具备精确控制开启压力的功能,为新型紧急卸荷阀结构设计提供了参考。

超高压压裂管汇由壬接头预紧特性分析

针对超高压压裂管汇由壬接头安装预紧力不当导致结构破坏或密封泄漏的问题,以某公司研制的175 MPa超高压由壬接头为研究对象,利用ABAQUS建立由壬接触模型,采用有限单元法对该接头进行应力分析与强度评定以及密封性能判定。结果表明:预紧力大小对母由壬应力几乎没有影响,对公由壬、翼型螺母和三瓣挡圈应力有显著影响,且都呈现正相关性,影响程度从高到低依次为公由壬、翼型螺母、三瓣挡圈和母由壬;额定工况下预紧力超过250 kN时,公由壬轴肩圆角处应力超过其材料许用应力,结构静强度不满足要求可能会发生结构破坏;预紧力小于150 kN时,不足以抵抗内压作用,公由壬和母由壬球头锥面密封结构分离;在能够确保球头锥面密封性和结构安全性的150~250 kN预紧力范围内,氢化丁腈橡胶(HNBR)密封圈表面接触应力始终大于实时流体工作压力,密封圈密封性能良好。推荐安装预紧力范围为150~250 kN,在该范围内密封圈结构的静强度以及密封性均能满足要求。

双圆弧齿廓椭圆齿轮建模与运动学仿真

为了满足齿轮变传动比运动、提高轮齿承载能力,结合齿轮啮合理论和双圆弧齿廓曲线结构参数特征,提出了一种新型双圆弧齿廓椭圆齿轮。阐述了其节曲线的设计方法,利用SolidWorks软件建立了双圆弧齿廓椭圆齿轮三维模型;使用Adams软件对双圆弧齿廓椭圆齿轮副模型进行了运动学仿真,分析了不同偏心率对双圆弧椭圆齿轮副传动比变化规律的影响,并对比理论传动比曲线,分析了仿真传动比曲线存在波动误差的影响因素;为了减小齿轮副振动脉冲,给出了偏心率适当的取值范围。本文的设计方法和分析结果对双圆弧齿廓非圆齿轮的参数化设计有理论参考价值,可为双圆弧齿廓椭圆齿轮副数控加工制造及应用提供依据。