超高压大排量柱塞泵关键部位结构优化

邢立伟

【摘 要】超高压大排量柱塞泵工作时，泵头体内表面间歇性承受极高的工作压力。泵头体不规则的内表面形状会导致应力集中，应力集中的位置相比于其它位置会较早产生疲劳开裂，导致泵头体的破坏。本文应用大型有限元分析软件ABAQUS，研究了新开发的超高压大排量STP3300型泵头体在静压下的应力分布状态，并对多个部位尝试进行了结构优化设计。根据研究结果，将易开裂的十字相贯线部位的最高应力降低了16%以上，大幅度降低了STP3300型泵头体的开裂倾向。

【关键词】STP3300；泵头体；ABAQUS

随着油气总储量日渐减少，无论是油气田的增效增产开采，还是前景广阔的新能源开发与利用，例如页岩气开采，都越来越倚重于大型成套压裂设备的研制与应用。

中石化石油工程机械有限公司第四机械厂是“国家重大技术装备国产化基地”、“中国石化集团固井压裂设备国产化基地”、“湖北省高新技术企业”。通过采取从国外引进部分先进加工设备，并在技术上不断取得自主创新与突破，四机厂成为了国内最大的固井压裂装备制造出口基地。在短短20余年的时间里，先后成功开发了800型、1000型、1800型、2000型和2500型及2800型等成套压裂设备，很好的满足了国内外对高端压裂设备的需求，并填补了国内大量技术空白，部分产品甚至达到国际领先水平。为了响应国家进行第二次油气资源开发的号召，四机厂作为主要单位负责承担起了国家十二五重大专项—《3000型成套压裂装备研制及应用示范工程》课题。本课题研究对象STP3300型泵头体设计与优化即为该重大专项项目研究内容之一。

本课题采用有限元软件ABAQUS，研究在静压状态[1～3]下STP3300型泵头体的受力状态，并重点研究如何降低关键部位的最大应力，从而提高其使用寿命。

1 有限元模型及材料参数

本研究对象为四机厂拟制造的STP3300型泵头体（以下简称“泵头体”），该型号泵头体由三个缸组成，每个缸的柱塞腔的侧面孔与柱塞相连，三个缸共用一个排出腔，由于模型的对称性，取泵头体的一半，建立数值分析模型。建好后的实体模型见图1。有限元模型将除柱塞孔外的孔堵死，模拟加压的工况，加压内腔。将4根螺栓与泵头体设置为接触关系，采用库伦模型，摩擦系数设为0.2。取一定安全系数；由于采用线性静态分析本模型，取泵头体内表面均匀分布的压力载荷为140 MPa；除压力载荷外，泵头体还承受重力作用。泵头体的约束条件为：螺栓远离泵头体那一端固定，对称面约束Z方向的移动。采用C3D4单元划分网格，整体网格密度设为20，内表面的应力状况是分析的重点，内表面附近局部网格密度设为3.5。网格划分完成后，共有794907个网格，166248个节点。材料参数为，屈服强度950MPa，弹性模量210GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3。

2 有限元求解结果与分析

2.1 原始结构求解结果

在ABAQUS中对建立的模型施加140MPa后，计算所得的泵头体中间腔应力分布如图2所示。由图2可以看出，在压力作用下，泵头体内腔应力集中的位置有5处，分别在排出腔上部（A）、柱塞腔左上角（B）、柱塞腔左下角（C）、柱塞腔右上角（D）、柱塞腔右下角（E）。

由图2可以看出，中间腔的最大应力约为509MPa，位于排出腔上部。将侧面腔从柱塞孔中部剖开，应力图如图3所示，应力集中的位置有6处，分别在排出腔上部近端（F）、排出腔上部远端（G）、柱塞腔左上角（H）、柱塞腔左下角（I）、柱塞腔右上角（J）、柱塞腔右下角（K），上下左右的方位在从中间向侧面看的时候确定。侧面腔的最大应力位于排出腔上部远端G点，应力大小约为564MPa。由此可以看出，在同种工作状态下，侧面腔的最大应力比中间腔的最大应力高出约11%，这种结果符合国内外泵头体失效规律，即对于整体泵头体，大部分产品均在侧面腔体内失效。

2.2 结构改进

针对泵头体应力集中的状况，给出了四种结构改变，试图减少应力集中，具体如下。

（1）在柱塞腔的下部加斜坡结构（简称加斜坡），斜坡可以对柱塞腔下部的凸台有支承加固作用。

（2）排出腔下移，这样是为了试图避免相贯线急剧变化导致的应力集中。

（3）柱塞腔切去部分材料（简称切除法）。如图2及表1所示，柱塞腔上下左右四角（B、C、D、E）的应力较大，而中间L和M处的应力较小，由图可知L和M处的材料较多，因此可考虑切去L和M附近的部分材料，以使各处应力均衡，达到减少应力集中的作用。

四种结构改变经过计算，各处应力集中的应力值如表1所示。

由表1的“最大值”列可知，四种结构改变后的应力集中情况都有所改善。由表1的“平均值”列可知，四种结构中，“切除法”的综合改进效果最明显，“无斜面”综合改进效果很小。“无斜面”这种结构改变需要添加大量材料，而换得的改进效果不明显，可认为这种方法是不可取的。

具体对于不同的位置，分析的结果如下：

（a）无论是中间腔还是侧面腔，“加斜坡”时，柱塞腔的左下角（C、I）和右下角（E、K）应力下降明显，平均降幅为22.7MPa，这可以解释为“加斜坡”对柱塞腔左下角和右下角处的结构进行了加强。

（b）“排出腔下移”时，排出腔上部（A、F、G）的应力下降非常明显，平均降幅为73.2MPa，说明“排出腔下移”减少了相贯线急剧变化导致的应力集中。

（c）“切除法”时，柱塞腔上下左右四角（B、C、D、E、H、I、J、K）的应力值全线下降，平均降幅为76.2MPa。

根据以上分析，将“加斜坡”、“排出腔下移”、“切除法”三种结构改变叠加，简称综合改进。对综合改进后的实体模型进行计算，应力云图如图4所示。

将综合改进后各处应力集中位置的应力值与原始结构比较，得到表2，可知综合改进获得了较好的效果，最大应力减少了100.1MPa，应力的平均降幅为81.8 MPa。

3 结论

通过对STP3300泵头体进行的研究与分析，可以得到如下结论：

（1）原始结构状态下，当STP3300型泵头体工作应力为140MPa时，侧面腔内最大应力为564MPa，中间腔内最大应力为509Ma。侧面腔应力比中间腔高出11%，是侧面相对中间腔易开裂的主要原因。

（2）通过增加斜坡、排出腔下移、及对腔体适当切除多余部分可以明显降低STP3300型泵头体的最大应力。采用这3种方法综合改进后，最大应力平均降低幅度达到16%以上。

【参考文献】

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[责任编辑：杨玉洁]