基于CFD的三缸柱塞泵泵阀失效机理研究

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1、石油机械2011年第39卷增刊CHINAPETROLEUMMACHINERY一9一●专题研究基于CFD的三缸柱塞泵泵阀失效机理研究韩传军刘洋李蓉李大彬雷中清(1．西南石油大学机电工程学院2．江汉石油管理局第四机械厂)摘要针对柱塞泵易损件泵阀使用寿命短，制约钻井泵向高压、高冲次、大排量方向发展的现状，利用CFD相关软件对泵阀排出端3种开度下的内流场分布进行了仿真计算。结果表明，在排出端，流过阀隙的流体速度较大，且在阀盘两底角处速度最大，该处密封圈容易被撕裂造成泄漏。另外，在流体流经腔体内部时，产生了部分涡流和回流，因此最高冲次下的流体可能会对排出腔产生一定的影响，该结论与实际情

2、况吻合。该项研究结果对泵阀的优化设计及延长泵阀使用寿命有重要的指导意义。关键词柱塞泵泵阀冲蚀磨损CFD涡流回流始时，活塞从左开始向右运动，排出液体，使密闭0引言腔内液体压力升高到P，此压力足以克服排出阀阀盘自重及弹簧的弹力P，压缩弹簧，阀盘离开在柱塞泵易损件中，泵阀寿命最短，而泵阀的阀座，排出阀打开。在排出冲程完成时，排出阀在寿命、使用状况直接制约着钻井泵向高压、高冲次、自重及弹簧力P的作用下，回到阀座上，排出阀大排量方向发展。在现有的泵阀失效机理研究中，关闭。排出阀工作原理如图1所示(图中泵阀为随着摩擦学知识的普及和应用，对泵阀失效原因和上升状态，'／3为阀座孔内液流速度)

3、。j。机理有了进一步的认识。已有资料表明，对泵阀失效机理的认识主要集中在高压流体冲蚀磨损、磨粒磨损和阀盘冲击阀座形成的冲击疲劳几个方面¨。J，而冲蚀磨损是引起泵阀失效的主要原因。它是由钻井液或压裂液所携带的磨砺性固体颗粒引起的，与阀隙流场的特性有着直接关系。因此，要揭示泵阀密封的失效机理，就必须充分了解阀隙流场钻井液的流速分布以及流动规律，研究阀盘、阀座与钻井图1排出阀工作原理示意图液的相互作用机制。笔者在现有理论成果的基础上，由阀隙流场特点分析可知，非牛顿流体、窄缝利用CFD方法模拟阀隙流场，分析研究阀隙流场的隙变截面的泵阀阀隙流场是复杂的。为此，研究阀流速及其分布规律，以

4、期为深人研究泵阀磨损失效隙流场，首先应当在进行详细分析的基础上做必要机理提供有效的方法和理论依据J。的简化和假设。1泵阀工作原理2泵阀液力端流场模型简化及边界条件确定以排出阀为例，假设阀体密闭腔内充满液体，则柱塞处在阀体左端。在理想状态下，排出冲程开由分析可知，液力端在排出液体的过程中，液基金项目：国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”专题“煤层气欠平衡钻井配套技术研究”(2008ZX05000—036—003)。一10一石油机械2011年第39卷增刊缸内部流体流动也为紊流，流场较为复杂，流场内高冲次时腔内流场在压力42．3MPa下3种工况的各参数(压力、流速等)随时间做

5、连续的无规则速度分布和压力分布云图，如图3、图4所示。变化，因此选取此种工况对排出腔内的流场进行数’、{～。=值模拟，模拟前提出以下假设J：、(1)流体为牛顿流体。(2)通过计算，此模型中的雷诺数远大于临界雷诺数(2000～3000)，因此模型中流体的流动状态主要是紊流，满足，c一紊流模型。(3)数值计算方法采用有限元体积法中常用单位：m／sa．=195。的Simple算法求解离散方程组。图3最高冲次(4)模型边界条件：对液力端的分析可知，在最高压力和最大流量2种工况下，排出端内部的流场相对较为复杂，因此选取这2种工况来对排出腔内的流场进行模拟。为了进一步探4■●讨飘3阀■体

6、■2及■■阀—1■隙I间0的流场流速分布与阀开度之间的1关系3¨，同5时与8H排出O∞阀的分析对应，第1种情况取三缸泵在最高冲次(即299rain)单位：MPa时的挡位，分别在曲柄转角=195、210、270。时a．=195。b．=210。c．=270。刻，排出阀阀盘对应的升程分别为h=3．8mln、图4最高冲次时3种状态下排出腔的压力云图h2=7．2mm、h3=12．8mm，给定人口边界条件由图3可知，随着曲柄转角的增大，通过排出(即瞬时流量)分别为9．83、18．61和32．59L／s，腔的流体速度在相应增大。3种情况下流体速度较采用压力出口边界条件压力为42．3MPa；

7、第2种大的地方都集中在阀座与阀盘的间隙区域，且阀盘情况取三缸泵在最低冲次(一即一79min)时的挡的升程越大，通过阀隙的速度也增大，在排出阀排位，分别在曲柄埘转角脚=心195一脚、21舢0和270。时强爰{刻，恤胁出孔中速度最为集中。特别是当转角达到270。时，排出阀阀盘对应的升程分别为h，=3．8mm、h=由于柱塞的速度较大，同时在排出过程中过流面积7．2mm、h=12．8mm，给定入口边界条件分别为43r127盯1_t4舛OO∞蚴位单㈨“c0雌．．、Ii珏∞I硌减I记小玎I，如如在阀胁剃隙和排出孔产