基于CFD的三缸柱塞泵泵阀失效机理研究.pdf

2 0 1 1年第 3 9卷增刊 石 油机械 CHI NA P ET ROLEUM MACHI NERY 一9 一 ●专题研 究 基 于 C F D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 C F D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 C F D 涡流 回流 0 引 言 在柱塞泵易损件中，泵阀寿命最短，而泵阀的 寿命、 使用状况直接制约着钻井泵向高压、高冲次、 大排量方 向发展。在现有 的泵 阀失效机理研究 中， 随着摩擦学知识的普及和应用，对泵阀失效原因和 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 液的相互作用机制。笔者在现有理论成果的基础上 ， 利用 C F D方法模拟阀隙流场 ，分析研究阀隙流场的 流速及其分布规律 ，以期为深人研究泵 阀磨损失效 机理提供有效 的方法和理论依据 J 。 1 泵 阀工作原理 始时，活塞从左开始向右运动 ，排出液体，使密闭 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 阀座 ，排出阀打开。在排出冲程完成时 ，排出阀在 自重及弹簧力 P 的作用下 ，回到阀座上 ，排 出阀 关闭。排出阀工作原理如 图 1所示 图 中泵 阀为 上升状态 ，／3 为阀座孔内液流速度 。j 。 图 1 排 出阀工作原理示意 图 由阀隙流场特点分析可知 ，非牛顿流体 、窄缝 隙变截面的泵 阀阀隙流场是复杂的。为此 ，研究阀 隙流场，首先应当在进行详细分析的基础上做必要 的简化和假设 。 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” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 0 0 0 3 6 0 0 3 。 一 1 0一 石油机械 2 0 1 1 年第3 9卷增刊 缸内部流体流动也为紊流 ，流场较为复杂 ，流场 内 各参数 压力 、流速等 随时间做连续 的无规则 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 2 0 0 0～3 0 0 0 ，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 的 S i m p l e 算法求解离散方程组。 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。 为了进一步探讨 阀体及阀隙间的流场流速分布 与阀开度之间的关 系，同时与排 出阀的分 析对应 ， 第 1 种情况取三缸泵在最 高冲次 即 2 9 9 ra i n 时的挡位 ，分别在曲柄转角 1 9 5 、2 1 0 、2 7 0 。 时 刻 ，排 出阀 阀盘对应 的升程分别为 h 3 ． 8 m l n 、 h 2 7 ． 2 m m、h 31 2 ． 8 mm，给定人 口边 界条件 即瞬时流量分别为 9 ． 8 3 、1 8 ． 6 1和 3 2 ． 5 9 L ／ s ， 采用压力 出口边界条 件压力为 4 2 ． 3 MP a ；第 2种 情况取三缸泵在最 低冲次 即 7 9 mi n 时的挡 位 ，分别在 曲柄转 角 1 9 5、2 1 0和 2 7 0 。 时刻 ， 排出阀阀盘对应 的升程分别 为 h ， 3 ． 8 m m、h 7 ． 2 m m、h 1 2 ． 8 m m，给定入口边界条件分别为 2 ． 5 9 、 3 ． 8 6 和 8 ． 6 2 L ／ s ，同样采用压力出口边界 条件压力为 9 9 ． 4 MP a ，壁面给定无滑移 固壁条件 ， 即 ， w a l1 0 ， a l 1 0 ，， c a l l 0， w a 0 。图 2为 3 种角度下排出腔内部流场的瞬时边界模型。 a ． 1 9 5 。 b． 2 1 0 。 c． 2 7 0 。 图2 排出腔内部流场在 3种角度下的边界模型 3 C F D求解计算及结果分析 3 ． 1 最高冲次和排出压力最小时的流场云图 通过对排 出腔模 型的 C F D分析 ，得 出了在最 高冲次时腔内流场在压力 4 2 ． 3 MP a 下 3种工况的 速度分布和压力分布云图，如图 3 、图4所示。 ’、 { ～ 、 。 单 位 m／ s a ． 1 9 5 。 图 3 最 高冲 次 单位 M P a a． 1 9 5 。 b． 21 0 。 c． 2 7 0 。 图4最高冲次时 3种状 态下排 出腔 的压 力云 图 由图 3可知 ，随着曲柄转角的增大 ，通过排出 腔的流体速度在相应增大。3种情况下流体速度较 大的地方都集 中在阀座与阀盘的间隙区域，且 阀盘 的升程越大 ，通过阀隙的速度也增大 ，在排出阀排 出孔 中速度最为集 中。特别是当转角达到 2 7 0 。 时 ， 由于柱塞 的速度较大 ，同时在排出过程 中过流面积 减小，在阀隙和排出孔产生流体速度较大，最大的 地方达到8 ． 3 7 4 m ／s ， 使排出的液体流速较快。另 外，在流体流经腔体内部时，产生了部分涡流和回 流 ，因此最大冲次下的流体可能会对排 出腔产生一 定的影响。由图 4可知 ，在给定相 同压力边界条件 下 ，3种状态下 的压力变化较小 ，3种流场 的压力 都在 4 2 ． 3 MP a左右 。 3 ． 2 最低冲次和排出压力最大时的流场云图 通过对排 出腔模 型的 C F D分析 ，得 出了在最 低冲次时腔 内流场在压力 9 9 ． 4 MP a 下 3种工况的 速度分布和压力分布云图 ，如图 5 、图 6所示。 单位 m／ s a ． 1 9 5 。 图5 最低 冲次时 3种状 态下排 出腔的速度云 图 一 一 ，． i胁 4 1 7 4 O “ 0 珏 硌 记 玎 如 如 盯 舛 ∞ ㈨ ∞ 3 2 1 O O 位 c ．．、 蚴 剃 r _ t单雌 I I I I 一 一 { 恤 一 强 胁 埘 脚 心 脚 舢 爰 1 3 5 8 O H ∞ 4 3 2 1 0 ■●飘 ■■■■■I 7 1 4 7 0 ∞ ∞ 1 O O O O ■纛 ■■■■■■■■ 2 0 1 1年 第3 9卷增刊 韩传军等基于 C F D的三缸柱塞泵泵阀失效机理研究 单 位 MP a a ． 一 1 9 5 。 单 位MP a 单 位MP a b ． 2 1 0 。 c ． 2 7 0。 图 6最低 冲次时 3种状态下排 出腔的压 力云图 由图 5可知，随着曲柄转角的增大 ，通过排出 腔的流体速度也在相应增加， 3种情况下流体速度 较大的地方都集 中在阀座与阀盘的问隙区域 ，且阀 盘的升程越大 ，通过阀隙的速度也增大 ，并在排出 阀排出孔中速度最为集中，最大速度也发生在阀座 与阀盘 的间隙区域以及过流面积减小 的区域 ，然而 在流体被排 出的过程 中，最 大速度为 2 ． 2 1 7 m ／ s ， 流体的平均速度相对最 高冲次下 的流 速减小 了许 多。由图 6可知 ，在给定相同压力边界条件下 ，3 种状态下的压力变化较小，3种流场的压力都处在 9 9 ． 4 MP a 左右。 分析表 明，无论是 在最高 冲次 还是最 低 冲次 下 ，排出腔内部 由于过流面积 的减小 ，排出阀开孔 部位的流体速度都有 明显升高 ，而压力 变化却很 小，而在出口端和人口端，流体流过腔体内部时都 产生涡流和回流 ，对 内壁会造成一定的冲刷 。冲次 越高流体 的流速变化越大 ，排 出液体 的压力越小 ， 排出液的速度越大；反之 ，冲次越低 ，排出液体 的 压力越大，排 出液的速度越小。 4 结 论 1 阀盘与 阀座 间隙之 间 的流 场速 度较 大， 可能会对阀座和 阀盘产生一定的冲击作用 ，因此 ， 阀座与阀盘的结构需要进行适当的优化 ，并在阀座 与阀盘表面使用耐冲蚀的涂层。 2 阀盘两底 角处钻 井液速度最 大 ，该处 密 封圈容易被撕裂造成泄漏。 3 当阀盘 升程增大 时，流场 速度会相应地 增大 ，而在给定相同的压力边界条件下流场压力变 化较小 。 4 当冲次较高的时候，流体在被排出的过 程中，进人排出腔内部流体会产生部分回流和涡 流 ，因此在长期的作用下会对排出腔内壁产生损坏 特别在阀盘与阀座间隙区域 。 5 当冲次较低时，进人排出腔内部流体的 流速较小 ，因此不会对排 出腔产生损坏。所以，柱 塞泵在工作时 ，尽量采用较低冲次的挡位 ，这样有 利于延长泵的整体使用寿命。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 参考文献 Rh o d e D L，G u i d r y M J ．I mp o r t a n c e o f l a b y r i n t h s e a l t h r o u g hfl o w d e fl e c t i o n f o r e n l a r g i n g c l e a r a n e e w i t h o u t i n c r e a s i n g l e a k a g e[ J ]．T r i b o l o g y T r a n s a c t i o n ，1 9 9 3 ， 3 6 3 4 7 7 4 8 3 ． Va nDoo r ma a l J P．Ra i thb yG D ．E n h anc e me n t o f the S i mp l e me t h o d for p r e d i c t i n g i n c o mp r e s s i b l e fl u i d fl o w s [ J ]．N u m e ri c a l H e a t T r a n s f e r ，1 9 8 4 ， 7 2 1 4 7 1 6 3 ． X i e L ix i n ， R u a n G u o l i n g ，Z h a n g Y a o j i a n g ．T h e c u r r e n t s t a t e a n d p ros p e c t o f r e v e r s e o s mo s i s s e a w a t e r d e s ali n a t i o n t e c h n o l o g y[ J ]．C h i n a Wa t e r Wa s t e Wa t e r ， 2 0 0 0 3 2 4 2 7 ． Yu H．K i v i l a t h t i J ．CF D mo d e l 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