6500HP型壓裂泵柱塞密封結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、我國(guó)頁(yè)巖氣主要分布在山區(qū)，山區(qū)地形復(fù)雜，同時(shí)作業(yè)面積狹小，控制開(kāi)采設(shè)備的數(shù)量和占地面積顯得尤其重要，用大功率的壓裂設(shè)備代替目前小功率的壓裂設(shè)備可以做到減少壓裂設(shè)備的數(shù)量。隨著壓裂設(shè)備的功率增大，對(duì)柱塞的密封提出了更高的要求。柱塞的密封結(jié)構(gòu)在防止壓裂液泄漏，提高壓裂泵容積效率以及保證壓裂設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)中起到重要作用。本文對(duì)6500HP型壓裂泵柱塞密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)密封圈的材料、形狀進(jìn)行選型，進(jìn)而應(yīng)用有限元對(duì)6500HP型壓裂泵柱塞密封圈

2、在工作狀態(tài)下進(jìn)行仿真，模擬柱塞密封圈的密封性能。在分析過(guò)程中對(duì)密封圈的幾何非線性、材料非線性以及狀態(tài)非線性加以考慮，研究柱塞密封效果的相關(guān)影響因素，研究了機(jī)械滯后生熱以及摩擦生熱對(duì)密封圈溫度場(chǎng)的影響，對(duì)柱塞密封圈進(jìn)行熱應(yīng)力耦合分析。對(duì)柱塞的密封間隙進(jìn)行研究，研究?jī)?nèi)容與所得結(jié)論如下：
　　1、對(duì)橡膠密封圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析和建模。通過(guò)對(duì) V型密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用橡膠的結(jié)構(gòu)非線性理論和材料的超彈性理對(duì)柱塞密封圈建立了有限元模型

3、，并對(duì)其進(jìn)行研究分析。研究結(jié)果表明：V型密封圈唇部夾角處以及下唇部接近柱塞外側(cè)部分最容易發(fā)生失效，其中柱塞與密封圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生摩擦，由于摩擦的存在，使得柱塞密封圈的壽命減少，同時(shí)壓裂泵內(nèi)壓裂液的工作壓力以及柱塞與密封圈之間的摩擦系數(shù)對(duì)壓裂泵柱塞密封效果也有重要影響。
　　2、對(duì)柱塞密封圈溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。運(yùn)用傳熱學(xué)理論，對(duì)柱塞密封圈的熱源進(jìn)行分析。在壓裂泵工作過(guò)程中，柱塞與密封圈相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)過(guò)程中密封圈熱量來(lái)源主要有兩塊：

4、第一塊是柱塞與密封圈之間的滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量，這部分熱量主要集中在活塞和密封圈接觸的部分，使密封圈內(nèi)唇溫度身高；第二塊是由于密封圈工作過(guò)程中，橡膠材料的機(jī)械滯后因素生成的熱量。通過(guò)V型圈的結(jié)構(gòu)可以看出，唇部橡膠材料少于背部，機(jī)械滯后現(xiàn)象主要發(fā)生在密封圈背部靠近中心的位置。在滑動(dòng)摩擦和機(jī)械滯后兩種因素作用下使得柱塞密封圈的局部溫度升高，同時(shí)由于壓裂液溫度的升高以及壓裂液工作壓力的增大也會(huì)造成柱塞密封圈的溫度升高。
　　3、對(duì)密封圈的

5、溫度-結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合分析。通過(guò)將密封圈工作過(guò)程中密封圈的溫度升高造成密封圈內(nèi)部應(yīng)力變化的結(jié)果反饋到結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)力場(chǎng)，反饋結(jié)果顯示：在環(huán)境溫度較低時(shí)，橡膠熱脹冷縮，造成密封材料的彈性下降，隨著密封圈彈性的下降會(huì)導(dǎo)致密封效果不佳，密封不嚴(yán)，因此泄漏量會(huì)隨之增加，由于密封圈彈性下降可能造成密封圈局部發(fā)生龜裂現(xiàn)象，龜裂發(fā)生后，使得密封圈的彈性無(wú)法恢復(fù)；高溫也容易使橡膠密封圈氧化，引起密封圈老化、變形，使得密封圈的張力，彈性以及硬度都會(huì)有很大程度