采油螺桿泵舉升壓力隨過盈量的變化規(guī)律研究

韓國有，徐桂影，王明起

采油螺桿泵舉升壓力隨過盈量的變化規(guī)律研究

韓國有，徐桂影，王明起

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

過盈量是與螺桿泵舉升壓力密切相關(guān)的參數(shù)。采用ANSYS12.0軟件對(duì)GLB120-27型采油螺桿泵建立三維有限元模型，利用數(shù)值模擬的方法分析過盈量對(duì)舉升壓力的影響。取1／2個(gè)導(dǎo)程作為研究對(duì)象，得出在不同腔室壓力下，過盈量為0.3 mm時(shí)螺桿泵的臨界接觸壓力，計(jì)算出其理論舉升壓力。依此方法求解出在不同過盈量下螺桿泵的舉升壓力，得出舉升壓力隨過盈量的變化規(guī)律曲線和表達(dá)式，可為螺桿泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

螺桿泵；過盈量；舉升壓力；接觸壓力

采油螺桿泵是一種旋轉(zhuǎn)式容積泵，它兼有容積泵和離心泵二者的特點(diǎn)，以其投資少、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、節(jié)能效果明顯和適應(yīng)性強(qiáng)等獨(dú)占優(yōu)勢受到了國內(nèi)外各大油田的高度重視，是目前主要的采油設(shè)備之一［1-2］。國外螺桿泵的最大舉升壓力可以達(dá)到3 000 m以上，而國內(nèi)最大只能達(dá)到1 500 m左右，在深井中應(yīng)用受到限制［3-4］。螺桿泵的舉升壓力與轉(zhuǎn)子和定子之間的過盈量密切相關(guān)。本文采用ANSYS12.0軟件對(duì)GLB120-27型采油螺桿泵進(jìn)行有限元分析，研究舉升壓力隨過盈量的變化規(guī)律。

1 舉升壓力的形成過程

螺桿泵在工作時(shí)，定子襯套雙螺旋面與轉(zhuǎn)子單螺旋面之間形成多個(gè)密封腔室，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，密封腔由吸入端沿軸向朝排出端推移，直到消失。隨著密封腔室的不斷形成、推移和消失的過程，介質(zhì)在吸入端與排出端之間壓差的作用下被吸入，并被推擠到排出端，壓力不斷地升高，流量很均勻，在推移的過程中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和液體能的相互轉(zhuǎn)化。基于上述螺桿泵的工作原理，決定了定子和轉(zhuǎn)子之間要存在一定的過盈，這樣才能保證封閉腔室之間的密封以及單級(jí)承壓能力。過盈值對(duì)于螺桿泵的工作特性影響很大。在螺桿泵級(jí)數(shù)不改變的情況下，過盈量的大小決定了螺桿泵密封腔室承壓能力［5］，進(jìn)而決定了螺桿泵的舉升能力。過盈量加大會(huì)增加定轉(zhuǎn)子間的密封性能，提升螺桿泵的舉升壓力；反之，會(huì)降低定轉(zhuǎn)子間的密封性能，降低泵的舉升壓力。但是過盈量大，會(huì)使轉(zhuǎn)子對(duì)定子橡膠的磨耗加劇，摩擦生熱量大，加劇橡膠老化，且易出現(xiàn)卡泵現(xiàn)象。因此，過盈量不僅是影響舉升壓力的重要因素，也是影響螺桿泵各方面性能的關(guān)鍵因素之一［6］。

采油螺桿泵在實(shí)際工作中，腔室之間的泄漏與密封是一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。隨著油管內(nèi)油液高度的不斷增加，排出端腔室內(nèi)壓力隨之升高，與其相鄰腔室之間的壓差不斷地增大。當(dāng)相鄰腔室之間的壓差增加到大于臨界接觸壓力時(shí)將發(fā)生泄漏，其結(jié)果是油液從高壓腔室竄流到低壓腔室，造成低壓腔室內(nèi)壓力升高，那么相鄰腔室之間的壓差將會(huì)減小，直至重新建立密封。以此類推，沿采油螺桿泵腔室可以建立起1個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的壓力場［7-9］。

2 接觸應(yīng)力分析

選取GLB120-27型螺桿泵幾何參數(shù)建立三維模型，取橡膠定子外徑Ds＝77 mm，定子導(dǎo)程T1＝160 mm，轉(zhuǎn)子導(dǎo)程T0＝80 mm，偏心距e＝5 mm，轉(zhuǎn)子直徑Dr＝38.6 mm。由于采油螺桿泵定子襯套為丁腈橡膠，轉(zhuǎn)子的材料是合金鋼，二者材料不同，為保證計(jì)算精度，轉(zhuǎn)子選用SOLID45單元，定子選用SOLID185單元，定、轉(zhuǎn)子網(wǎng)格選擇3 mm。采用兩參數(shù)M-R本構(gòu)模型模擬定子橡膠材料，常數(shù)C1＝－0.751 3 MPa，C2＝2.375 MPa，參數(shù)d＝1.232 MPa。在建模時(shí)對(duì)定子橡膠外面施加固定約束模擬鋼套，在定子橡膠斷面仍施加對(duì)稱約束來約束端面，轉(zhuǎn)子端面施加固定約束，由于螺桿泵的結(jié)構(gòu)是循環(huán)對(duì)稱的，只取1／2個(gè)導(dǎo)程為研究對(duì)象。GLB120-27型螺桿泵1／2個(gè)導(dǎo)程的有限元模型如圖1所示，接觸應(yīng)力分布如圖2所示。

由圖1～2可知：1／2個(gè)導(dǎo)程螺桿泵的密封帶由2個(gè)半圓和2條螺旋線組成，密封帶把螺桿泵的內(nèi)部分成獨(dú)立的腔室，油液對(duì)腔室作用產(chǎn)生的壓差小于等于接觸壓力時(shí)螺桿泵達(dá)到密封狀態(tài)，正常工作；反之發(fā)生泄漏。螺桿泵達(dá)到密封狀態(tài)，正常工作，應(yīng)使其滿足最小接觸應(yīng)力準(zhǔn)則，即

式中：σmin為最小接觸壓力，MPa；Δp為壓差，MPa。

圖1 螺桿泵1／2個(gè)導(dǎo)程有限元模型

圖2 螺桿泵1／2個(gè)導(dǎo)程接觸壓力

螺桿泵相鄰腔室之間的壓差大于密封帶接觸壓力時(shí)，發(fā)生油液的泄漏，此時(shí)密封帶上的接觸壓力即為密封與泄漏的臨界接觸壓力。將接觸壓力沿密封帶長度方向取值，接觸帶上的接觸壓力是不均勻分布，發(fā)生泄漏的部位主要集中在密封帶薄弱環(huán)節(jié)。圖2中圓形所圈出的區(qū)域接觸壓力要小于其他部分的接觸壓力，所以將該區(qū)域選為本文的研究范圍。

3 壓力場分布規(guī)律及舉升壓力

針對(duì)螺桿泵有限元模型，在低壓腔室分別加0、3、5、7、10 MPa壓力，相應(yīng)的高壓腔室內(nèi)壓力依次增加，找出對(duì)應(yīng)的臨界接觸壓力。以低壓腔室內(nèi)加0 MPa壓力為例，高壓腔室加0.65 MPa壓力，有限元計(jì)算得接觸壓力0.68 MPa，大于壓差0.65 MPa；高壓腔室加0.66 MPa壓力時(shí)，接觸壓力是0.65 MPa，小于壓差0.66 MPa。由密封準(zhǔn)則，此時(shí)的臨界接觸壓力為0.65 MPa。同理，經(jīng)過有限元計(jì)算，分別得出不同內(nèi)壓力、不同壓差時(shí)所對(duì)應(yīng)的接觸壓力值，如表1所示。

表1 GLB120-27型采油螺桿泵臨界接觸壓力

對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出低壓腔室壓力與臨界接觸壓力之間的表達(dá)式為

pl＝－0.000 4p2d－0.049 2pd＋0.650 9 （2）式中：pd為低壓腔室內(nèi)壓力，MPa；pl為臨界接觸壓力，MPa。

假設(shè)采油螺桿泵吸入端壓力為0 MPa，那么其壓力場的分布如下：

1） 吸入端壓力0 MPa，則0腔室的內(nèi)壓力為0 MPa。

2） 根據(jù)腔室內(nèi)壓力與臨界接觸壓力的變化趨勢可知，當(dāng)?shù)蛪?腔室內(nèi)壓力為0 MPa時(shí)，由式（2）計(jì)算得出臨界接觸壓力為0.65 MPa，因此1腔室內(nèi)壓力為0.65 MPa。

3） 當(dāng)?shù)蛪?腔室內(nèi)壓力為0.65 MPa時(shí)，臨界接觸壓力為0.62 MPa，因此2腔室內(nèi)壓力為1.27 MPa。

4） 當(dāng)?shù)蛪?腔室內(nèi)壓力為1.27 MPa時(shí)，臨界接觸壓力為0.59 MPa，因此3腔室內(nèi)壓力為1.86 MPa。

以此類推，……

5） 當(dāng)?shù)蛪?6腔室內(nèi)壓力為9.35 MPa時(shí)，臨界接觸壓力為0.16 MPa，因此27腔室內(nèi)壓力為9.51 MPa。

由此計(jì)算出GLB120-27型采油螺桿泵的揚(yáng)程為9.51 MPa。

通過上述計(jì)算方法，對(duì)GLB120-27型螺桿泵分別選取過盈量為0.3、0.4、0.5 mm 3個(gè)參數(shù)，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，并計(jì)算出在不同過盈量條件下的臨界接觸壓力，如表2所示。

表2 不同過盈量下的臨界接觸壓力

由圖3可知：臨界接觸壓力隨著過盈量的增加而增大，其他參數(shù)不變的情況下，選用大過盈量的螺桿泵可使密封性能得到提高，從而提高螺桿泵的舉升壓力。

根據(jù)上述采油螺桿泵壓力傳遞規(guī)律的計(jì)算方法，計(jì)算得出該型采油螺桿泵在不同過盈量下的舉升壓力，如表3所示。

圖3 螺桿泵不同過盈量的臨界接觸壓力隨腔室壓力變化曲線

表3 不同過盈條件下的舉升壓力

對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出過盈量與舉升壓力的表達(dá)式為

式中：δ為過盈量mm；p為舉升壓力，MPa。

圖4 螺桿泵過盈量與舉升壓力關(guān)系曲線

如圖4可知：螺桿泵的舉升壓力隨著過盈量的增加而增加，當(dāng)過盈量小于0.4 mm時(shí)，舉升壓力隨著過盈量增加而增大的速度較慢；當(dāng)過盈量大于0.4 mm時(shí)，舉升壓力隨著過盈量增加而增大的速度較快。假定過盈量為0.45 mm，則根據(jù)曲線可知，此時(shí)GLB120-27型采油螺桿泵的舉升壓力為12.37 MPa，比過盈量為0.4 mm的單螺桿泵提高了1.65 MPa，即增加下泵深度100多m。

由此可以得出：把過盈量為0.4 mm處定義成臨界過盈點(diǎn)δl，當(dāng)螺桿泵的過盈量小于0.4 mm時(shí)，舉升壓力隨著過盈量增加而增大的速度較慢；當(dāng)過盈量大于0.4 mm時(shí)，舉升壓力隨著過盈量增加而增大的速度較快。

4 結(jié)論

1） 螺桿泵臨界接觸壓力與過盈量呈正相關(guān)變化，即過盈量增加且壓差增大時(shí)，接觸壓力隨之增大。

2） 得到過盈量與舉升壓力之間的變化規(guī)律曲線和表達(dá)式，為螺桿泵的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3） 螺桿泵的舉升壓力隨著過盈量的增加而增加，當(dāng)過盈量小于0.4 mm時(shí)，舉升壓力隨著過盈量增加而增大的速度較慢；當(dāng)過盈量大于0.4 mm時(shí)，舉升壓力隨著過盈量增加而增大的速度較快。

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Lifting Pressure Varies with the Change of the over Interference Quantity in Progressive Cavity Pump

HAN Guo-you，XU Gui-ying，WANG Ming-qi
（College of Mechanial Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

In the consequence，improving the lifting pressure of screw pump has important practical value.Interference is closely parameter related with the screw pump lifting pressure，numerical simulation methods is used to analyze the impact which interference quantity on lifting pressure.ANSYS12.0 is used to establish 3D finite element model of GLB120-27 type of screw pump，taking half of the lead as the research object，obtained the critical contact pressure under different chamber pressure while interference for 0.3 mm，then calculate the theoretical lifting pressure.With this method used in lifting pressure under different interference，the conclusion is made for curve and expression which lifting pressure varies with the change of the over interference quantity，which provides theoretical basis for the optimization design of screw pumps.

screw pump；interference；lifting pressure；contact pressure

TE933.3

A

1001-3482（2014）03-0010-04

2013-09-04

韓國有（1956-），男，遼寧蓋州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣田設(shè)備故障與可靠性分析研究。