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螺杆泵系统漏失和磨损机理研究

2019-08-05 14:22:28
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螺杆泵是一种旋转容积式泵,它兼有容积泵和离心泵的优点。地面驱动螺杆泵起源于20世纪80年代初期,随着三次采油技术的发展,螺杆泵采油技术作为较有效的人工举升方法之一,已在油田得到广泛应用,并取得明显的经济效益。螺杆泵匀速运转,无机械和液流的惯性损失,既能适用于一般原油井的生产,又能适用于高粘度、高含砂油井的生产。螺杆泵在工作过程中,泵压的影响尤为重要,如果泵压不当,不但使螺杆泵的泵效下降,而且还会影响泵的使用寿命。实际工作中螺杆泵系统是封闭的,很难去理解和把握螺杆泵运转过程中液压对定转了的作用。一般采取在外部找个适当的方法测试一些数据,分析这些数据得出规律推断螺杆泵内部运动和相互作用。

广大工程技术人员对螺杆泵泵效进行研究,提出了产生漏失的原因。但是,这些研究主要是基于经验的解释,不能真实地描述螺杆泵的漏失和磨损的内在机理。本文对螺杆泵系统进行流体动力学和结构力学三维数值模拟和分析,提出了一种新的螺杆泵漏失和磨损的力学机理。计算流体动力学((CFD)分析得到螺杆泵内部液腔压力分布和液压对转了的作用载荷。采用有限元方法((FEM)对螺杆泵系统定转了过盈接触进行了三维数值模拟,分析了液压作用在转了上的力引起定转了之问相互啮合关系,讨论了单螺杆泵系统受液压作用的影响。

螺杆泵系统由螺旋式的定了和转了组成。转了在定了衬套中绕白身轴线白转的同时,其轴线绕定了中心轴以相同的角速度反转。这一复合运动的结果是每一截面的转了绕其圆心白转的同时,圆心以正弦形式做直线运动。

由转了的运动规律及定转了啮合理论,可将定转了的封闭腔室的形成及消失过程用。随着转了转动,密封腔向上移动,吸入口处产生真空,吸入井下液体。转了每转动360°,吸入口处产生新的密封腔室,原来的密封腔室向上移动一个定了导程,从而使泵内密封腔中的液体向泵的出口运动,将入口吸入的液体逐级输送到泵出口。

采油螺杆泵进出口工作压差一般为5MPa -15MPa,泵级数一般为14级一40级,单级承压能力在0.3MPa-0.6MPa。单级是指一个完整的封闭腔室,即一个完整的定了导程。由于周期性,对转了的液压力分析限在一个封闭腔室。考虑到对称性,可取半个导程,即一个转了螺距t长度范围内进行分析。在一个转了螺距长度范围内,沿螺杆泵转了空问曲面方程积分凯时可以得出液压对转了的作用力。

漏失的产生与工作泵压对螺杆泵系统的作用力直接相关,跟螺杆泵内部压强分布和单级压差无关。螺杆泵吸入口处压强很小,实际的工作单级压差很难使定了产生穿透,而离排出口越近,压强变得很大,已经压缩定了到一定程度,再加上工作压差容易产生穿透。实验发现当泵压达到一定值(临界泵压)时开始产生漏失,泵效降低。临界泵压产生的压差不能在螺杆泵吸入口处产生穿透,密封性很好,由质量守恒原理可知,不管螺杆泵上部产生或不产生穿透,将把吸入的油全部排出,泵效会是100%,这证明单级压差不能解释漏失机理。

从泵压对整个螺杆泵系统产生的影响解释漏失。理论分析和数值模拟分析说明泵压对转了的作用力和作用力矩与泵压成正比。当泵压超过临界值时对转了产生的力和力矩使转了与定了产生接触作用,定了产生变形引起的对转了反作用力来平衡液压对转了的作用,这会使转了在某一个方向上挤压定了。转了的位移大于过盈量时,另一个方向产生问隙,降低密封效果,发生漏失。液压不仅有力的作用,还存在倾倒力矩的作用,它使转了产生倾倒,在定了两端上出现比中问部分更大的应力,这与实际工程中两端相应位置磨损严重的事实是吻合的。

传统理论认为液压导致定了穿透是漏失的主要原因。本文讨论了螺杆泵内部转了的运动规律以及随着转了的运转螺杆泵旋转增压实现抽油的工作机理。

采用流体动力学数值模拟方法计算了各个腔中的压强分布情况和这种分布对转了的作用力和力矩。采用有限元数值模拟方法计算了液压作用对有初始过盈定转了的相互作用中起到的影响,讨论了螺杆泵长度和泵压的影响。液压力对转了的影响与长度无关,与泵压呈线性关系,倾倒力矩跟长度有关,呈线性关系。

结果表明,液压作用在转了上的力是产生漏失的主要原因,液压作用在转了上的扭矩是螺杆泵两端磨损的主要原因。这一新的机理能解释传统理论不能解释的漏失原因,对磨损的解释也与实际工程相吻合。