【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 體易壓縮造成出油閥開啟滯后或打不開的問題，有效防止氣鎖，實(shí)現(xiàn)泵向油管的排液。 （ a） 機(jī)械強(qiáng)啟閉防氣出油閥 機(jī)械強(qiáng)啟閉防氣出油閥總成（圖 2）主要包括梭形閥強(qiáng)制打開，保證泵下腔氣體上排；該總成中的強(qiáng)啟閉防氣出油閥倒置并與閥桿上的球閥面配合以保證萬向密封，保證了泵在任何油氣比情況下均能有效工作。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 （ b） 主要技術(shù)參數(shù) 目前，已開發(fā)出四種規(guī)格長(zhǎng)塞環(huán)封防 氣防砂抽油泵，主要技術(shù)參數(shù)見表 1。 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)論 2021 年 9 月，長(zhǎng)塞環(huán)封防氣防砂抽油泵先后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 2.該泵與普通抽油泵相比，試驗(yàn)壓力 28MPa 沒有漏失量，平均泵提高 15%20%，平均單井檢泵周期延長(zhǎng) 90d 以上。 長(zhǎng)塞環(huán)封防氣防砂抽油泵能夠在各種油氣比的油井中高效可靠地工作，既能有效防止氣鎖，氣阻，提高泵效，又能消除上下沖程帶來的“液面沖擊”，降低閥罩，泵閥及抽油桿柱等部件所受到的沖擊載荷。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 3 封閉環(huán)防氣防砂抽油泵設(shè)計(jì) 抽油泵總體尺寸 計(jì)算 油管直徑與泵徑的匹配 管式抽油泵要與油管連接，故油管直徑必須與抽油泵的泵型相匹配。 (1) 同一種泵型同一種規(guī)格的抽油泵可以與一種規(guī)格或者兩種規(guī)格的油管相匹配，其目的是在空間允許的范圍下提供較大的選擇余地。 (2) 因?yàn)楣苁奖檬遣迦胧焦?，油管?nèi)徑必須大于桿式泵最大外徑，反映為油管尺寸代號(hào)比泵徑尺寸代號(hào)前兩位數(shù)值要大。管式泵大部分也符合此規(guī)律，但有一部分油管尺寸代號(hào)反而小于泵徑尺寸代號(hào)的前兩位數(shù)值，說明此時(shí)柱塞直徑大于油管內(nèi)徑，柱塞必須事先放在泵筒內(nèi)，用脫接器與抽油桿連接。 管式泵最大外徑 受到套管內(nèi)徑的限制，我國(guó)常用的是 1140(5 )2? 套管，壁厚最厚的一種內(nèi)徑為 ? mm，與它配的抽油泵最大外徑應(yīng)控制在 116mm? ，有時(shí)因作業(yè)需要應(yīng)留出更大的空隙。 抽油泵長(zhǎng)度 抽油泵長(zhǎng)度主要取決于泵筒長(zhǎng)度，它與沖程長(zhǎng)度有關(guān)，具體的說是柱塞長(zhǎng)度、沖程長(zhǎng)度、防沖距和加長(zhǎng)短節(jié)長(zhǎng)度等決定。 推薦柱塞長(zhǎng)度和防沖距按表 31選擇。 表 31 推薦柱塞長(zhǎng)度和防沖距 下泵深度 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 柱塞長(zhǎng)度 防沖距 本次設(shè)計(jì)柱塞長(zhǎng)度為 ；沖程長(zhǎng)度為 ；防沖距為 ；下泵深度為 1200m；泵筒的總長(zhǎng)度為 。 抽油泵的主要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 因各種零件的結(jié)構(gòu)、作用和工況不同，設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容也有區(qū)別。泵筒、柱塞等零件側(cè)重于強(qiáng)度、剛度的計(jì)算，而泵 閥計(jì)算則側(cè)重與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。 古德曼圖 [15] 石油機(jī)械疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，經(jīng)常利用古德曼圖（圖 31），它是一張極限應(yīng)力圖。西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 抽油泵是一種往復(fù)泵，各種零件所受應(yīng)力為交變應(yīng)力，可借用古德曼圖進(jìn)行計(jì)算。 （ 1）古德曼圖 金屬材料用古德曼圖 ，如圖 31 所示，其橫坐標(biāo)是交變應(yīng)力的平均應(yīng)力 m? ，縱坐標(biāo)是最大應(yīng)力 max? 和最小應(yīng)力 min? 。一張完全的古德曼圖是 最大應(yīng)力 max? 和最小應(yīng)力 min? 凸八邊形構(gòu)成的封閉圖形。工作在封閉圖形范圍內(nèi)的零件其壽命可達(dá)到 710 次循環(huán)以上，是安全的。 圖 31 古德曼圖 （ 2） 實(shí)際耐久極限 試件在周期應(yīng)力作用下，不發(fā)生循環(huán)破壞（循環(huán)破壞次數(shù)達(dá)到 710 次）的最大應(yīng)力稱為耐久極限。耐久極限是通過表面光滑直徑 57mm 圓柱形試件，在轉(zhuǎn)桿壽命試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)獲得的。大量試驗(yàn)證明：對(duì)于黑色金屬和和部分有色金屬，耐久極限 ‘ n? 與材料抗力強(qiáng)度 b? 存在一定關(guān)系，并于加載方式有關(guān)，即： 39。 =n P bC?? （ 31） 式中 ： ‘ n? — 耐久極限， Mpa； b? — 材料強(qiáng)度極限， Mpa； PC — 加載方式系數(shù)，彎曲 : ,PC = 軸向拉壓 : ,PC = 扭轉(zhuǎn)： = 。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 實(shí)際使用的零件與試樣有差異，工況與試驗(yàn)條件也不盡相同，應(yīng)將耐久極限根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，使之能適應(yīng)實(shí)際情況，調(diào)整后的數(shù)據(jù)稱為實(shí)際耐久極限。影響實(shí)際耐久極限的因素主要有偏載情況、直徑大 小、工件表面質(zhì)量和介質(zhì)性質(zhì)等。 l） 偏載系數(shù) 軸向拉壓，因偏心而產(chǎn)生不確定的彎曲，將影響實(shí)際耐久極限。對(duì)于抽油泵零件而言可取偏載系數(shù) = 。 2） 直徑系數(shù)（ DC ） 抽油泵泵筒可?。? ? 。 3） 工件表面系數(shù)： 工件表面粗糙度對(duì)耐久極限有較大的影響，而且材料強(qiáng)度極限越大，影響越明顯。抽油泵零件表面大部分經(jīng)過機(jī)械加工，故推薦表面系數(shù) SC 為： 40. 89 2. 18 10SbC ??? ? ? （ 32） 4）腐蝕情況系數(shù)（ hC ） 一般取 1hC = ，腐蝕情況越嚴(yán)重，系數(shù) hC 越小，無腐蝕 1hC= 。 5）實(shí)際耐久極限 綜合比較，實(shí)際耐久 極限 n? 為 : 39。n L D S h n L D S h P bC C C C C C C C C? ? ??? （ 33） （ 3） 交變應(yīng)力 最小應(yīng)力 ? min，最大應(yīng)力 ? max，平均應(yīng)力 ? m，應(yīng)力振幅 ? a，應(yīng)力振程 ? r ，它們之間的關(guān)系如下： m ax m in( ) / 2m? ? ??? （ 34） m ax m in( ) / 2a? ? ??? （ 35） m a x m in2ra? ? ? ?? ? ? （ 36） （ 4） 應(yīng)力集中系數(shù) 對(duì)于抽油泵而言，大部分零件的危險(xiǎn)斷面在螺紋上，推薦按表 32 確定應(yīng)力集中系數(shù)。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 表 32 螺紋應(yīng)力集中系數(shù) 材料 滾制螺紋 切制螺紋 退火鋼 （＜ HB200） 淬火冷拔鋼（＞ HB200） 泵筒的設(shè)計(jì)與計(jì)算 泵筒是抽油泵的主要零件，柱塞在其內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抽汲油液，它又是固定閥、泵筒接箍的支持件，因此加工難度較大。 1對(duì)泵筒的性能要求 （ 1） 泵筒與柱塞形成一運(yùn)動(dòng)副，要保證柱塞運(yùn)轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)靈活無阻卡，且磨損均勻； （ 2）保 證泵筒與柱塞之間有足夠的密封能力； （ 3） 要有足夠的強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度，能適應(yīng)深抽需要； （ 4） 要有較好的耐磨性； （ 5） 要有較好的抗腐蝕能力。 2泵筒的材料選擇 從井下介質(zhì)情況來看，主要存在的的固體顆粒和腐蝕性物質(zhì)，不同井中固體顆粒大小、含量和腐蝕性物質(zhì)的化學(xué)成分、濃度都有變化，應(yīng)該根據(jù)不同介質(zhì)選擇相應(yīng)的泵筒材料。為了更好的發(fā)揮材料的使用性能，還應(yīng)該與采用的工藝結(jié)合起來，以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益。 此設(shè)計(jì)制造泵筒的材料為 45 鋼。 制造泵筒的毛坯是精密鋼管（冷拔、冷軋無縫管）。這種毛坯尺寸精度高，表面質(zhì)量好，可以有效的控制加工余量。 泵筒摩擦表面強(qiáng)化工藝主要有碳氮共滲（或滲碳），氮化和鍍鉻等。本設(shè)計(jì)采用鍍鉻。各種泵筒材料與工藝對(duì)井下介質(zhì)的適應(yīng)能力，對(duì)于常用幾種工藝滲（鍍）層厚度及硬度推薦數(shù)值見下表 33： 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 表 33 泵筒滲（鍍）層厚度及硬度 表面處理方法 滲（鍍）層厚度 （ mm） 表面硬度 （ HRC） 心部硬度 （ HB） 鍍鉻 ?? 加 厚 66～ 72 207～ 240 滲碳或者滲氮共滲 ? 58～ 66 氮化 ? HV856～ 1307 3泵筒的技術(shù)要求 （ 1） 內(nèi)徑制造偏差為 mm。 （ 2） 形位偏差 泵筒全長(zhǎng)內(nèi)內(nèi)徑變動(dòng)量要求控制在制造公差內(nèi)，即最大為 。 內(nèi)孔圓柱度用綜合測(cè)量，基本尺寸為 D 的泵筒，用 ???D 的綜合量規(guī)檢查時(shí)應(yīng)能通過。 （ 3） 內(nèi)孔表面粗糙度不大于 m? . （ 4） 滲層厚度與硬度 對(duì)于常用幾種工藝滲層厚度即硬度推薦數(shù)值見表 33. 4泵筒強(qiáng)度計(jì)算 （ 1）泵筒分類： 第一種 按泵筒壁厚可分為薄壁筒、中厚壁筒和加厚壁筒。 API 規(guī)范中，薄壁筒壁厚 ?? ，厚壁筒 ?? ，按照設(shè)計(jì)需要選取泵筒壁厚 mm6?? . 第二種 按泵筒兩端螺紋結(jié)構(gòu)可分為外螺紋和內(nèi)螺紋兩種，由于壁筒較厚，選擇外螺紋； 第三種 按受力方式可分為擠扁和復(fù)合抗力兩種。管式泵（ TH\TP） 受復(fù)合抗力。 （ 2）危險(xiǎn)工況、 危險(xiǎn)部位和危險(xiǎn)斷面的分析計(jì)算 泵筒危險(xiǎn)斷面兩端螺紋處。推薦螺紋處計(jì)算直徑為： 0 d t= (37) ??? ? 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 式中： 0d — 螺紋處計(jì)算直徑，（ mm）； d — 螺紋處大徑，（ mm）； t — 螺距 ，（ mm） 螺紋危險(xiǎn)斷面處，承載面積計(jì)算如下： 外螺紋泵筒（用于厚壁筒、中厚壁筒） 1 。DD= 20Dd= ? ?1D 56mm 2D = 危險(xiǎn)斷面承載面積： ? ? 42122 DDF ?? ? (38) = ? ? 4568 6 22 ??? = 2mm 式中： F — 危險(xiǎn)斷面承載面積， 2mm ； 1D — 計(jì)算內(nèi)徑， mm； 2D — 計(jì)算外徑， mm。 （ 3）載荷分析 l） 筒內(nèi)、外壓力 筒內(nèi)、外壓力是由井液造成的，其計(jì)算式為 P = BPH ?? ? ?310 (39) 式中 P — 筒內(nèi)、外壓力， MPa； ? — 井液密度， 3mkg ，本設(shè)計(jì)取 3310 mkg?? ； H — 下泵深度， 1200m ； BP — 井口回壓， MPa ； 取 aB MPP 2? ，故有 P = 210 3 ?? ? H = 2120210 3 ??? ? = aMP 2）附加軸向載荷 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 把由筒內(nèi)壓力造成軸向載荷以外的軸向載荷稱為附加軸向載荷，它包括泵筒組自重、尾管重量、井液浮力及柱塞和泵筒之間的摩擦力。因泵筒組自重占軸向載荷的比例不大，可忽略不計(jì)；為安全起見，井液浮力不予考慮。故附加軸向載荷及應(yīng)力為 fc QWQ ?? (310) ??? N39200? FQcc ?? (311) = ?? ? 式中 cQ — 附加軸向載荷； N c? — 附加軸向應(yīng)力； aMP W — 尾管重量 kg ， 由 API 可查得下泵深度 1200m 的管式泵， W =4000kg ； fQ — 柱塞與泵筒之間的摩擦力，井液粘度不大，摩擦力可忽略不計(jì)，故設(shè)計(jì)時(shí)按 0?fQ 考慮。 （ 4）應(yīng)力分析 從泵筒上取一應(yīng)力元（如圖），它受三向應(yīng)力，危險(xiǎn)點(diǎn)在泵筒內(nèi)徑處。各種泵型三向應(yīng)力大小見沈迪成等編著的《抽油泵》表 48）， 圖 32 泵筒應(yīng)力分析圖 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 ??? DDK （ 312） 21 211 K PK??? ???? （ 313） 22 ???? ?