6500HP型壓裂泵柱塞密封結構與性能研究.pdf

1、我國頁巖氣主要分布在山區(qū)，山區(qū)地形復雜，同時作業(yè)面積狹小，控制開采設備的數(shù)量和占地面積顯得尤其重要，用大功率的壓裂設備代替目前小功率的壓裂設備可以做到減少壓裂設備的數(shù)量。隨著壓裂設備的功率增大，對柱塞的密封提出了更高的要求。柱塞的密封結構在防止壓裂液泄漏，提高壓裂泵容積效率以及保證壓裂設備正常運轉中起到重要作用。本文對6500HP型壓裂泵柱塞密封結構進行設計，并對密封圈的材料、形狀進行選型，進而應用有限元對6500HP型壓裂泵柱塞密封圈

2、在工作狀態(tài)下進行仿真，模擬柱塞密封圈的密封性能。在分析過程中對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影響因素，研究了機械滯后生熱以及摩擦生熱對密封圈溫度場的影響，對柱塞密封圈進行熱應力耦合分析。對柱塞的密封間隙進行研究，研究內容與所得結論如下：
　　1、對橡膠密封圈的結構進行理論分析和建模。通過對 V型密封圈結構進行改進設計，運用橡膠的結構非線性理論和材料的超彈性理對柱塞密封圈建立了有限元模型

3、，并對其進行研究分析。研究結果表明：V型密封圈唇部夾角處以及下唇部接近柱塞外側部分最容易發(fā)生失效，其中柱塞與密封圈相對運動的過程中發(fā)生摩擦，由于摩擦的存在，使得柱塞密封圈的壽命減少，同時壓裂泵內壓裂液的工作壓力以及柱塞與密封圈之間的摩擦系數(shù)對壓裂泵柱塞密封效果也有重要影響。
　　2、對柱塞密封圈溫度場進行分析。運用傳熱學理論，對柱塞密封圈的熱源進行分析。在壓裂泵工作過程中，柱塞與密封圈相對滑動，滑動過程中密封圈熱量來源主要有兩塊：

4、第一塊是柱塞與密封圈之間的滑動摩擦產(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，使密封圈內唇溫度身高；第二塊是由于密封圈工作過程中，橡膠材料的機械滯后因素生成的熱量。通過V型圈的結構可以看出，唇部橡膠材料少于背部，機械滯后現(xiàn)象主要發(fā)生在密封圈背部靠近中心的位置。在滑動摩擦和機械滯后兩種因素作用下使得柱塞密封圈的局部溫度升高，同時由于壓裂液溫度的升高以及壓裂液工作壓力的增大也會造成柱塞密封圈的溫度升高。
　　3、對密封圈的

5、溫度-結構進行耦合分析。通過將密封圈工作過程中密封圈的溫度升高造成密封圈內部應力變化的結果反饋到結構分析中的應力場，反饋結果顯示：在環(huán)境溫度較低時，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導致密封效果不佳，密封不嚴，因此泄漏量會隨之增加，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法恢復；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，彈性以及硬度都會有很大程度