CN103573615B - 高压柱塞泵的液力端 - Google Patents

Abstract

本发明专利属于油田生产设备，具体为一种高压柱塞泵的液力端。本发明提供一种高压柱塞泵的液力端结构，其包括以吸入凡尔孔、排出凡尔孔、柱塞孔和堵盖孔组成的内腔。前两孔的中心线相互平行，且垂直于后两孔的中心线，每个内腔的四条中心线所形成的平面为该内腔的中心面。在液力端阀箱内腔由吸入凡尔孔、柱塞孔、堵盖孔和排出凡尔孔等构成的相贯区域，由直线沿着特定的曲线轨迹扫过形成直纹面过渡结构，降低该区域的应力和改善其流体流动特性，提高液力端的抗疲劳和抗磨损冲蚀性能。同时，增大液力端阀箱的左右两侧壁厚与其相邻的柱塞间距的比值，可以有效地改变相邻内腔关键区域的变形和应力状态，从而实现延长液力端的使用寿命。

Description

高压柱塞泵的液力端

技术领域

本发明专利属于油田生产设备，具体为一种高压柱塞泵的液力端。

背景技术

从1947年被首次使用，水力压力技术逐渐成为油田的主要增产措施，特别是过去的二十年期间在北美成功地得到了广泛应用。在高压作用下将压裂液泵送到井底，实现压裂地层，从而实现增加油气产量。该系统的关键组成部分是产生高压的往复式高压柱塞泵，主要由动力端和液力端两部分组成。动力端主要是将驱动轴的旋转运动转换成柱塞的往复运动，而连接着柱塞的液力端主要是通过柱塞的往复运动和阀门的开关来实现其内腔体积的周期性变化。液力端主要是由阀箱、凡尔及凡尔座、柱塞、密封盘根、弹簧和弹簧座等组成。阀箱是由吸入凡尔孔、排出凡尔孔、柱塞孔和堵盖孔等组成。在吸入冲程，柱塞沿着柱塞孔抽出，阀箱内腔的压力迅速下降，使吸入阀开启，吸入阀内外的压差导致液体迅速进入阀箱内腔；在排出冲程，吸入凡尔关闭，流体压力逐渐增大，直至排出凡尔开启，将流体泵送进高压排出管汇。

随着柱塞的往复运动，阀箱经历周期性应力变化。含有砂子、化学添加剂、泥浆或是水泥浆等流体在高压作用下被泵送到井下。化学物质可提高地层的制造裂缝的能力，而砾石等支撑剂则是用于支撑裂缝，防止其在压力卸载后闭合，从而保持油气通道的畅通，但是这些添加物也加剧了在重载工况下阀箱等部件的损害，为高压柱塞泵的制造商提出了新挑战。在循环液压载荷作用下，由高强度钢锻件组成的阀箱常在相贯孔区域萌生疲劳裂纹。同时，在作业过程中，液力端的相贯区域还会观察到严重的磨损。

伴随全球能源供应结构的变化，页岩气和致密油等非常规能源逐渐发挥越来越重要的作用，因此对压裂技术的发展提出更高的要求，如高压柱塞泵具有更高压力及更大排量的泵送能力。对传统的竖直井仅进行一两段压裂，压裂压力通常不超过10000psi，此阶段的低压力和短时间作业特征对高压泵送系统的要求较低。但是，随着非常规能源的开发（如美国BarnettShale和HaynesvilleShale），如水平井技术等使压裂液的泵送环境变得更加恶劣。压裂作业需要使用更高的压力（高达15000psi）和更长的作业时间（如连续一周时间），这些将加剧高压泵送系统部件的损坏，特别是液力端阀箱在周期性高压作用下发生疲劳失效和磨损等。因此，高压柱塞泵的制造者都在寻找在复杂环境下延长柱塞泵使用寿命的方法。

为了提高高压柱塞泵的可靠性，主要是通过液力端阀箱的材料及结构优化来提高其抵抗疲劳失效的能力。疲劳过程是指材料在周期性的循环载荷作用下，内部局部区域逐渐形成累积的结构损伤，且材料通常是在远低于其断裂强度的应力水平发生疲劳失效。材料的失效过程依赖于循环应力水平、结构、表面完整性、残余应力及环境（如温度、空气或真空等）。疲劳寿命与应力水平的关系可以近似用Basquin方程进行描述：，其中S _a 是有效应力幅，N _f 是失效时对应的循环周次，A和B是拟合参数（A>0且B<0）。当施加的载荷S _a 增大时，失效对应的循环周次将N _f 减小。因此，非常规能源开发需要更高的泵送压力将会加剧泵送系统的疲劳失效。其次，液力端阀箱的快速失效还与几何结构决定的应力集中系数密切相关。正是由于应力集中系数（K）的放大效应，液力端的阀箱在远低于其疲劳极限（如4330钢的疲劳极限为100,000psi）的工作压力下（P小于20000psi）常发生疲劳失效，这是由于在失效区域的真实应力水平S _a （=K×P）接近该材料的疲劳极限。

在油田的使用过程中，高压泵送系统如高压柱塞泵的失效会带来巨大的影响。首先，在作业现场更换和维修液力端造成的非作业时间，将增加油田服务公司运行成本。其次，为保证可持续运行，用户需要在现场备份大量的泵送设备，这不利于现在减小井场作业面积的趋势。因此，最佳的解决方案是直接提高柱塞泵等产品的使用寿命、可靠性和可预测性等。对于液力端阀箱，以前都是通过改变相贯孔区域的圆弧过渡或是使用Y型的结构设计，来降低关键区域的应力水平；或是通过自增强处理或是喷丸处理，在阀箱内腔形成压应力层，从而降低内腔关键区域的有效拉应力。但是这些方案都无法满意地解决阀箱的寿命短的问题，或是解决一个问题而又引入了另外的困难。如喷丸处理产生的压应力层深较浅，在使用过程中会被快速磨损，同时可能增加阀箱内壁的粗糙度；自增强处理需要远高于工作压力的液压对阀箱进行处理，可能会造成一些不可避免的损伤等。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种柱塞泵液力端的阀箱，对往复式柱塞泵的阀箱进行结构改进，降低阀箱关键区域的应力水平和提高该区域的抵抗磨损冲蚀能力，从而提升柱塞泵阀箱的服役寿命。

为实现上述技术目的，本发明提供的方案是：一种高压柱塞泵的液力端，该液力端的阀箱通过柱塞与动力端相连接，阀箱具有与内腔连通的吸入凡尔孔、排出凡尔孔、柱塞孔和堵盖孔，所述吸入凡尔孔的中心线为第一中心线，排出凡尔孔的中心线为第二中心线，所述柱塞孔的中心线为第三中心线，所述堵盖孔的中心线为第四中心线，第一中心线与第二中心线重合或平行，第三中心线与第四中心线重合或平行，第一中心线和第二中心线与第三中心线和第四中心线垂直且共面；所述吸入凡尔孔与柱塞孔、排出凡尔孔与柱塞孔、吸入凡尔孔与堵盖孔、排出凡尔孔与堵盖孔的两两相交区域均为直纹面过渡区域。

而且，所述直纹面的母线为直线，该母线与第一中心线的夹角为25°~65°。

而且，所述直纹面的母线轨迹为圆弧形，或母线轨迹为椭圆弧形且长轴与内腔的中心面垂直，或母线轨迹为两段相交的圆弧且两圆弧中心的连线与内腔的中心面垂直。

而且，所述直纹面是母线为曲线的准直纹面。所述直纹面的母线在打磨和抛光等加工过程中可形成为曲线，且该曲线的曲率半径不小于15毫米。

而且，所述直纹面延伸至相邻的柱塞孔、吸入凡尔孔、排出凡尔孔及堵盖孔中。

而且，所述吸入凡尔孔的内壁垂直于柱塞孔和堵盖孔，或，所述吸入凡尔孔的内壁有凸起，形成用于设置凡尔弹簧卡座的倒锥孔结构。

本发明提供的另一个方案是：一种高压柱塞泵的液力端，该液力端的阀箱通过柱塞与动力端相连接，阀箱具有与内腔连通的吸入凡尔孔、排出凡尔孔、柱塞孔和堵盖孔，所述吸入凡尔孔的中心线为第一中心线，排出凡尔孔的中心线为第二中心线，所述柱塞孔的中心线为第三中心线，所述堵盖孔的中心线为第四中心线，第一中心线与第二中心线重合或平行，第三中心线与第四中心线重合或平行，第一中心线和第二中心线与第三中心线和第四中心线垂直且共面；所述液力端靠近动力端的平面为前平面，该前平面垂直于柱塞孔的中心线；所述液力端的左、右侧面垂直于前平面；所述阀箱包括多个并列设置的单元阀，每个单元阀均包括一套与内腔连通的所述吸入凡尔孔、排出凡尔孔、柱塞孔和堵盖孔，且每个柱塞孔的中心线相互平行，相邻柱塞孔之间的距离相等；所述液力端的左和/或右侧面到相邻柱塞孔的距离与两相邻柱塞孔之间的距离比值为0.6~1.0，。

而且，所述包含多个单元阀的阀箱是整体式结构，或，每个单元阀是独立的分体阀箱，每相邻两个分体阀箱通过连接杆连接。

而且，所述左侧面和/或右侧面是完整平面或部分平面。

本发明在不改变现有油田使用高压柱塞泵液力端的相关配件基础上，对液力端阀箱的易发生疲劳、应力腐蚀和磨损冲蚀的相贯孔关键区域和在阀箱的整体构型方面进行优化。通过在内腔的相贯孔区域形成直纹面过渡区域可以有效地改善该区域的流体流动特性，并降低其有效循环应力水平；其次，增大阀箱两侧壁厚与柱塞间距的比值，可以有效地约束相邻内腔关键区域的变形和应力状态，这些都可以显著延长阀箱在油田恶劣工况下的服役寿命。

附图说明

图1为油田使用的典型三缸往复式高压柱塞泵的示意图。

图2为三缸液力端的放大图。

图3为往复式柱塞泵的截面图。

图4为高压柱塞泵的液力端阀箱截面示意图一。

图5为高压柱塞泵的液力端阀箱截面示意图二。

图6为液力端阀箱内腔的相贯孔区域直纹面的示意图。

图7为相贯孔过渡区域的直纹面示意图。

图8是图7中H-H方向的实施例一截面图。

图9是图7中H-H方向的实施例二截面图。

图10是图7中H-H方向的实施例三截面图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本文仅使用三缸柱塞泵作为一个典型代表，柱塞泵可以拓展到含有更多柱塞孔的型号，如五缸泵等。图1是往复式三缸柱塞泵10的三维示意图，由动力端12和液力端14组成，三个柱塞孔的中心线分别为22A-22C，相应在该柱塞孔做往复运动的柱塞编号分别为14A-14C。

图2为往复式三缸柱塞泵的液力端14示意图。液力端主要包括阀箱20及相关配件。阀箱20主要包括前平面24，左平面26和右平面28等，在前平面24中分布着三个柱塞孔，其中心线分别为22A-22C，从左至右中心线22A与22B，22B与22C之间的距离分别标示为210和212，210和212由动力端的柱塞驱动单元间距决定，通常柱塞间距相等。同时，左柱塞孔中心线22A与左平面26的距离为214，右柱塞孔中心线22C与右平面28的距离为216。

图3为往复柱塞泵10的详细二维示意图，其中动力端12通过连杆302与液力端14连接。其中液力端14是沿着图2的A-A方向的截面示意图。液力端的阀箱20包括多个内腔304，为简单起见，这里仅使用一个典型的横截面示意。阀箱20包括用于安装凡尔体306的吸入凡尔孔308，安装凡尔体312的排出凡尔孔314，安装柱塞14B的柱塞孔318和安装堵盖的堵盖孔320。当吸入凡尔体306开启时，泵送流体从吸入管汇310流到吸入孔308；当排出凡尔体312开启时，泵送流体通过高压排除口泵出到井口设备。柱塞孔318和堵盖孔320的中心线分别为20B和322，二者重合或是相互平行；吸入凡尔孔308和排出凡尔孔314的中心线分别为324和326，二者重合或相互平行；中心线20B和322与中心线324和326相垂直，且四条中心线是共面的。液力端阀箱的四个相贯孔308，314，318和320共同组成了内腔304，该相贯孔设计由于结构紧凑而被广泛采用。但是，这种紧凑的结构设计在一些关键区域的应力集中会引起阀箱的疲劳和应力腐蚀失效。

同时，如图3所示，液力端14实现提高泵送流体压力的功能是通过动力端12驱动柱塞14B的往复运动。动力端12包括主轴350及驱动主轴做旋转运动的齿轮箱。十字头352安装在动力端的十字头缸套中，并通过连杆358与柱塞14B连接，该机构将主轴350的旋转运动转化成十字头352及柱塞14B水平方向的往复运动。在有些实施案例中，由于柱塞泵空间的制约，将不采用连杆358，而是将柱塞14B直接连在十字头352上。柱塞泵14B在装有盘根360的柱塞孔318中做往复运动，液力端阀箱的内腔304体积和内部压力周期性变化。当柱塞14B沿水平方向往外运动时（吸入冲程），阀箱内腔的压力降低，在内外腔的压力差作用下，逐渐克服吸入凡尔弹簧362作用力，使吸入阀306开启，泵送液体由吸入管汇310进入并充满内腔304；当柱塞14B沿水平方向往内腔运动时（排出冲程），内腔流体压力逐渐增大，并超过排出高压管汇316的压力，足以克服排出凡尔弹簧364阻力而使排出阀312开启。

在每个吸入-排出周期，液力端阀箱20会相应地经历一次低压-高压循环。假设频率为2赫兹，液力端14将在非常短的作业时间内经历大量地循环周次，如每天接近20万次应力循环。其次，由于泵送流体中含有砾石、水泥浆或是化学添加物，这些高应力、强腐蚀和重磨损作业工况会加剧液力端阀箱的疲劳和应力腐蚀开裂等失效过程。解决方案包括改变液力端阀箱相贯孔区域的圆弧过渡或是使用Y型的结构设计，来降低关键区域的应力水平；或是通过自增强处理或是喷丸处理，在阀箱内腔形成压应力层，从而降低内腔关键区域的有效拉应力。

本实施例提供一种高压柱塞泵的液力端，如图4至图6所示，该方法的主要特征是在液力端阀箱20的相贯孔区域引入一些作为过渡区域的直纹面，降低阀箱的相贯孔等关键区域的应力水平，从而最大限度地减轻或消除内腔304附近关键区域在循环载荷作用下的损伤。为了描述简单清晰，图4中不包括一些配件（如凡尔、柱塞和盘根等），而主要示意液力端阀箱20的典型横截面，这里示意的多组相贯孔可以代表任何的三缸或五缸等多缸柱塞泵液力端阀箱。吸入凡尔孔308的中心线为324，与排出凡尔孔314的中心线326平行或重合，与这些竖直孔相垂直的水平孔包括柱塞孔318和堵盖孔320，其中心线分别为20B和322。上述四条中心线324、326、20B和322共面，为相贯孔形成内腔的中心面。在吸入冲程，泵送液体从吸入凡尔孔308进入堵盖孔320、柱塞孔318和排出凡尔孔314。液力端阀箱在服役过程中常见的失效部位为相贯孔区域，如吸入凡尔孔308和柱塞孔318的相交区域402、柱塞孔318和排出凡尔孔314的相交区域404、排出凡尔孔314和堵盖孔320的相交区域406及堵盖孔320和吸入凡尔孔314的相交区域408。其中相交区域402和408为圆形的倒锥孔结构，主要是用于凡尔弹簧座370的安装（如图3），防止其在吸入阀的开关过程中发生旋转或是上下运动。本发明引入的降低相贯区域应力水平的方法即为在相贯区域402、404、406和408附近根据特定的轨迹形成直纹面，从而减小应力集中。在402区域形成的直纹面422是由直线412沿着特定的曲线轨迹（如图6所示）扫描获得的，直线412与排出凡尔孔中心线324成夹角432；在404区域形成的直纹面424是由直线414沿着特定的曲线轨迹扫描获得的，其中直线414与中心线324成一定夹角434；在406区域形成的直纹面426是由直线416沿着特定的曲线轨迹扫描获得的，其中直线416与中心线324成一定夹角436；在408区域形成的直纹面428是由直线418沿着特定的曲线轨迹扫描获得的，其中直线418与中心线324成一定夹角438。这些直线412、414、416、418与中心线324形成的夹角432、434、436、438的范围介于25度和65度之间。

如图5所示，在与柱塞孔318和堵盖孔320相交区域402和408，吸入凡尔孔308的内壁为垂直的圆柱面。与图4所示的实施例不同，有限元分析结果显示，与柱塞孔和堵盖孔相垂直的内壁结构在相贯区域可以得到更低的应力水平。

在高压柱塞泵的液力端阀箱的相贯孔区域形成直纹面的过渡结构可以有效降低其应力水平，但是效果依赖于形成直纹面的扫描曲线轨迹，如图6所示。图6是液力端阀箱20的相贯孔区域所形成的直纹面三维示意图，分别编号为422，424，426和428。在这些相贯孔区域形成的直纹面过渡区域可以有效增加液压流体的承载面积，从而减小了相贯孔区域的应力集中。图7为液力端阀箱20形成了直纹面后的横截面示意图。图8~图10所示分别对应几种形成直纹面的扫描曲线轨迹。注意，这里虽然对本发明的一些特定情形进行了细致的描述，但是该发明涉及的方法及案例不仅限于在此所做的一些变量描述。图8~图10是沿着图7中的H-H方向的横截面示意图，这里以吸入凡尔孔308-堵盖孔320的相贯区域408和排出凡尔孔314-堵盖孔320的相贯区域406为例，其他相贯区域402、和404与其类似。

如图8所示，在吸入孔-堵盖孔的相贯区域408附近，以典型的圆弧曲线618作为轨迹扫描得到直纹面428；而在排出凡尔孔314-堵盖孔320的相贯区域406附近，以典型圆弧曲线616作为轨迹扫描得到直纹面426。

如图9所示，在吸入孔-堵盖孔的相贯区域408附近，以典型的两条相交圆弧构成的曲线628作为轨迹扫描得到直纹面428；而在排出凡尔孔314-堵盖孔320的相贯区域406附近，以典型的两条相交圆弧构成的曲线626作为轨迹扫描得到直纹面426。

如图10所示，在吸入孔-堵盖孔的相贯区域408附近，以典型的椭圆弧曲线638作为轨迹扫描得到直纹面428；而在排出凡尔孔314-堵盖孔320的相贯区域406附近，以典型椭圆弧曲线636作为轨迹扫描得到直纹面426。

注意在上述实施例中，相贯孔区域402、404、406和408附近分别形成直纹面422、424、426和428等过渡区域，这些直纹面形成了相交直孔之间的过渡。而直纹面与相邻直孔之间过渡区域可以打磨成圆弧过渡，减小这些过渡区域局部的应力和改善该区域在吸入排出循环周期的流体流动特征，这种设计构型可以有效地延长液力端阀箱的使用寿命。其次，在同一液力端阀箱的内腔，上述直纹面422、424、426和428可以是通过沿着不同类型曲线轨迹扫描得到，并且进行自由组合，从而达到最佳效果。

同时，在上述实施例中，由直线412、414、416和418沿着特定的曲线轨迹扫描得到直纹面，可以进一步拓展到由“准直线”沿着特定轨迹扫描得到“准直纹面”，或是在机加工及打磨过程中形成复杂的曲线轨迹，但是这些曲线的曲率半径不低于15毫米。

另外，现有技术主要是对液力端阀箱20进行“自增强”处理或是通过一个穿透阀箱的拉杆对其施压两侧约束，从而提高其抵抗疲劳失效的阻力。这些方法的效果显著依赖于一些参数，如自增强压力和施加拉杆拉力的扭矩等，如果未能合理施加这些参数可能会对阀箱本身造成损坏。系统的有限元计算结果显示，合理增加两侧壁厚可以有效降低相贯孔区域的应力水平和延长其服役寿命，通过系统的结构和厚度优化，在基本不改变相应配件和结构设计基础上达到提升液力端的服役可靠性。

本实施例还提供一种高压柱塞泵的液力端，增加液力端阀箱20左右两侧的壁厚，提高两侧外壁对内腔关键区域的几何约束效应，实现提高油田使用的高压柱塞泵液力端使用寿命。如图2所示，以三缸泵的液力端阀箱20为例，从左至右的柱塞孔的中心线分别为22A-22C，它们分布在同一平面上。中心线22A和22B的距离为210，中心线22B和22C的距离为212，二者相等；左侧柱塞孔中心线22A与左侧平面26之间的距离为左侧壁厚214，右侧柱塞孔22C与右侧平面28的距离为右侧壁厚216，左右两侧壁厚214和216与柱塞孔的中心线距离210成比例。现有油田使用的往复式高压柱塞泵液力端的左右两侧壁厚与柱塞孔中心距的比例范围为0.4-0.6，也就是说，液力端阀箱的两侧壁厚约为中间壁厚的一半。这里，本发明介绍通过增加两侧壁厚与中间壁厚的比值的方法，如增大外侧壁厚214或216与内壁厚210、212的比值到范围0.6-1.0。

上述增加内外侧壁厚比例的方法同样适用于其他的多缸往复式柱塞泵，如五缸泵液力端等。同时，增加左右两侧壁厚的约束方法还适用于由吸入凡尔孔、排出凡尔孔和柱塞孔构成Y型液力端阀箱。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高压柱塞泵的液力端，该液力端的阀箱通过柱塞与动力端相连接，阀箱具有与内腔连通的吸入凡尔孔、排出凡尔孔、柱塞孔和堵盖孔，其特征在于：所述吸入凡尔孔的中心线为第一中心线，排出凡尔孔的中心线为第二中心线，所述柱塞孔的中心线为第三中心线，所述堵盖孔的中心线为第四中心线，第一中心线与第二中心线重合或平行，第三中心线与第四中心线重合或平行，第一中心线和第二中心线与第三中心线和第四中心线垂直且共面；所述吸入凡尔孔与柱塞孔、排出凡尔孔与柱塞孔、吸入凡尔孔与堵盖孔、排出凡尔孔与堵盖孔的两两相交区域均为直纹面过渡区域。

2.根据权利要求1所述的高压柱塞泵的液力端，其特征在于：所述直纹面的母线为直线，该母线与第一中心线的夹角为25°~65°。

3.根据权利要求1所述的高压柱塞泵的液力端，其特征在于：所述直纹面的母线轨迹为圆弧形，或母线轨迹为椭圆弧形且长轴与内腔的中心面垂直，或母线轨迹为两段相交的圆弧且两圆弧中心的连线与内腔的中心面垂直。

4.根据权利要求1或2或3所述的高压柱塞泵的液力端，其特征在于：所述直纹面延伸至相邻的柱塞孔、吸入凡尔孔、排出凡尔孔及堵盖孔中。

5.根据权利要求1所述的高压柱塞泵的液力端，其特征在于：所述吸入凡尔孔的内壁垂直于柱塞孔和堵盖孔，或，所述吸入凡尔孔的内壁有凸起，形成用于设置凡尔弹簧卡座的倒锥孔结构。