CN103835937A - 一种模块化柱塞泵液力端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油田作业柱塞泵技术领域，尤其涉及油田作业的模块化柱塞泵液力端。该模块化柱塞泵液力端从下至上，依次包含吸入阀体模块，缸体模块，排出阀体模块。吸入阀体模块与缸体模块通过机械连接，缸体模块与排出阀模块通过机械连接。缸体内柱塞孔中心线与吸入孔中心线成钝角，柱塞孔中心线与排出孔中心线成钝角，有利于改善内部液体流场分布；吸入阀体模块与排出阀体模块内设导流装置，导流装置与阀的弹簧固定装置制成一体，结构紧凑、简单，同时降低紊流影响，减小气蚀；吸入液力端体与凡尔座安装处带锥度孔边缘加工成半径大于2mm的圆角或者尖角加工成锥面，有利于降低局部应力值。

Description

一种模块化柱塞泵液力端

技术领域

本发明涉及油田作业柱塞泵技术领域，尤其涉及油田作业的模块化柱塞泵液力端。

背景技术

油田作业柱塞泵是固井，压裂设备的核心设备之一，广泛用于油田固井压裂作业。目前由于超高压，超深油井日益增多，压裂设备的应用更加广泛，压裂设备对压裂泵排量和压力要求越来越高，液力端越做越大，液力端损坏造成的损失也愈加严重。目前现场使用的液力端都是十字结构，即吸入腔和排出腔轴线处于同一直线上，并且该直线垂直于柱塞轴线。直通式液力端形式各异，但失效形式基本类同。其主要失效形式为泄露和开裂。结合实际使用经验，裂纹一般发生在：吸入阀锥孔与阀腔之间拐角处产生周向裂纹；阀腔排出阀锥孔与柱塞缸腔之间拐角处（相交孔部位）产生直线裂纹并向四周扩展；阀座锥面磨损或开裂，产生穿透性裂纹。液力端内部为高压流体，一旦从裂口处泄露，将会给人身和财产造成巨大威胁。在使用时，只要液力端任何局部开裂或破坏，就会导致整个液力端报废。

传统的压裂泵中，液力端都是做成单个的整体式或者一缸一片式，缸体体积庞大，材料锻造和热处理时均匀性很难保证，即便有取样检测，但取样检测点无法从内部取样，距离裂纹处较远，质量难以保证。整体式液力端因热胀冷缩体积变化量大，在交变腔阀口锥面及其他相贯线部位更易产生间断性直线裂纹。

液力端的缸体必须采用高强度镍铬合金钢的大型锻件制造，以常规的2250马力压裂泵为例，锻件总重约2.5吨。 整体式液力端工艺复杂、加工周期长，且因高压力下作业，一般不允许补焊。任何一个工序不合格或者出现加工裂纹，都可能导致整件报废，机加工对人员熟练程度要求较高。液力端体重量大，油田现场无法进行更换，且价格昂贵一般不会作为备件，一旦破坏，必须重新订货，到专门的维修工间进行更换，若考虑停机对采油生产的影响，经济损失会更大，因此油田作业泵液力端在工作过程中要考虑其安全可靠性和尽快可能的延长其使用寿命以及易损件的快速可更换性。

传统的弹簧座都只是依靠弹簧提供的弹力使将其顶在液力端腔体内壁上，阀体在受高压液体冲击时，频繁与弹簧座碰撞，会出现将弹簧固定座打歪现象，严重时可能造成柱塞顶缸事故，造成设备和人身安全的巨大威胁。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种模块化柱塞泵液力端，克服了现有液力端体积过大、加工工艺复杂、成本高昂、液力端局部易开裂、使用寿命低的问题。

为实现上述技术目的，本发明提供的方案是：一种模块化柱塞泵液力端，包含缸体模块、排出阀体模块和吸入阀体模块，所述缸体模块包含柱塞孔、堵盖孔、与吸入阀体模块连接的吸入孔、与排出阀体模块连接的排出孔，所述排出阀体模块和吸入阀体模块独立于缸体模块之外，并通过机械连接在缸体模块上，连接处设置高压密封；缸体模块、排出阀体模块、吸入阀体模块及各自内部配件可单独更换。

而且，所述吸入阀模块中心线、柱塞孔中心线、排出阀模块中心线可以三线交于一点，或，柱塞孔中心线和排出孔中心线交于一点，柱塞孔中心线和吸入孔中心线交于另外一点。

而且，所述吸入阀模块中心线、柱塞过孔中心线、排出阀模块中心线和堵盖孔中心线依次相交形成两钝角和两锐角的树杈结构。

而且，所述吸入阀模块中心线、柱塞过孔中心线、排出阀模块中心线和堵盖孔中心线依次相交形成两两夹角呈直角的十字结构。

而且，所述柱塞孔与吸入孔、柱塞孔与排出孔相交处采用锥面过渡连接，柱塞孔、堵盖孔、吸入孔、排出孔均呈“喇叭口状”。

而且，所述吸入阀体模块包含吸入阀体、吸入阀座、吸入弹簧、吸入弹簧座、吸入阀套，吸入弹簧座为管状且安装于吸入阀套内，吸入弹簧座内设有将圆周均匀分隔成辐射形状的吸入分隔板，吸入分隔板在管的中心处突出于管的下端面，形成一个角状或者弓形或者弧形的突起，吸入弹簧座下端设一插入所述吸入弹簧内的限位凸台，吸入阀套上设有用于固定吸入弹簧座的定位结构。

而且，所述排出阀体模块包含排出阀体、排出阀座、排出弹簧、排出弹簧座、排出阀套、排出腔体。

而且，所述排出阀套的内腔与凡尔座安装孔处尖角加工成半径大于2mm的圆角，或者将尖角加工成锥面。

而且，所述排出弹簧座为回转体，内设有将回转体均匀分隔成辐射形状的排出分隔板，排出分隔板在回转体的中心处突出于回转体的两个端面，形成角状或者弓形或者弧形的突起，排出弹簧座下端设一插入排出弹簧内的限位凸台，排出腔体上设有与排出弹簧座定固定的限位结构。

本发明的有益效果为：

1)      缸体吸入孔中心线与柱塞孔中心线成钝角；排出孔中心线与柱塞孔中心线成钝角；相交孔处设计为锥面，形成喇叭口形状；该技术改善了型腔内流场的分布，减小了相交孔拐角处的流速，减小气蚀作用，降低了内壁应力值，有效防止箱体内壁开裂，延长其使用寿命；

2)      模块化液力端毛坯尺寸较之前小数倍，加工工艺简单，有效缩短了产品生产周期；零部件可以互换，成本较之前降低数倍，方便用户维修保养和储存备件；可以依据缸体、吸入阀腔体、排出阀腔体不同的受力特性选用不同材料，将产品结构和成本最优化；模块化缸体、吸入阀套、排出阀套体积小，锻造质量、热处理工艺较容易保证，有利于保证产品质量；

3)      吸入阀、排出阀增加导流装置，能改善阀体附近的流体性能,有效提高泵送效率。流体在通过阀后，水流变形，方向变化，速度重新分布，形成局部阻力，增加导流隔板的弹簧座后，尖角或者弓形突起的隔板能降低局部阻力，减少涡体相互作用，减少气蚀，延长其使用寿命；

4)      弹簧固定座与导流装置制作成一体，减少了容腔内构件数目，使液力端内结构紧凑；固定于吸入阀体和排出阀体内的弹簧座设计，避免柱塞顶缸事故。

附图说明

图1是压裂泵动力端与模块化液力端装配图。

图2是模块化泵液力端的剖视图。

图3是缸体模块的柱塞腔、吸入腔、排出腔中心线交于一点的结构示意图。

图4是缸体模块的柱塞腔、吸入腔、排出腔中心线交于两点的结构示意图。

图5是缸体模块的腔体结构示意图。

图6是吸入阀模块剖面图。

图7是吸入阀弹簧座的结构示意图。

图8是图7的A-A面剖视图。

图9是图7的俯视图。

图10是排出阀体模块全剖面图。

图11是排出阀体模块局部剖面图。

图12是图11中C处实施例一放大图。

图13是图11中C处实施例二放大图。

图14是排出阀弹簧座的俯视图。

图15是图14的B-B面剖视图。

其中，1、柱塞泵，2、液力端，3、排出阀体模块，4、缸体模块，5、吸入阀体模块，6、柱塞孔中心线，7、吸入阀模块中心线，8、排出阀模块中心线，9、交点，10、交点，11、交点，12、柱塞孔，13、吸入孔，14、堵盖孔，15、排出孔，16、吸入阀套，17、吸入阀座，18、吸入阀体，19、吸入弹簧，20、吸入弹簧座，21、分隔板，22、凸起， 23、凸台，24、定位结构，25、排出阀套，26、排出阀座，27、排出阀体，28、排出弹簧，29、排出弹簧座，32、分隔板，33、凸起，34、定位凸台。

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。

本实施例提供一种模块化柱塞泵液力端，如图1和图2所示，包含缸体模块4、排出阀体模块3和吸入阀体模块5，所述缸体模块包含柱塞孔12、堵盖孔14、与吸入阀体模块连接的吸入孔13、与排出阀体模块连接的排出孔15，所述排出阀体模块3和吸入阀体模块5独立于缸体模块4之外，并通过机械连接在缸体模块4上，具体连接方式可以直接以螺纹形式连接，也可以间接用拉杆拉起，连接处设置高压密封；缸体模块4、排出阀体模块3、吸入阀体模块5及各自内部配件可单独更换，各阀缸组件互不干涉。

进一步的，如图3所示，所述吸入阀模块中心线7、柱塞孔中心线6、排出阀模块中心线8可以三线交于一点9，或，如图4所示，柱塞孔中心线6和排出孔中心线8交于一点10，柱塞孔中心线6和吸入孔中心线7交于另外一点11。

进一步的，所述吸入阀模块中心线7、柱塞过孔中心线6、排出阀模块中心线8和堵盖孔中心线依次相交形成两钝角α、β和两锐角的树杈结构。

进一步的，所述吸入阀模块中心线7、柱塞过孔中心线6、排出阀模块中心线8和堵盖孔中心线依次相交形成两两夹角呈直角的十字结构。

进一步的，如图5所示，所述柱塞孔12与吸入孔13、柱塞孔12与排出孔15相交处采用锥面过渡连接，柱塞孔12、堵盖孔14、吸入孔13、排出孔15均呈“喇叭口状”，使流体截面突变量减小，该措施能有效降低内壁面应力值，提高缸体的使用寿命。

进一步的，如图6~9所示，所述吸入阀体模块5包含吸入阀体18、吸入阀座17、吸入弹簧19、吸入弹簧座20、吸入阀套16，吸入弹簧座20为管状且安装于吸入阀套16内，吸入弹簧座20内设有将圆周均匀分隔成辐射形状的吸入分隔板21，吸入分隔板可以是焊接于吸入弹簧座20的管内，也可以是与吸入弹簧座20铸造成一体结构。吸入分隔板在管的中心处突出于管的下端面，形成一个角状或者弓形或者弧形的突起22，起到分流导向作用，降低紊流作用影响。吸入弹簧座20下端设一插入所述吸入弹簧19内的限位凸台23，凸台23的作用是固定吸入弹簧19，故凸台23回转半径由吸入弹簧19决定，凸台23的高度由吸入阀体18顶端到凸台23底端面距离及弹簧19的行程两个因素决定。吸入阀套16上设有用于固定吸入弹簧座的定位结构24，这个定位结构24可以是台阶或者锥面止口，也可以是卡簧形式，甚至可以是螺纹紧固，可保证阀座、阀体、吸入弹簧19等能顺利依次装配。为防止流体在内腔截面突变产生，吸入弹簧座20内孔与柱塞腔吸入端内孔直径应相等。

进一步的，如图10所示，所述排出阀体模块包含排出阀体27、排出阀座26、排出弹簧28、排出弹簧座29、排出阀套25、排出腔体。

进一步的，如图11所示，所述排出阀套25的内腔与排出阀座26安装孔处尖角加工成半径大于2mm的圆角，如图12所示；或者将尖角加工成锥面，如图13所示。由于该容腔内经常承受高压交变载荷，尖角突出部分易导致该处应力集中，容易使阀体从此处开裂。经计算表明，若加工成圆角时，在圆角半径R大于2mm时，该处应力值与相邻近面处应力值相等，应力分布过渡自然，无应力突变产生。

进一步的，如图14和图15所示，所述排出弹簧座29为回转体，固定于排出腔体内，定位形式可以是台阶或者锥面止口，也可以是卡簧形式，甚至可以采用螺纹紧固。排出弹簧座内设有将回转体均匀分隔成辐射形状的排出分隔板32，排出分隔板32在回转体的中心处突出于回转体的两个端面，形成角状或者弓形或者弧形的凸起33，排出分隔板32起到分流导向作用，降低紊流作用影响。排出分隔板32可以是焊接于排出弹簧座29的管内，也可以是与排出弹簧座29铸造成一体结构。排出弹簧座29下端设一插入排出弹簧28内的定位凸台34，定位凸台34的作用是固定排出弹簧28，故凸台34回转半径由排出弹簧28决定，凸台34的高度由排出阀体27顶端到凸台34底端面距离及排出弹簧28的行程两个因素决定，该设计能有效降低液体紊流对阀腔内壁冲击和气蚀的影响，延长液力端的使用寿命，排出阀上端采用高压密封，排出口设计为标准油田高压由壬接头。排出腔体上设有与排出弹簧座固定的限位结构。

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 (9)

1.一种模块化柱塞泵液力端，其特征在于：包含缸体模块、排出阀体模块和吸入阀体模块，所述缸体模块包含柱塞孔、堵盖孔、与吸入阀体模块连接的吸入孔、与排出阀体模块连接的排出孔，所述排出阀体模块和吸入阀体模块独立于缸体模块之外，并通过机械连接在缸体模块上，连接处设置高压密封。

2.根据权利要求1所述的一种模块化柱塞泵液力端，其特征在于：所述吸入阀模块中心线、柱塞孔中心线、排出阀模块中心线可以三线交于一点，或，柱塞孔中心线和排出孔中心线交于一点，柱塞孔中心线和吸入孔中心线交于另外一点。

3.根据权利要求2所述的一种模块化柱塞泵液力端，其特征在于：所述吸入阀模块中心线、柱塞过孔中心线、排出阀模块中心线和堵盖孔中心线依次相交形成两钝角和两锐角的树杈结构。

4.根据权利要求2所述的一种模块化柱塞泵液力端，其特征在于：所述吸入阀模块中心线、柱塞过孔中心线、排出阀模块中心线和堵盖孔中心线依次相交形成两两夹角呈直角的十字结构。

5.根据权利要求1所述的一种模块化柱塞泵液力端，其特征在于：所述柱塞孔与吸入孔、柱塞孔与排出孔相交处采用锥面过渡连接，柱塞孔、堵盖孔、吸入孔、排出孔均呈“喇叭口状”。

6.根据权利要求1所述的一种模块化柱塞泵液力端，其特征在于：所述吸入阀体模块包含吸入阀体、吸入阀座、吸入弹簧、吸入弹簧座、吸入阀套，吸入弹簧座为管状且安装于吸入阀套内，吸入弹簧座内设有将圆周均匀分隔成辐射形状的吸入分隔板，吸入分隔板在管的中心处突出于管的下端面，形成一个角状或者弓形或者弧形的突起，吸入弹簧座下端设一插入所述吸入弹簧内的限位凸台，吸入阀套上设有用于固定吸入弹簧座的定位结构。

7.根据权利要求1所述的一种模块化柱塞泵液力端，其特征在于：所述排出阀体模块包含排出阀体、排出阀座、排出弹簧、排出弹簧座、排出阀套、排出腔体。

8.根据权利要求7所述的一种模块化柱塞泵液力端，其特征在于：所述排出阀套的内腔与凡尔座安装孔处尖角加工成半径大于2mm的圆角，或者将尖角加工成锥面。

9.根据权利要求7所述的一种模块化柱塞泵液力端，其特征在于：所述排出弹簧座为回转体，内设有将回转体均匀分隔成辐射形状的排出分隔板，排出分隔板在回转体的中心处突出于回转体的两个端面，形成角状或者弓形或者弧形的突起，排出弹簧座下端设一插入排出弹簧内的限位凸台，排出腔体上设有与排出弹簧座定固定的限位结构。

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