蔣發(fā)光，卓昌榮，賀環(huán)慶，李　峰，李貞麗

(1.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500；2.石油天然氣裝備教育部重點實驗室，成都 610500；

3.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002)①

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車載壓裂泵閥箱輕型化研究

蔣發(fā)光1，2，卓昌榮1，2，賀環(huán)慶3，李峰3，李貞麗1，2

(1.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500；2.石油天然氣裝備教育部重點實驗室，成都 610500；

3.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002)①

摘要：隨著油井壓裂工藝的發(fā)展和路政要求的提高，對壓裂設備的輕型化要求越來越高。結合3500型車載壓裂泵閥箱的工作特性，建立閥箱在10個典型作業(yè)工況下有限元分析模型，進行靜強度分析?；谧兠芏确ㄍ負鋬?yōu)化方法進行閥箱模型的輕型化研究，優(yōu)化后閥箱模型的質量減小約21.5%，閥箱模型最大變形平均增大約7.5%，最大應力平均減小約3.3%。優(yōu)化前后的閥箱模型各工況最大變形及最大應力的變化規(guī)律均一致，優(yōu)化后的模型變形更加協(xié)調，應力分布得到明顯改善，閥箱模型結構的力學性能更優(yōu)。為閥箱輕型化設計提供一定的參考。

關鍵詞：壓裂泵；閥箱；輕型化；拓撲優(yōu)化；應力

1閥箱模型作業(yè)工況分析及靜強度分析

3500型車載壓裂泵作業(yè)時，其動力端驅動5個柱塞往復運動，迫使閥箱的5個腔室吸液與排液交替進行。在閥箱某腔室排液時，其內部結構表面承受高壓(約139.7 MPa)液體介質作用；吸液時，吸液閥與排液閥之間的內腔室表面承受吸入液體介質壓力(近似于0)作用。結合壓裂泵動力端曲軸的轉角，可以將閥箱在一個工作循環(huán)內分為10個典型作業(yè)工況，如表 1所示，表中列出腔室的吸液閥與排液閥間內表面作用有高壓液體介質；每種工況對應閥箱不同腔室的高壓工作組合狀態(tài)，閥箱腔室編號按閥箱從右至左依次排序為1～5，如圖1。

圖1為利用有限元分析方法建立的閥箱模型，模型質量為2612.6 kg，網格模型共1 294 100個單元，1 851 300個節(jié)點，腔室內表面過渡圓角采用2 mm長度細分網格，提高計算精度。閥箱材料抗拉強度σb=1 050 MPa、屈服強度σs=900 MPa、彈性模量E=206 GPa、泊松比μ=0.3。

表1　一個工作循環(huán)內閥箱的10個典型作業(yè)工況

圖1　閥箱各腔室編號及有限元分析模型

對圖1所示閥箱有限元分析模型下端面施加z方向位移約束，閥箱與隔離架接觸的端面施加x方向位移約束，雙頭螺柱孔施加y方向位移約束；施加閥箱10個典型作業(yè)工況所對應載荷，包括閥箱腔室內部表面的工作載荷(高壓或低壓)、進-排液閥座處的液體介質作用后的等效載荷、柱塞-水平法蘭及頂部法蘭處的等效載荷及螺栓連接部位的預緊載荷。對如表1所示的10個典型作業(yè)工況進行有限元分析，即可得到不同工況下閥箱的變形、應力分布情況。如圖2～3所示為工況1、2的閥箱模型的變形云圖，閥箱兩側腔室作用有高壓液體介質時相比作用于閥箱中間3個腔室時的變形大，且腔室內部變形大于閥箱外部變形。

圖4～5為半剖結構所展示的閥箱模型工況1、2的應力云圖。該2個作業(yè)工況閥箱模型中應力集中處的最大應力均低于材料的屈服強度900 MPa，進、排液閥座之間的內結構表面在高壓工作時應力明顯大于低壓工作狀態(tài)，閥箱模型水平連通管的上部應力明顯大于下部結構，與閥箱的變形規(guī)律一致，有部分結構在所分析的10個典型作業(yè)工況下應力較小，閥箱局部結構強度冗余，存在減重的余量。

圖2　工況1閥箱變形云圖

圖3　工況2閥箱變形云圖

圖4　工況1閥箱應力云圖

圖5　工況2閥箱應力云圖

2閥箱輕型化拓撲優(yōu)化設計

拓撲優(yōu)化作為一種在輕型化方面具有獨特優(yōu)勢的結構設計方法，實現設計域內材料布局的改變，目前最具有代表性是變密度法拓撲優(yōu)化[8-10]。閥箱模型結構復雜，首先按照閥箱5個腔室均承受高壓載荷的試驗情況，并選擇整個閥箱模型作為計算區(qū)域。將材料單元的密度設置為在[0，1]范圍內變化，然后直接定義出一個經驗公式來表達材料密度與彈性模量間假設的函數關系，以每個材料單元的密度作為設計變量，將拓撲優(yōu)化技術的輕型化設計問題轉化為材料單元的最優(yōu)化分布問題，在優(yōu)化過程中實現材料在閥箱模型結構中的重新分布[11-12]。

基于變密度法拓撲優(yōu)化技術建立閥箱的優(yōu)化模型，如式(1)。

(1)

式中：ηi料單元的相對密度；Ei為材料單元的彈性模量，E0表示實際使用材料的彈性模量；指數α>1；fi為作用在初始結構上的體積力；ti為作用在初始結構上的面積力；m0為初始結構的質量；m*為優(yōu)化時去除材料的質量；ε為材料密度下限；υi為材料的泊松比；n為材料的最大單元號；Ω、γ分別為結構優(yōu)化區(qū)域和邊界；ui為單元的變形值。

結合式(1)，并以減小閥箱質量作為目標，設置初始減質量的目標為30%，經過迭代運算獲得如圖6所示拓撲優(yōu)化結果。圖6中凸起部分為可去除材料，閥箱外部各堵孔周圍區(qū)域均可以切除一部分，該分布范圍趨勢與圖2～5所示閥箱的應力、變形規(guī)律一致。

圖6　閥箱拓撲優(yōu)化結果

3閥箱輕型化結構改進

基于如圖6模型拓撲優(yōu)化結果的凸起區(qū)域的分布及相應尺寸，考慮加工工藝性要求，建立如圖7所示的閥箱改進方案，閥箱模型內部結構保持不變，外部各堵孔周圍被掏空，改進后閥箱模型質量為2 150.2 kg。按照有限元分析方法建立的模型如圖7所示，主體網格尺寸15 mm，局部倒圓角面處細化網格尺寸4 mm，網格單元數1 099 183，節(jié)點數1 589 257。

圖7　減重后閥箱有限元分析模型

對所制定的改進閥箱模型按照10個典型作業(yè)工況，施加載荷與約束條件并進行靜強度分析，提取1、2種作業(yè)工況下閥箱模型變形云圖與應力云圖如圖8～11，閥箱模型變形及應力較小的結構部位較少，變形、應力均勻即材料利用充分。

圖8　工況1閥箱變形云圖

圖9　工況2閥箱變形云圖

圖10　工況1閥箱應力云圖

圖11　工況2閥箱應力云圖

4閥箱輕型化改進前后性能對比

改進后閥箱模型的質量(2 150.2 kg)相比優(yōu)化前(2 612.6 kg)減少約21.5%(462.4 kg)。如圖12所示的閥箱改進前后10個典型作業(yè)工況下最大變形值的對比曲線，單周期各工況的最大變形平均增大約7.5%，且改進前后的閥箱模型各工況的最大變形的變化規(guī)律一致。

圖12　兩種閥箱10個典型作業(yè)工況最大變形值對比

結合圖13所示的閥箱改進前后10個典型作業(yè)工況下最大應力值的對比曲線，單周期各工況下的最大應力值平均減小了約3.3%，且改進前后的閥箱模型各工況的最大應力的變化規(guī)律一致。

圖13　兩種閥箱10個典型作業(yè)工況最大應力值對比

經過拓撲優(yōu)化后，改進的閥箱模型變形更加協(xié)調，應力分布更為均勻，單周期各工況下的最大應力均處于下降的趨勢。閥箱模型結構強度較小部位所占的比例較少，使得材料的力學性能得到更為充分利用。

5結論

1)結合3500型車載壓裂泵的5個柱塞的往復運動規(guī)律，研究獲得閥箱單個周期的內部腔室的10個典型作業(yè)工況。利用有限元分析方法建立了閥箱分析模型，開展單個周期各工況下閥箱模型的有限元分析。

2)利用有限元靜強度分析的變形和應力結果及基于變密度法的拓撲優(yōu)化技術，開展閥箱模型拓撲優(yōu)化研究，獲取模型結構的減質量規(guī)律與趨勢。

3)拓撲優(yōu)化前后的閥箱模型在10個典型作業(yè)工況下的最大變形平均增大約7.5%，最大應力平均減小約3.3%，且優(yōu)化前后的閥箱模型各工況最大變形及最大應力的變化規(guī)律均一致。

4)拓撲優(yōu)化改進后的閥箱模型相比原設計模型減質量約21.5%，一定程度上實現了結構輕型化改進。為閥箱輕型化設計提供一定的參考。

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下期部分目次預告

許文虎等水下管匯可靠性分析及改進措施

曹杉等油井管上扣過程中摩擦磨損對摩擦因數影響分析

劉興鐸等水下采油樹本體內生產流道流動性數值模擬分析

譚春飛等渦輪鉆具定轉子軸向間隙對性能的影響分析

吳望譜等海水靜壓力變化對水下球閥密封性能影響研究

趙占飛等基于支持向量機模型的滾動軸承運行狀態(tài)預測研究

周科等壓裂油管抗內壓強度校核方法研究

王鵬程等剪切閘板量化評價方法研究

屈文濤等6×19S-IWRC鋼絲繩應力應變數值模擬

許長生等一種交流變頻自動換擋絞車設計

劉小剛等大斜度井巖屑床清除工具安放位置計算

鄭璐等套管氦氣密封檢測封隔器及工裝設計

張圓等基于FLUENT的錐形節(jié)流閥數值模擬和氣穴分析

史交齊等某井特殊螺紋接頭粘扣原因分析

孟鵬等PDC鉆頭復合鉆井技術在蘇北油區(qū)的應用

宋祖廠等連續(xù)可調橋式偏心分層注水技術研究與應用

張文星等套管滑套分層壓裂工具

韓飛等衡轉矩鉆井工具在長慶油田的應用

付亞榮等遇水膨脹封隔器在卡上采下油井的應用

陳磊等稠油熱采鉆完井試驗系統(tǒng)研制

尚曉峰等基于無線射頻技術的智能滑套信號收發(fā)裝置設計

Valve Box Lightweight Study on Vehicle Fracture Pump

JIANG Faguang1，2，ZHUO Changrong1，2，HE Huanqing3，LI Feng3，LI Zhenli1，2

(1.CollegeofMechatronicEngineering，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China；2.MOEKeyLaboratoryofPetroleumEquipment，Chengdu610500，China；3.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China)

Abstract：With the development of fracture technology operations and improvement of road service，lightweight requirements for fracture equipment are increasing higher and higher.According to working characteristics of 3500 vehicle fracture pump valve box，finite element model of it under 10 job conditions were established，and then static strength analysis on the valve box was carried out.At the same time，lightweight studies on fracture pump valve box were carried out by adopting topology optimization based on variable density method.After optimization，the weight of the fracture pump valve box reduced about 21.5%，maximum deformation increased about 7.5% averagely，and its maximum stress reduced about 3.3% averagely.The maximum deformation and stress variation were consistent with the former ones under various working conditions.However after optimization deformation of the model was more coordination and stress distribution was significantly improved，mechanical properties of the valve box model structure also performed better.A practical reference for the valve housing lightweight design was provided.

Keywords：fracture pump；valve box；lightweight；topology optimization；stress車載壓裂泵是頁巖氣開采的核心設備。我國頁巖氣藏多處于多山地區(qū)，車載壓裂泵應在正常作業(yè)的條件下，盡可能輕型化設計以滿足運載車輛平穩(wěn)的行駛性能及減少運輸成本[1-3]。作為壓裂泵核心設備之一的閥箱，約占車載壓裂泵總質量的20%，其內腔室表面結構復雜，作業(yè)過程中承受的載荷較多，使得閥箱整體應力分布不均，局部結構存在強度冗余等問題，是車載壓裂泵輕型化設計及研究的重點對象。何霞等考慮到閥箱模型的對稱性，采用閥箱部分模型進行了疲勞壽命分析，自增強后疲勞薄弱區(qū)向壁間轉移，偏離了疲勞危險區(qū)域[4-5]。姜培昌等對閥箱進行了有限元靜強度分析，獲得了閥箱的應力分布規(guī)律，并對內部交叉孔的相貫線及閥座錐面處的局部結構提出改進建議[6-7]。本文利用有限元分析方法建立了閥箱分析模型，在10個典型作業(yè)工況下進行靜強度分析，并采用基于變密度法的拓撲優(yōu)化技術進行閥箱模型的輕型化研究，以減小閥箱的質量作為輕型化研究的目標。結合拓撲優(yōu)化的結果對閥箱進行改進，并對閥箱拓撲優(yōu)化前后的模型進行質量、應力及變形等改進效果研究。

中圖分類號：TE934.202

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.007

作者簡介：蔣發(fā)光(1975-)，男，四川大英人，講師，博士，主要從事石油天然氣裝備設計，仿真的教學與研究工作，E-mail：jiangfg@126.com。

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)“深水鉆機與鉆柱自動化處理關鍵技術研究”(2012AA09A203-01)；四川省教育廳科技項目“頂驅套管送入工藝與關鍵結構設計研究”(13ZB0192)；四川省教育廳科技項目“大功率定向穿越電鉆桿關鍵技術研究”(12ZB339)

收稿日期：①2015-08-02

文章編號：1001-3482(2016)02-0032-05