G LB120-27型螺杆泵三维模型举升压力分析

赵 毅

(东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318) *

G LB120-27型螺杆泵三维模型举升压力分析

赵 毅

(东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318)*

对 GLB120-27型螺杆泵半导程三维模型进行有限元计算,明确该型螺杆泵举升油液时的泄漏区位于密封螺旋带。通过对泄漏区进行三维模型压力传递规律的分析,确定了理论扬程;通过水力特性现场试验,验证了有限元模拟结果的正确性。

三维模型;螺杆泵;压力传递;有限元

采油螺杆泵以占地面积小、节能效率高、流量稳定等优点被油田所采用。目前,有关采油螺杆泵内部压力的研究主要集中在静力学的研究[1-3],其内部压力分布及传递规律的研究主要基于平面模型利用有限元方法进行分析[4]。本文用有限元软件ANSYS11.0对GLB120-27型采油螺杆泵三维有限元模型进行举升压力的研究。

1 泄漏位置的确定

在实际工况条件下,采油螺杆泵油液的举升传递与各腔室之间油液的泄漏窜流是同时存在的,并且泄漏与定、转子间的密封状况有关。工作时随着油管内油液的增多,腔室的压力也逐渐增加,相邻腔室之间的压差也随之加大。当相邻腔室之间逐渐增大的压差大于密封带接触压力时,便发生油液的泄漏,此时密封带上的接触压力即为密封与泄漏的临界接触压力。

半导程采油螺杆泵三维有限元模型密封带如图1。对低压腔室施加0 MPa压力,高压腔室分别施加0、0.60、0.67、0.68 MPa压力,应用有限元分析软件ANSYS11.0进行分析计算,限于篇幅仅列出压差为0.68 MPa的有限元计算结果云图,如图2。

图1 采油螺杆泵密封带有限元网格

图2 0～0.68 MPa压力条件下密封带及其细节云图

由于半圆处密封压力整体上要大于螺旋带的密封压力[5],所以仅以密封压力较小的螺旋带作为研究对象。由图2可以看出,密封带上接触压力的分布状况在其横向大致呈中间大,边缘小的趋势,因此螺旋带横向中间节点的接触压力大于边缘节点的接触压力;圆圈内密封带的接触压力低于密封带整体的接触压力,该区域是密封带上密封的薄弱环节,一旦发生油液泄漏,将首先从该区域开始。

分别沿螺旋带1和螺旋带2纵向上提取各个中间节点接触压力的变化数值,如表1～2。对表1～2的数据进行分析可确定密封带的泄漏位置。

1) 随着压差的不断增加,节点上的接触压力整体随之减小。

2) 根据采油螺杆泵橡胶的密封准则[6],当相邻压差大于接触压力时,油液发生泄漏窜流现象。随着压差的不断增大,这一现象首先发生在螺旋带1上由连续节点6207、6208和6209组成的连续区域,这些节点恰好位于图2中所选定的密封带密封的薄弱环节。由此可知,该区域为泄漏区域。

假设连续2个有限元网格(连续3个节点)的宽度可以让油液泄漏,即,当图2中螺旋带薄弱环节的宽度达到4～7 mm时,如果相邻腔室的压差大于密封带上的接触压力,腔室内的油液开始发生泄漏。因此,建立的有限元模型节点号6207、6208和6209为研究的重点节点,其对应的区域为该型采油螺杆泵泄漏的主要区域。

表1 螺旋带1上节点接触压力 MPa

表2 螺旋带2上节点接触压力 MPa

2 三维有限元模型压力传递规律

2.1 有限元计算

对低压腔室分别施加0、3、5、7、10 MPa压力,相应的高压腔室内压力不断增加,经过有限元计算,分别得出不同内压力、不同压差对应的接触压力。将确定的密封带泄漏位置沿密封带纵向对比节点接触压力数值,选取节点号为6208的节点进行分析,计算数据如表3～7。

表3 低压腔室0 MPa密封带接触压力有限元计算数据 MPa

表4 低压腔室3 MPa密封带接触压力有限元计算数据 MPa

表5 低压腔室5 MPa密封带接触压力有限元计算数据 MPa

表6 低压腔室7 MPa密封带接触压力有限元计算数据 MPa

表7 低压腔室10 MPa密封带接触压力有限元计算数据 MPa

2.2 计算结果分析

以低压腔室内压力为3 MPa模型为例,临界接触压力值如表4。可以看出,当高压腔室内压力不断增加时,相邻腔室之间的压差随之增大,密封带的接触压力随之减小;当相邻腔室之间的压差≤0.55 MPa时,相应的接触压力大于压差;当相邻腔室之间的压差>0.55 MPa达到0.56 MPa时,相应的接触压力小于压差。当相邻腔室之间的压差小于接触压力时密封;当相邻腔室之间的压差大于接触压力时油液发生泄漏窜流。由此可知,在低压腔室内压力为3 MPa时,高压腔室内压力<3.55 MPa密封,高压腔室内压力>3.55 MPa时油液发生泄漏窜流。因此,此时高压腔室的内压力为低压腔室压力在3 MPa时的临界内压力,其值为3.55 MPa,此时的临界接触压力是0.55 MPa。同理可以得到低压腔室在不同内压力条件下的临界接触压力值,如表8。

表8 G LB120-27型螺杆泵临界接触压力值 MPa

3 建立三维有限元模型压力场

根据螺杆泵压力场分布规律[3],用 MATLAB7.6对低压腔室压力为0、3、5、7、10 MPa时相应的临界接触压力进行多项式拟合,拟合多项式为

y=-9.75×10-4x2-3.49×10-2x+0.67(1)式中,x为低压腔室内压力,MPa;y为临界接触压力,MPa。

由此得到低压腔室内压力与临界接触压力之间的变化趋势曲线,如图3。

图3 低压腔室内压力随临界接触压力变化趋势

假设 GLB120-27型螺杆泵吸入端压力为0 MPa,吸入端腔室为0#腔室,建立其压力场分布模式。

1) 吸入端压力0 MPa,则0#腔室的内压力为0 MPa。

2) 根据腔室内压力与临界接触压力的相关变化趋势可知,当低压0#腔室内压力为0 MPa时,由式(1)得到临界接触压力为0.67 MPa,因此1#腔室内压力为0.67 MPa。

3) 再根据此变化趋势可知,当低压1#腔室内压力为0.67 MPa时,由式(1)得到临界接触压力为0.64 MPa,因此2#腔室内压力为1.31 MPa。

4) 再次根据此变化趋势可知,当低压2#腔室内压力为1.31 MPa时,由式(1)得到临界接触压力为0.63 MPa,因此3#腔室内压力为1.94 MPa。

依次类推。

结合压力场分布模式得到 GLB120-27型螺杆泵压力场分布,如表9。因此,该采油螺杆泵的最高泵压为10.77 MPa。

表9 G LB120-27型螺杆泵压力场分布 MPa

4 试验现场

在现场对 GLB120-27型螺杆泵进行水力特性的检测试验,得出设定转速为100 r/min时相应的试验数据如表10,水力特性试验曲线如图4。

表10 G LB120-27型螺杆泵性能现场试验数据

图4 GLB120-27型采油螺杆泵水力特性试验曲线

由表10和图4可以看出,随着出口压力的升高,总效率先升高后降低,最大总效率75%;容积效率逐渐下降,在压力为10.5MPa时出现拐点,相对容积效率下降明显。

石油行业标准SY5549—1992规定,在额定工作压力下试验泵的容积效率为60%～90%,总效率不低于60%。因此 GLB120-27型螺杆泵在对应转速下的最高泵压为10.50 MPa。将 GLB120-27型螺杆泵举升压力有限元模拟结果与现场试验结果相比较,误差为2.62%,验证了 GLB120-27型螺杆泵压力场有限元模拟结果的合理性。

5 结论

1) 通过采油螺杆泵三维模型有限元分析,确定其泄漏位置在密封带上。

2) 根据采油螺杆泵密封与泄漏的关系,给出GLB120-27型采油螺杆泵三维模型的压力传递规律。

3) 通过该泵水力特性试验,验证了压力传递规律及有限元模拟结果的正确性。

[1] 叶卫东,宋玉杰,韩道权,等.单螺杆泵定子有限元分析[J].石油矿场机械,2008,37(4):42-44.

[2] 韩国有,赵 毅,杜秀华.采油螺杆泵三维有限元模型分析[J].东北石油大学学报,2010,34(5):110-113.

[3] 何 艳.螺杆泵定子受力及变形规律分析[J].油气田地面工程,2009,28(8):18-19.

[4] 叶卫东,郭玉双,杜秀华,等.螺杆泵内部压力分布规律研究[J].科学技术与工程,2009,9(11):3 069-3 072.

[5] 任全彬,蔡体敏,王荣桥,等.橡胶O形密封圈结构参数和失效准则研究[J].固体火箭技术,2006,29(1): 9-14.

[6] 杜秀华.采油螺杆泵磨损失效机理研究[D].大庆.大庆石油学院,2010.

Lifting Pressure Analysis of 3D Model on G LB120-27 Screw Pump

ZHAO Yi
(College of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing163318,China)

Half-lead 3D model of GLB120-27 has been calculated by Finite element method.The leak field of oil extraction progressing cavity pump is on a sealing spiral belt when oil is lifted by PCP.The theory head of GLB120-27 has been defined by studying the pressure transfer law of 3D model on the leak field.The finite element simulation results are correct by the oil extraction PCP hydraulic characteristics test.

3D model;screw pump;pressure transfer;finite element

1001-3482(2011)07-0009-04

TE933.3

A

2011-01-14

赵 毅(1983-),男,黑龙江宁安人,硕士研究生,研究方向为机械采油系统工程及节能技术,E-mail: zhaoyi211@126.com。