采油螺杆泵举升压力随过盈量的变化规律研究

韩国有，徐桂影，王明起

采油螺杆泵举升压力随过盈量的变化规律研究

韩国有，徐桂影，王明起

（东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆163318）

过盈量是与螺杆泵举升压力密切相关的参数。采用ANSYS12.0软件对GLB120-27型采油螺杆泵建立三维有限元模型，利用数值模拟的方法分析过盈量对举升压力的影响。取1／2个导程作为研究对象，得出在不同腔室压力下，过盈量为0.3 mm时螺杆泵的临界接触压力，计算出其理论举升压力。依此方法求解出在不同过盈量下螺杆泵的举升压力，得出举升压力随过盈量的变化规律曲线和表达式，可为螺杆泵的优化设计提供理论依据。

螺杆泵；过盈量；举升压力；接触压力

采油螺杆泵是一种旋转式容积泵，它兼有容积泵和离心泵二者的特点，以其投资少、设备结构简单、操作方便、节能效果明显和适应性强等独占优势受到了国内外各大油田的高度重视，是目前主要的采油设备之一［1-2］。国外螺杆泵的最大举升压力可以达到3 000 m以上，而国内最大只能达到1 500 m左右，在深井中应用受到限制［3-4］。螺杆泵的举升压力与转子和定子之间的过盈量密切相关。本文采用ANSYS12.0软件对GLB120-27型采油螺杆泵进行有限元分析，研究举升压力随过盈量的变化规律。

1 举升压力的形成过程

螺杆泵在工作时，定子衬套双螺旋面与转子单螺旋面之间形成多个密封腔室，随着转子的转动，密封腔由吸入端沿轴向朝排出端推移，直到消失。随着密封腔室的不断形成、推移和消失的过程，介质在吸入端与排出端之间压差的作用下被吸入，并被推挤到排出端，压力不断地升高，流量很均匀，在推移的过程中，实现机械能和液体能的相互转化。基于上述螺杆泵的工作原理，决定了定子和转子之间要存在一定的过盈，这样才能保证封闭腔室之间的密封以及单级承压能力。过盈值对于螺杆泵的工作特性影响很大。在螺杆泵级数不改变的情况下，过盈量的大小决定了螺杆泵密封腔室承压能力［5］，进而决定了螺杆泵的举升能力。过盈量加大会增加定转子间的密封性能，提升螺杆泵的举升压力；反之，会降低定转子间的密封性能，降低泵的举升压力。但是过盈量大，会使转子对定子橡胶的磨耗加剧，摩擦生热量大，加剧橡胶老化，且易出现卡泵现象。因此，过盈量不仅是影响举升压力的重要因素，也是影响螺杆泵各方面性能的关键因素之一［6］。

采油螺杆泵在实际工作中，腔室之间的泄漏与密封是一个动态的平衡状态。随着油管内油液高度的不断增加，排出端腔室内压力随之升高，与其相邻腔室之间的压差不断地增大。当相邻腔室之间的压差增加到大于临界接触压力时将发生泄漏，其结果是油液从高压腔室窜流到低压腔室，造成低压腔室内压力升高，那么相邻腔室之间的压差将会减小，直至重新建立密封。以此类推，沿采油螺杆泵腔室可以建立起1个相对稳定的压力场［7-9］。

2 接触应力分析

选取GLB120-27型螺杆泵几何参数建立三维模型，取橡胶定子外径Ds＝77 mm，定子导程T1＝160 mm，转子导程T0＝80 mm，偏心距e＝5 mm，转子直径Dr＝38.6 mm。由于采油螺杆泵定子衬套为丁腈橡胶，转子的材料是合金钢，二者材料不同，为保证计算精度，转子选用SOLID45单元，定子选用SOLID185单元，定、转子网格选择3 mm。采用两参数M-R本构模型模拟定子橡胶材料，常数C1＝－0.751 3 MPa，C2＝2.375 MPa，参数d＝1.232 MPa。在建模时对定子橡胶外面施加固定约束模拟钢套，在定子橡胶断面仍施加对称约束来约束端面，转子端面施加固定约束，由于螺杆泵的结构是循环对称的，只取1／2个导程为研究对象。GLB120-27型螺杆泵1／2个导程的有限元模型如图1所示，接触应力分布如图2所示。

由图1～2可知：1／2个导程螺杆泵的密封带由2个半圆和2条螺旋线组成，密封带把螺杆泵的内部分成独立的腔室，油液对腔室作用产生的压差小于等于接触压力时螺杆泵达到密封状态，正常工作；反之发生泄漏。螺杆泵达到密封状态，正常工作，应使其满足最小接触应力准则，即

式中：σmin为最小接触压力，MPa；Δp为压差，MPa。

图1 螺杆泵1／2个导程有限元模型

图2 螺杆泵1／2个导程接触压力

螺杆泵相邻腔室之间的压差大于密封带接触压力时，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。将接触压力沿密封带长度方向取值，接触带上的接触压力是不均匀分布，发生泄漏的部位主要集中在密封带薄弱环节。图2中圆形所圈出的区域接触压力要小于其他部分的接触压力，所以将该区域选为本文的研究范围。

3 压力场分布规律及举升压力

针对螺杆泵有限元模型，在低压腔室分别加0、3、5、7、10 MPa压力，相应的高压腔室内压力依次增加，找出对应的临界接触压力。以低压腔室内加0 MPa压力为例，高压腔室加0.65 MPa压力，有限元计算得接触压力0.68 MPa，大于压差0.65 MPa；高压腔室加0.66 MPa压力时，接触压力是0.65 MPa，小于压差0.66 MPa。由密封准则，此时的临界接触压力为0.65 MPa。同理，经过有限元计算，分别得出不同内压力、不同压差时所对应的接触压力值，如表1所示。

表1 GLB120-27型采油螺杆泵临界接触压力

对表1中数据进行拟合，得出低压腔室压力与临界接触压力之间的表达式为

pl＝－0.000 4p2d－0.049 2pd＋0.650 9 （2）式中：pd为低压腔室内压力，MPa；pl为临界接触压力，MPa。

假设采油螺杆泵吸入端压力为0 MPa，那么其压力场的分布如下：

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变化趋势可知，当低压0腔室内压力为0 MPa时，由式（2）计算得出临界接触压力为0.65 MPa，因此1腔室内压力为0.65 MPa。

3） 当低压1腔室内压力为0.65 MPa时，临界接触压力为0.62 MPa，因此2腔室内压力为1.27 MPa。

4） 当低压2腔室内压力为1.27 MPa时，临界接触压力为0.59 MPa，因此3腔室内压力为1.86 MPa。

以此类推，……

5） 当低压26腔室内压力为9.35 MPa时，临界接触压力为0.16 MPa，因此27腔室内压力为9.51 MPa。

由此计算出GLB120-27型采油螺杆泵的扬程为9.51 MPa。

通过上述计算方法，对GLB120-27型螺杆泵分别选取过盈量为0.3、0.4、0.5 mm 3个参数，其他结构参数不变，进行有限元模拟计算，并计算出在不同过盈量条件下的临界接触压力，如表2所示。

表2 不同过盈量下的临界接触压力

由图3可知：临界接触压力随着过盈量的增加而增大，其他参数不变的情况下，选用大过盈量的螺杆泵可使密封性能得到提高，从而提高螺杆泵的举升压力。

根据上述采油螺杆泵压力传递规律的计算方法，计算得出该型采油螺杆泵在不同过盈量下的举升压力，如表3所示。

图3 螺杆泵不同过盈量的临界接触压力随腔室压力变化曲线

表3 不同过盈条件下的举升压力

对表中数据进行拟合，得出过盈量与举升压力的表达式为

式中：δ为过盈量mm；p为举升压力，MPa。

图4 螺杆泵过盈量与举升压力关系曲线

如图4可知：螺杆泵的举升压力随着过盈量的增加而增加，当过盈量小于0.4 mm时，举升压力随着过盈量增加而增大的速度较慢；当过盈量大于0.4 mm时，举升压力随着过盈量增加而增大的速度较快。假定过盈量为0.45 mm，则根据曲线可知，此时GLB120-27型采油螺杆泵的举升压力为12.37 MPa，比过盈量为0.4 mm的单螺杆泵提高了1.65 MPa，即增加下泵深度100多m。

由此可以得出：把过盈量为0.4 mm处定义成临界过盈点δl，当螺杆泵的过盈量小于0.4 mm时，举升压力随着过盈量增加而增大的速度较慢；当过盈量大于0.4 mm时，举升压力随着过盈量增加而增大的速度较快。

4 结论

1） 螺杆泵临界接触压力与过盈量呈正相关变化，即过盈量增加且压差增大时，接触压力随之增大。

2） 得到过盈量与举升压力之间的变化规律曲线和表达式，为螺杆泵的设计提供理论依据。

3） 螺杆泵的举升压力随着过盈量的增加而增加，当过盈量小于0.4 mm时，举升压力随着过盈量增加而增大的速度较慢；当过盈量大于0.4 mm时，举升压力随着过盈量增加而增大的速度较快。

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Lifting Pressure Varies with the Change of the over Interference Quantity in Progressive Cavity Pump

HAN Guo-you，XU Gui-ying，WANG Ming-qi
（College of Mechanial Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

In the consequence，improving the lifting pressure of screw pump has important practical value.Interference is closely parameter related with the screw pump lifting pressure，numerical simulation methods is used to analyze the impact which interference quantity on lifting pressure.ANSYS12.0 is used to establish 3D finite element model of GLB120-27 type of screw pump，taking half of the lead as the research object，obtained the critical contact pressure under different chamber pressure while interference for 0.3 mm，then calculate the theoretical lifting pressure.With this method used in lifting pressure under different interference，the conclusion is made for curve and expression which lifting pressure varies with the change of the over interference quantity，which provides theoretical basis for the optimization design of screw pumps.

screw pump；interference；lifting pressure；contact pressure

TE933.3

A

1001-3482（2014）03-0010-04

2013-09-04

韩国有（1956-），男，辽宁盖州人，教授，博士生导师，主要从事油气田设备故障与可靠性分析研究。