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采油螺杆泵螺杆—衬套副力学特性及磨损失效研究

杜秀华  
【摘要】: 螺杆泵采油以投资少、设备结构简单、操作方便、节能效果明显以及适应性强等特点倍受国内外油田重视。特别是目前较多油田已进入三次采油阶段,它作为一种重要的油田人工举升方法,其应用正呈明显上升趋势。但目前螺杆泵采油检泵周期短的状况,严重制约着螺杆泵采油技术的推广和普及,其中螺杆泵螺杆—衬套副间的磨损是导致螺杆泵失效的主要原因之一。 本文以采油用单螺杆泵的螺杆—衬套副为研究对象,利用理论分析和仿真模拟方法,综合分析螺杆在衬套内的运动特点,推导出了多头短幅(普通)内摆线型螺杆—衬套副间的齿凸接触点和齿凹接触点的相对滑动速度数学表达式,对现有的表达式进行了修正。将利用该解析式绘制出的滑动速度曲线与在螺杆泵建模系统中建模并进行运动仿真出的曲线对比,表明转子接触点的滑动速度数学表达式的正确性。将该方法应用于油田上广泛使用的单头普通内摆线型螺杆泵,与现用方法相比,分析过程大大简化。该方法同样可以推广应用于短幅外摆线型螺杆泵的研究。 本文开发了螺杆泵建模系统,该系统可针对各类单螺杆泵,只要在界面输入本文分析确定的螺杆泵基本结构参数,即可在SoildWorks软件内生成相应的螺杆泵三维实体模型。本文分析了螺杆泵压力的形成和传递过程,并给出了压力分布规律的表达式。 本文依据螺杆泵的工况及相关试验数据,建立了螺杆泵三维实体的有限元分析模型。定子橡胶的本构关系采用Mooney模型。进行了非线性接触有限元模拟计算,得出螺杆—衬套副间的接触压力及其分布规律,以及定子橡胶所受的剪应力和等效应力的分布规律。将螺杆泵的平均接触压力的数值模拟分析结果与试验分析结果对比误差为7%,表明螺杆泵有限元模型的正确性。 对采油螺杆泵定子橡胶的机械性能进行了测定,参照相关标准表明,定子橡胶能够满足静强度要求,且裕度较大;而定子橡胶的耐磨性和溶胀性刚满足标准中的最低要求,有待于进一步提高,此外本文分析认为还应对其动态性能进行检测。 利用金属与定子橡胶试件在油水介质和油水砂介质中进行螺杆—衬套副的磨损模拟试验,测定其摩擦系数和磨损量,分析得到摩擦系数和磨损量随着法向载荷和滑动速度的变化规律。根据采油螺杆泵的工况,再综合上述螺杆—衬套副的运动、力学和磨损规律的研究结果,分析了定子橡胶磨损的特点,并认为螺杆泵定子橡胶的磨损形式主要有摩擦磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和粘着磨损,并进一步分析阐述了各类磨损的作用机理,同时提出了预防和减轻各类磨损的方法和途径。


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