氣液抽油泵設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　氣液混抽泵設計</b></p><p>　　摘 要：隨著社會的快速發(fā)展，我國的各行各業(yè)均得到迅猛發(fā)展，尤其在石油行業(yè)。抽油泵是油田開發(fā)過程中的主要設備之一,往往油井中含有大量的氣體而使抽油泵發(fā)生氣鎖，導致抽油泵不能正常工作，抽油效率下降。本次設計在普通抽油泵的基礎上，在開有小孔的泵筒上增加了中空管組件來改變了泵在抽油時的油氣比，因而有效地改善了抽油泵的性能，提

2、高了油田的原油產量, 增加了油田開發(fā)的經濟效益。</p><p>　　本文結合我國油田中普遍存在的油氣比大的油井，這些油井中含有大量的溶解氣體對抽油泵效率有明顯影響，從現(xiàn)有的防氣抽油泵為出發(fā)點開始研究。首先介紹了國內外防氣抽油泵的發(fā)展現(xiàn)狀，接下來討論了本次畢業(yè)設計的氣液抽油泵的工作原理，初步確定了氣液抽油泵的整體結構。然后對氣液抽油泵的整體結構、尺寸進行了設計計算，確定了泵的外徑和泵筒的長度。最后對抽油泵的主要零

3、件，如泵筒、柱塞、泵閥、閥罩等進行了設計計算以及校核，并對抽油泵的排量進行了估算。最終確定所設計的氣液抽油泵能夠有效防止氣鎖而正常工作。</p><p>　　關鍵詞：抽油泵；防氣鎖；氣液抽油泵；結構設計</p><p>　　Design of a Gas-liquid mixing pump</p><p>　　Abstract: With the developm

4、ent of society , the industries are rapid development in china , particularly in the oil industry . Pump is one of main equipment in the process of oilfield development . Often it contains large amounts of gas in oil Wel

5、ls and makes the pump occur gas-lock , which caused the pump not to work normally and the efficiency of pumping descend . On the basis of the pump , the design adds the central hollow-out the tube components to the ordin

6、ary pump cylinder that it has som</p><p>　　In this paper , based on the big oil-gas ratios existing in Wells in our country ,which contains a lot of dissolved gas to have obvious influence from pump efficien

7、cy , and start studying from the existing pump that prevents gas-lock . Firstly , it introduces the pump prevented gas-lock development present situation , then discussed the graduated design , the working principle of t

8、he gas to liquid pump , and preliminarily determines the overall structure of the gas to liquid pump . Next it desig</p><p>　　Key words: Pump ; Prevent gas-lock ; Gas to liquid pump ; Structure design</p

9、><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒 論 1</b></p><p>　　課題背景及目的 1</p><p>　　抽油泵的發(fā)展概況 1</p><p>　　論文的研究內容 3</p><p><b>　

10、　創(chuàng)新點 3</b></p><p>　　氣液混抽泵的結構及工作原理 4</p><p>　　氣液混抽泵的基本結構 4</p><p>　　氣液混抽泵的工作原理 4</p><p>　　氣液混抽泵的設計 5</p><p>　　抽油泵總體尺寸計算 5</p><p>　　

11、油管直徑與泵徑的匹配 5</p><p><b>　　抽油泵長度 5</b></p><p>　　抽油泵的主要零件的設計與計算 5</p><p><b>　　古德曼圖 5</b></p><p>　　泵筒的設計與計算 8</p><p>　　柱塞的設計與計算 1

12、8</p><p>　　泵閥的設計與計算 21</p><p>　　閥罩的設計與計算 24</p><p>　　中空管的設計與計算 28</p><p>　　泵的排量計算 29</p><p><b>　　結 論 31</b></p><p><b>

13、　　參考文獻 32</b></p><p><b>　　致 謝 33</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1課題背景及目的</p><p>　　在石油開發(fā)過程中，油田多居于極復雜的環(huán)境，具有斷層多，油、 氣、 水分布復雜，油藏埋藏深、

14、 井況差、 原始油氣比高等特點，由于這些特點,使得油田在開發(fā)過程中地層壓力、 液面下降快，產量遞減快。隨著油田的深入開發(fā),氣體對油井影響日益明顯, 泵效較低，甚至發(fā)生氣鎖等現(xiàn)象；較低的泵效嚴重影響著原油生產任務的順利完成,氣體影響是抽油機井泵效低的主要原因。 對于含氣油井,消除或減少氣體的影響是采油工程的主要任務之一。</p><p>　　然而在任意一個抽油泵中，固定閥與游動閥之間必定存在一段距離，稱“防沖距”，

15、其空間稱“余隙容積”，充滿油氣混合物。當柱塞下行時，泵筒內壓力升高，余隙容積內氣體受壓縮，并溶解于油液中，而柱塞上行時，泵筒內壓力迅速減低，溶解的氣體自油液中分離、膨脹，占據(jù)一定的空間。含氣量較少時，氣體膨脹后所占空間不大，對泵效影響不大，但當含氣量較大時，膨脹氣體可能占據(jù)柱塞在泵筒內移動的空間，且壓力仍然不低于套管中的沉沒壓力，使固定閥打不開，抽油泵無法吸入。這時柱塞只是使氣體處于交替的壓縮和膨脹狀態(tài)，抽油泵不工作，，產生所謂“氣鎖”

16、。 發(fā)生氣鎖時，沒有油液排出，抽油機和泵將做無用功。更為有害的是，在這種含氣井中工作，抽油泵還會發(fā)生液擊現(xiàn)象，加速了抽油桿柱、游動閥罩、固定閥罩油管等井下設備的損壞。因此，必須設計一種新型抽油泵，來較好的解決這一情況，提高石油產量。這時，能夠在高油氣達到同樣效果的抽油泵--氣液抽油泵就是很好的研究方向。</p><p>　　通過設計這種氣液混合抽油泵，可以達到排氣抽油或油氣混抽的正常采油目的，避免了低效率、耗時耗

17、力的工作。尤其在這種油井里發(fā)生氣鎖時，免除了抽油機做無用功，對抽油桿等井下設備的損害，較好的解決油田中高油氣比的油井的開采工作，相信這種抽油泵一定會在我國的石油行業(yè)，尤其各個油田得到廣泛應用！</p><p>　　1.2抽油泵的發(fā)展概況</p><p>　　回顧我國的抽油泵發(fā)展史，在50 年代，我國開始仿制東歐、蘇聯(lián)、羅馬尼亞等等國的襯套抽油泵。60年代，我國科技人員開始設計制造一些特殊泵

18、，如防砂泵、防腐泵等等，但對預防井底嚴重的氣體影響還沒有真正解決。70年代開始制造長沖程泵、稠油泵以及其他新型的泵。然而設計水平和制造工藝的落后，再加上原材料的品種較少，遠遠不能滿足油田井下各種復雜情況的需要。80年代末期，抽油泵制造水平逐步由襯套泵發(fā)展到批量生產整筒泵，制造工藝、熱處理工藝有較大的提高，新型泵的品種也不斷增加。但與國外相比，抽油泵的結構設計改進較少，新品種欠缺。</p><p>　　目前我國使用

19、的抽油泵，有兩種結構型式的桿式泵和四種結構型式的管式泵，桿式泵的使用數(shù)量僅占管式泵的1%，且桿式泵只有頂部固定型式，適應能力較差. 我國抽油井基本上采用標準型泵，不能適應稠油、含砂、含水量大、含硫化氫等腐蝕性較強、結蠟嚴重等油井的生產。近幾年為研制異型泵做了大量工作,如江漢油田研制了長沖程泵，泵總長8.5m，內徑70mm，外徑90mm，采用軟活塞配整體泵筒結構.與華北油田Bn型增距式抽油機配套使用，平均泵效達91%.目前我國抽油泵泵筒仍

20、由多節(jié)短襯套組合而成。過去每節(jié)襯套只有150mm長，現(xiàn)已大批生產每節(jié)300mm長的襯套。近兩年玉門石油機械廠已小批量生產CYB70/1.8～SGZY長筒泵。還給遼河油田生產了CYB57/6GZY長筒稠油泵。勝利油田也已小批量生產CYB70/燕GLY和cyB83/3.3GY型長泵筒無襯套金屬柱塞抽油泵。在長泵筒制造工藝方面，玉門石油機械廠近幾年搞出了兩種整體泵筒制造工藝，即大泵筒內壁鍍鉻和中型泵筒內壁輝光離子氮化。泵筒材料大多用20CrM

21、。，經熱處理后硬度為HRC60~62，此硬度低于井內工作介質中所含石英砂的硬度，故泵筒內表面往往被拉傷，嚴重</p><p>　　然而國內對于在高油氣比的油井開采，為使高油氣比油井生產正常 ，各油田作了大量工作 ，采取的技術主要從減少進泵液體中的含氣比和降低進泵游離氣對泵閥開啟的影響 2 個方面進行。前者主要由增大沉沒度，降低沖次和采用各種氣錨和適時放掉套管氣來實現(xiàn)；后者則靠加大沖程長度，減少余隙容積及采用特殊結

22、構的防氣抽油泵來達到 。其中的主要差別在于防氣抽油泵的防氣原理不同，例如采用機械強制開啟的游動閥以減小游離氣對游動閥開啟的影響；采用氣液置換的防氣泵或采用兩級壓縮抽油泵則是降低壓縮腔內的油氣比來提高泵效。所以，上述防氣泵皆是在普通抽油泵基礎上對閥體或腔體進行了一些改進 ，或增添特種結構而成的新型防氣泵。上述改進能較好地防止氣鎖 ，提高泵效 ，但加工難度大，壽命不容易提高，且增加了操作難度。以往，解決抽油泵氣鎖問題采取如下措施：①在泵的結

23、構上，減小柱塞在下死點處和固定閥間的余隙容積,使用雙游動閥和兩級壓縮抽油泵，使用標槍閥做游動閥下行程強制打開。但此方法泵安全強度差 ，結構復雜 ，成本高；②利用氣錨將原油中的游離氣體在沒有進人泵筒之前分離出來,進人套管,定期放氣。這種方法對減少氣體對泵工作的影響有一定效果 </p><p>　　美國Harbison Fischer公司研制了一種可在氣鎖情況下使用的新型有桿泵,其泵筒上部為逐漸增大的錐形。當柱塞上行

24、接近上死點進入該錐形區(qū)后,泵的漏失量增加。其結果可均衡柱塞和游動閥上下的壓力,在柱塞下行時泵筒內可立即達到高壓,使游動閥強制打開,這就可從根本上消除泵氣鎖,使其在產氣量大的油井上正常使用。礦場示功圖測試表明,采用該種新型防氣泵抽油,光桿的最小載荷增大,抽油桿柱的諧振減小,泵上桿柱承受的壓縮載荷降低。由此可見,采用它可從根本上消除泵氣鎖,縮小桿柱的應力范圍。還可消除泵的氣、液擊,減輕泵的桿管磨損,保證氣量大井正常生產</p>

25、<p>　　另外，美國Oil Well公司研發(fā)的一種防氣抽油泵，具有氣液混抽的作用，可以用于開采含有大量氣體的原油。其泵筒有上、下泵筒組成，兩種之間用加長短節(jié)連接，泵的柱塞很長，可搭接在上、下泵筒之間，在泵筒內形成上部、中部和下部三個油室，工作過程中柱塞起封隔上、下泵筒的作用。但是，這種泵在結構上比較復雜，加工難度大，不容易生產使用，需要改進。</p><p><b>　　1.3論文研究內容

26、</b></p><p>　　我設計的氣液混合抽油泵是基于根據(jù)生產需要以功能設計為原則 ， 在原抽油泵結構基礎上進行技術改造而進行的，其中的主要內容如下：</p><p>　　氣液抽油泵的工作原理及防止氣鎖的方法說明：首先查找有關氣液抽油泵的資料，然后結合我國油田的實際情況對普通抽油泵的優(yōu)缺點進行分析，最后提出自己的氣液抽油泵，并分析它的防止氣鎖的方法，以及工作原理。</

27、p><p>　　氣液抽油泵的結構設計：通過對普通抽油泵的結構分析，再結合設計的任務要求和自己的防氣鎖方法、工作原理，設計氣液抽油泵的結構。</p><p>　　氣液抽油泵的裝配圖、零件圖的繪制：運用自己的CAD繪圖知識，繪制設計的氣液抽油泵的結構圖，包括裝配圖、零件圖等。</p><p><b>　　1.4創(chuàng)新點</b></p>&l

28、t;p>　　在泵筒外添加了中空管組件，由柱塞的移動可以在泵筒內形成上部、中部和下部三個油室，為泵內的氣體開辟了通道，排除了氣體的干擾，提高了泵效，避免了氣鎖和液擊的發(fā)生。</p><p>　　在普通管式組合泵的基礎上，結合了它的優(yōu)點，去掉了襯套，也減輕了泵的自身重量；</p><p>　　均采用了管螺紋連接，保證整個抽油泵的密封性。</p><p>　　2

29、氣液混抽泵的結構及工作原理</p><p>　　2.1氣液混抽泵的基本結構</p><p>　　氣液抽油泵的結構主要由上閥罩組成、泵筒、柱塞、下游動閥罩總成、中空管組件固定閥總成等組成。具體結構見下圖：</p><p>　　1—接箍; 2—上閥罩總成; 3—泵筒; 4—柱塞;</p><p>　　5—下游動閥罩總成; 6

30、—中空管組件; 7—固定閥總成</p><p>　　圖2-1　氣液混抽泵結構</p><p>　　2.2氣液混抽泵的工作原理</p><p>　　柱塞上行時，井底原油經固定閥進入下部油室，由于低壓和紊流，原油中氣體膨脹，分離氣泡上升至下部油室的頂部；而上一工作過程中存留于中間油室內的原油所含的氣體處于受壓縮狀態(tài)，其氣-液比低于下部油室；當柱塞脫離泵筒到達上止

31、點時，中、下油室連通，兩室混合液的氣-液比介于連通前兩室氣-液比之間，低于井底原油的氣-液比，因而使抽入的液體量增加。</p><p>　　柱塞下行時，固定閥關閉，上部油室中的氣體向上運動，柱塞繼續(xù)下行到一定位置，就有一部分液、氣體被封閉在中間油室內；當下部油室內的液體壓力等于或略大于柱塞腔內液體壓力時，游動閥開啟，下部油室中的液體通過柱塞流向上部油室；柱塞接近下止點時，上部油室與中部油室連通，中部油室液體中被壓

32、縮的氣體逸出。直至下沖程結束，這樣便完成了一個抽汲過程。</p><p>　　當柱塞又開始上行，上部油室與中部油室再次隔絕開時，中部油室中的液、氣體處于被壓縮狀態(tài)，且其內氣體已有一部分逸出，中間油室內的氣-液比較低。因此，當柱塞繼續(xù)上行時，又可以使抽液量增加，從而保證將含氣原油正常地開采出來。</p><p>　　中空腔室的設置給泵內氣體開辟了通道，而中空腔內液體與下腔室氣體的交換，又增加

33、了泵筒內液體的充滿系數(shù)，降低了泵內的氣-液比，排除了氣體的干擾，提高了泵效，避免了氣鎖和液擊的發(fā)生。</p><p>　　3 氣液混抽泵的設計</p><p>　　3.1抽油泵總體尺寸計算</p><p>　　3.1.1油管直徑與泵徑的匹配</p><p>　　管式抽油泵要與油管連接，故油管直徑必須與抽油泵的泵型相匹配。</p>

34、<p>　　(1) 同一種泵型同一種規(guī)格的抽油泵可以與一種規(guī)格或者兩種規(guī)格的油管相匹配，其目的是在空間允許的范圍下提供較大的選擇余地。</p><p>　　(2) 因為管式泵是插入式管，油管內徑必須大于桿式泵最大外徑，反映為油管尺寸代號比泵徑尺寸代號前兩位數(shù)值要大。管式泵大部分也符合此規(guī)律，但有一部分（30-325TH等）油管尺寸代號反而小于泵徑尺寸代號的前兩位數(shù)值，說明此時柱塞直徑大于油管內徑，柱

35、塞必須事先放在泵筒內，用脫接器與抽油桿連接。</p><p>　　管式泵最大外徑受到套管內徑的限制，我國常用的是套管，壁厚最厚的一種內徑為，與它配的抽油泵最大外徑應控制在，有時因作業(yè)需要應留出更大的空隙。</p><p>　　3.1.2 抽油泵長度</p><p>　　抽油泵長度主要取決于泵筒長度，它與沖程長度有關，具體的說是柱塞長度、沖程長度、防沖距和加長短節(jié)長

36、度等決定。</p><p>　　推薦柱塞長度和防沖距按表3-1選擇。</p><p>　　表3-1 推薦柱塞長度和防沖距</p><p>　　此次設計柱塞長度為1.2m，沖程長度為4.0m，防沖距為0.6m，下泵深度為1500m，泵筒的總長度為4.9m，抽油泵總長為6.4m。</p><p>　　3.2 抽油泵的主要零件的設計與計算&l

37、t;/p><p>　　因各種零件的結構、作用和工況不同，設計計算的內容也有區(qū)別。泵筒、柱塞等零件側重于強度、剛度的計算，而泵閥計算則側重與結構設計計算。</p><p>　　3.2.1 古德曼圖</p><p>　　石油機械疲勞強度計算時，經常利用古德曼圖（圖3-1），它是一張極限應力圖。抽油泵是一種往復泵，各種零件所受應力為交變應力，可借用古德曼圖進行計算。<

38、/p><p>　　3.2.1.1 古德曼圖</p><p>　　金屬材料用古德曼圖 ，其橫坐標是交變應力的平均應力，縱坐標是最大應力和最小應力。一張完整的古德曼圖是凸八邊形構成的封閉圖形。工作在封閉圖形范圍內的零件其壽命可達到次循環(huán)以上，是安全的。</p><p>　　圖3-1 古德曼圖</p><p>　　3.2.1.2 實際耐久極限&l

39、t;/p><p>　　試件在周期應力作用下，不發(fā)生循環(huán)破壞（循環(huán)破壞次數(shù)達到次）的最大應力稱為耐久極限。耐久極限是通過表面光滑、直徑5 - 7mm圓柱形試件，在轉桿壽命試驗機上試驗獲得的。大量試驗證明：對于黑色金屬和和部分有色金屬，耐久極限 與材料抗力強度存在一定關系，并于加載方式有關，即： </p><p><b>　　（3-1）</b></p>

40、<p>　　式中 ：—耐久極限，M Pa；</p><p>　　—材料強度極限，M Pa；</p><p>　　—加載方式系數(shù)，彎曲:, 軸向拉壓:，</p><p><b>　　扭轉： 。</b></p><p>　　實際使用的零件與試樣有差異，工況與試驗條件也不盡相同，應將耐久極限根據(jù)實際情況進行調整

41、，使之能適應實際情況，調整后的數(shù)據(jù)稱為實際耐久極限。影響實際耐久極限的因素主要有偏載情況、直徑大小、工件表面質量和介質性質等。</p><p><b>　　偏載系數(shù)（）</b></p><p>　　軸向拉壓，因偏心而產生不確定的彎曲，將影響實際耐久極限。對于抽油泵零件而言可取偏載系數(shù)。</p><p><b>　　直徑系數(shù)（）<

42、/b></p><p>　　抽油泵泵筒可?。?。 </p><p><b>　　工件表面系數(shù)</b></p><p>　　工件表面粗糙度對耐久極限有較大的影響，而且材料強度極限越大，影響越明顯。抽油泵零件表面大部分經過機械加工，故推薦表面系數(shù)為：</p><p><b>　?。?-2）</b>

43、</p><p><b>　　腐蝕情況系數(shù)（）</b></p><p>　　一般取～，腐蝕情況越嚴重，系數(shù)越小，無腐蝕。</p><p><b>　　實際耐久極限</b></p><p>　　綜合比較，實際耐久極限為:</p><p><b>　?。?-3）<

44、/b></p><p>　　3.2.1.3 交變應力</p><p>　　最小應力min，最大應力max，平均應力m，應力振幅a，應力振程r ，它們之間的關系如下：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　（3-5）</b></p><

45、p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　3.2.1.4 應力集中系數(shù)</p><p>　　對于抽油泵而言，大部分零件的危險斷面在螺紋上，推薦按表3-2確定應力集中系數(shù)。</p><p>　　表3-2 螺紋應力集中系數(shù)</p><p>　　3.2.2 泵筒的設計與計算</p>&l

46、t;p>　　泵筒是抽油泵的主要零件，柱塞在其內做往復運動，抽汲油液，它又是固定閥、泵筒接箍的支持件，因此加工難度較大。</p><p>　　3.2.2.1 對泵筒的性能要求</p><p>　　泵筒與柱塞形成一運動副，要保證柱塞運轉和往復運動靈活無阻卡，且磨損均勻；</p><p>　　保證泵筒與柱塞之間有足夠的密封能力；</p><p&g

47、t;　　要有足夠的強度、剛度和疲勞強度，能適應深抽需要；</p><p><b>　　要有較好的耐磨性；</b></p><p>　　要有較好的抗腐蝕能力。</p><p>　　3.2.2.2 泵筒的材料選擇</p><p>　　從井下介質情況來看，主要存在的的固體顆粒和腐蝕性物質，不同井中固體顆粒大小、含量和腐蝕性物

48、質的化學成分、濃度都有變化，應該根據(jù)不同介質選擇相應的泵筒材料。為了更好的發(fā)揮材料的使用性能，還應該與采用的工藝結合起來，以達到較好的經濟效益。</p><p>　　制造泵筒的毛坯是精密鋼管（冷拔、冷軋無縫管）。這種毛坯尺寸精度高，表面質量好，可以有效的控制加工余量。</p><p>　　泵筒摩擦表面強化工藝主要有碳氮共滲（或滲碳），氮化和鍍鉻等。各種泵筒材料與工藝對井下介質的適應能力，對

49、于常用幾種工藝滲（鍍）層厚度及硬度推薦數(shù)值見下表3-3: </p><p>　　表3-3 泵筒滲（鍍）層厚度及硬度</p><p>　　3.2.2.3 泵筒的技術要求</p><p>　　內徑制造偏差為mm。</p><p><b>　　形位偏差</b></p><p>　　泵筒全長內內徑變動量

50、要求控制在制造公差內，即最大為0.05mm。</p><p>　　內孔圓柱度用綜合測量，基本尺寸為D的泵筒，用的綜合量規(guī)檢查時應能通過。</p><p>　　內孔表面粗糙度不大于Ra0.4。</p><p>　　滲（鍍）層厚度與硬度</p><p>　　對于常用幾種工藝滲層厚度即硬度推薦數(shù)值見表3-3。</p><p>

51、;　　3.2.2.4 泵筒強度計算 </p><p>　　按泵筒壁厚可以分為薄壁筒、中厚壁筒、厚壁筒和超厚壁筒。API規(guī)范中，薄壁筒=3.175mm，厚壁筒=6.35mm，超厚壁筒=8～12mm，而中厚壁筒的壁厚尺寸可有生產廠家自定，一般去=4.763mm。我們選擇厚壁筒的管式泵=6.35mm，由文獻[1]可知，泵筒的基本尺寸初定如圖3-2：</p><p>　　圖3-2 泵筒的基本尺寸&

52、lt;/p><p><b>　　材料選擇</b></p><p>　　由文獻[3，表4-6]，結合氣液抽油泵的工況，泵處于高硫化氫、二氧化碳和磨損的情況下，綜合考慮選擇鍍鎳的45# 碳素鋼泵筒（硬度為68HRC）。</p><p>　　危險工況、危險部位和危險斷面</p><p>　　抽油泵在工作過程中，上下行程受力情況和危

53、險部位如圖3-3：</p><p>　　上行程 下行程</p><p>　　圖3-3 抽油泵受力分析</p><p>　　無論在上行程或下行程均為危險工況，上行程時泵筒危險部位在柱塞上方，而下行程時泵筒在全長內均為危險部位。</p><p>　　泵筒危險斷面是兩端螺紋處，推薦螺紋處計算直徑為：</p>

54、<p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中 —— 螺紋處計算直徑，mm;</p><p>　　—— 螺紋螺紋大徑，mm；</p><p><b>　　—— 螺距，mm。</b></p><p>　　計算內徑 </p>

55、;<p>　　螺紋危險斷面處，承載面積的計算如下：</p><p>　　由于是厚壁筒，選擇外螺紋泵筒，</p><p><b>　　; </b></p><p><b>　　（3-8）</b></p><p>　　式中 —— 危險斷面承載面積，mm2；</p>&l

56、t;p>　　—— 計算內經，mm；</p><p>　　—— 計算外徑，mm。</p><p><b>　　載荷分析</b></p><p><b>　　筒內、外壓力：</b></p><p>　　泵筒內、外壓力是由井液造成的，其計算式為：</p><p><b&

57、gt;　?。?-9）</b></p><p>　　式中 —— 筒內、外壓力，MPa；</p><p>　　—— 井液密度，kg／m3，設計計算時可取=103 kg／m3；</p><p>　　—— 下泵深度，m，要求1500 m；</p><p>　　—— 井口回壓，MPa，依實際情況確定，一般取 = 1.5～5 MPa，計算時

58、可取 = 2 MPa，故有</p><p>　　= 16.7 MPa</p><p><b>　　附加軸向載荷</b></p><p>　　附加軸向載荷包括泵筒組自重、尾管重量、井液浮力及柱塞和泵筒之間的摩擦力等。因泵筒組自重占軸向載荷的比例不大，可忽略不計；為安全起見，井液浮力不予考慮。故附加軸向載荷及應力為</p><

59、p><b>　　（3-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中 —— 附加軸向載荷，N；</p><p>　　—— 附加軸向載荷應力，MPa；</p><p>　　W —— 尾管重量，kg，查文獻[3，表4-9]，在下泵1500m時，允許掛尾

60、管重量4223 kg；</p><p>　　—— 柱塞與泵筒之間的摩擦力，N，井液粘度不大，摩擦力可以忽略不計，故設計時按 = 0考慮。</p><p>　　= 41385.4 N </p><p><b>　　= </b></p><p>　　= 53.44 MPa </p><p><

61、b>　　應力分析</b></p><p>　　對于泵筒上任一應力元，它均受到三向應力，軸向應力切向應力徑向應力，則危險點在泵筒內徑處。</p><p>　　圖3-4 泵筒應力分析圖</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　= 44／54</b>

62、;</p><p><b>　　= 0.81</b></p><p><b>　　許用應力</b></p><p>　　泵筒一般用塑性材料制造，推薦許用應力為：</p><p><b>　　（3-13）</b></p><p>　　式中 [] —— 許

63、用應力，MPa；</p><p>　　———— 材料屈服極限，MPa，45# 碳素結構鋼為353MPa；</p><p>　　n —— 安全系數(shù)，n = 1.2 ～ 1.6，一般管式泵可取n = 1.4 。</p><p>　　[] = 353 / 1.4</p><p>　　= 252.14 MPa</p><p>

64、;<b>　　強度條件</b></p><p>　　采用第四強度理論可較好的解決塑性材料三向應力強度問題，根據(jù)第四強度理論其當量應力為</p><p>　　= （3-14）</p><p>　　管式泵的三向應力大小見下表：</p><p>　　表3-4 抽油泵的應力分析</p><p

65、><b>　　因此，</b></p><p><b>　　= </b></p><p>　　= 123.09 MPa</p><p>　　[] > , 滿足強度條件</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　

66、令 （3-16）</p><p><b>　　= 5.04</b></p><p>　　有 （3-17）</p><p>　　= （3-18）</p><p><b>　　= </b><

67、/p><p>　　= 48.89 MPa </p><p><b>　　最大下泵深度</b></p><p>　　當附加軸向載荷Qc = 0 時，求得從強度出發(fā)的最大下泵深度，</p><p>　　= （3-19）</p><p>　　= （48.89 － 2 ）/ 9.

68、8×10-3</p><p><b>　　= 4784 m</b></p><p>　　> 1500 m，滿足條件</p><p><b>　　允許掛尾管重量</b></p><p>　　我們可以得出從強度出發(fā)某下泵深度H時允許加尾管重量W，</p><p&g

69、t;　　W1 =F = （3-20）</p><p><b>　　= </b></p><p>　　= 18781.09 kg</p><p><b>　　滿足假設條件。</b></p><p>　　3.2.2.5 泵筒疲勞強度計算</p><p><

70、;b>　　交變應力</b></p><p>　　泵筒軸向載荷為（應力為），最大軸向應力是筒內壓力形成的軸向應力與最小軸向應力之和，考慮應力集中系數(shù)，故交變應力為</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b&g

71、t;　　=1.91</b></p><p><b>　　（3-22）</b></p><p><b>　　=3.0</b></p><p><b>　　=160.32</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p>

72、<p><b>　　=</b></p><p><b>　　=440.46</b></p><p><b>　?。?-24）</b></p><p><b>　　=0.5 </b></p><p><b>　　=140.07<

73、/b></p><p>　　= （3-25）</p><p><b>　　=1.91</b></p><p><b>　　=280.14</b></p><p>　　=0.5 （3-26）</p>

74、<p><b>　　=0.5</b></p><p><b>　　=300.39</b></p><p><b>　　古羅曼圖的應用</b></p><p>　　泵筒用45號鋼，計算時所取數(shù)據(jù)為： ，，可取加載方式系數(shù)，偏載系數(shù)，直徑系數(shù)，表面系數(shù)腐蝕情況系數(shù)，應力集中系數(shù)</p&g

75、t;<p>　　泵筒在井下時一般受拉，即，故它工作在古德曼圖的Ⅰ區(qū)或Ⅱ區(qū)，其分界處的平均應力為為 </p><p><b>　?。?-27）</b></p><p>　　=272.96 MPa </p><p>　　其中 （3-28）</p><p&g

76、t;　　泵筒的疲勞強度極限為</p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　— 允許最大應力振程</p><p><b>　　— 實際應力振程</b></p><p><b>　　最大下泵深度</b></p><p>　　最大下泵

77、深度時，，故有 ，，，并有。</p><p>　　先假設工作在?區(qū)，由[3，表4-5]得 </p><p><b>　　2（－）==2，</b></p><p>　　有 （3-30）</p><p><b>　　=176

78、.5</b></p><p>　　顯然 < ，所以工作在Ⅱ區(qū)。</p><p><b>　　由于，，所以</b></p><p>　　= （3-31）</p><p><b>　　=</b></p><p><b&

79、gt;　　=4056 m</b></p><p>　　最大下泵深度應是從強度出發(fā)所得和從疲勞出發(fā)所得之中的小者，所以最大下泵深度==4056 m</p><p><b>　　允許加尾管重量</b></p><p>　　計算與下泵深度H相應的尾管重量W時，有=，，，。先假設工作在?區(qū)則 </p&

80、gt;<p>　　=3530.5×1.91×3×16.7</p><p>　　=305.15 MPa</p><p>　　= 1.91 × 3 × 16.7 = 95.69MPa</p><p>　　顯然，故工作在?區(qū)。此時有</p><p><b>　　==，<

81、/b></p><p><b>　　故 ， </b></p><p><b>　?。?-32）</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　= 6777kg</b></p><p>　　允許加

82、尾管重量應是從強度出發(fā)所得與從疲勞出發(fā)所得中的小者，所以取=6777kg</p><p><b>　　泵筒壽命計算</b></p><p>　　根據(jù)抽油泵標準和推薦做法來選擇抽油泵，在一般情況下，泵筒具有足夠的強度、剛度和疲勞強度，通常泵筒的主要破壞形式是磨損和腐蝕。所以常用磨蝕的情況來估算泵筒壽命。</p><p>　　磨蝕速度 把單位時間

83、內磨蝕量的總和稱為磨蝕速度，它與泵筒柱塞材料、表面強化工藝和井況有關，可以測定或憑經驗確定，一般情況下平均磨損速度小于0.01mm／1000h。</p><p><b>　　檢泵周期與壽命 </b></p><p>　　抽油泵使用壽命主要取決與泵筒，抽油泵經過一段時間的使用后，間隙漏失量大增，達不到經濟使用的程度就需要檢泵。檢泵時有兩種情況，一是泵筒未達到磨蝕極限，仍

84、可繼續(xù)使用或經珩磨圓整修復后繼續(xù)使用，即做一次檢泵工作，從下井到檢泵所經歷的時間稱為檢泵周期。二是泵筒已達磨損極限，需要報廢，有條件時可重鍍修復，從該泵開始使用到報廢所應力的時間稱為壽命。</p><p>　　設抽油泵經過一個檢泵周期的使用，其磨蝕量為，則允許檢泵次數(shù)為 （3-33）</p><p>　　式中 ——泵筒磨蝕極限，mm；</p

85、><p>　　——每一檢泵周期泵筒磨蝕量，mm；</p><p>　　——每次修珩泵筒的珩量，mm；</p><p>　　n ——允許檢泵次數(shù)，應取比計算結果略小的整數(shù)</p><p>　　對于小泵而言，一般n＞1，即可以使一個或多個檢泵周期；對于大泵而言，可能n＜1，即使用一個檢泵周期后泵筒將報廢。所以檢泵周期和壽命計算為 </p

86、><p>　　3.2.3 柱塞的設計與計算</p><p>　　柱塞是抽油泵重要零件，它與泵筒組成一個運動副，同時它又是游動閥、柱塞上部閥罩等零部件的支持件。</p><p>　　3.2.3.1 對柱塞的性能要求</p><p>　　（1）柱塞的材料、強化工藝應與泵筒構成理想的匹配；</p><p>　　避免因電化學作

87、用而加快腐蝕、磨損和粘住，像鍍鎳泵筒不可配用鍍鎳柱塞等。</p><p>　　柱塞與泵筒的磨損速度相仿或柱塞略快些。</p><p>　　柱塞與泵筒表面摩擦系數(shù)以小些為佳。</p><p>　?。?）要有足夠的強度、剛度；</p><p>　　（3）要有較好的耐磨、抗腐蝕能力；</p><p>　?。?） 盡量減少液力

88、損失。</p><p>　　3.2.3.2 柱塞的材料選擇</p><p>　　柱塞的材料主要有碳素鋼、合金鋼、不銹鋼和有色金屬等，常用的是碳素鋼。柱塞表面強化工藝主要是金屬噴焊和鍍鉻，由于噴焊層在厚度，結合強度、耐磨、抗腐蝕和易形成油膜等方面都優(yōu)于鍍鉻，且與共滲泵筒，鍍鉻、鍍鎳泵筒都能構成良好的匹配，使用較廣。依據(jù)文獻 [3，表4-11] 柱塞材料的選擇，結合泵的工作條件為含氣量較高的

89、油井，初選含有高硫化氫、二氧化碳和磨損工況下作金屬噴焊處理的45 #碳素鋼材料。</p><p>　　由于泵筒的內徑為44 mm，根據(jù)文獻 [1]，柱塞的基本尺寸初步設計為</p><p>　　圖3-5 柱塞的基本尺寸</p><p>　　3.2.3.3 柱塞強度計算</p><p>　　查文獻 [3，表4-3]，推薦的柱塞長度和防沖距&l

90、t;/p><p><b>　　危險斷面</b></p><p>　　推薦的內螺紋計算直徑：</p><p><b>　?。?-34）</b></p><p><b>　　= 38 mm</b></p><p><b>　?。?-35）</b

91、></p><p><b>　　= 36 mm</b></p><p>　　內螺紋柱塞的危險斷面在螺紋處，危險斷面面積F為：</p><p><b>　?。?-36）</b></p><p>　　= 640 mm2</p><p><b>　　推薦柱塞內

92、孔直徑：</b></p><p><b>　?。?-37）</b></p><p><b>　　= 26 mm</b></p><p><b>　　交變載荷及應力</b></p><p>　　柱塞最大載荷發(fā)生在柱塞上行程，可以用下式估算：</p>

93、<p><b>　?。?-38）</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　（3-39）</b></p><p><b>　?。?-40）</b></p><p>　　= 20.9 MPa</p>

94、<p><b>　　許用應力：</b></p><p><b>　?。?-40）</b></p><p>　　式中 —— 許用應力，MPa；</p><p>　　—— 材料屈服極限，MPa；</p><p>　　n —— 安全系數(shù)，n=1.2 ~ 1.6，取1.4 。</p&g

95、t;<p>　　= 353 / 1.4</p><p><b>　　= 252.14</b></p><p><b>　　，安全。</b></p><p>　　3.2.4 泵閥的設計與計算</p><p>　　泵閥由閥球與閥座組成，是抽油泵重要組件和易損件。它對抽油泵的泵效與工作可靠性

96、有很大的影響。</p><p>　　3.2.4.1 對泵閥的性能要求</p><p>　　有良好的密封性能，以保證抽油泵在各種工況下正常工作；</p><p>　　有良好的密封穩(wěn)定性，使球閥及時在異常力作用下仍能工作；</p><p>　　閥球啟閉靈活、迅速，不得有阻滯現(xiàn)象，更不允許卡死；</p><p>　　閥座孔

97、面積較大，入口處阻力較小；</p><p>　　閥球開啟瞬間的過流面積較大，提高進油效能；</p><p>　　對閥座口上沉積物有較強的沖刷能力，保證工作可靠；</p><p>　　有較好的耐磨性能，較強的抗腐蝕能力和較大的密度。</p><p>　　上述性能要求與泵閥材料、結構有關，所以泵閥設計主要是結構設計計算、選材和表面硬化工藝設計。&

98、lt;/p><p>　　3.2.4.2 泵閥的材料選擇</p><p>　　根據(jù)工況，查文獻[3，表4-13]，選擇鎢鈷鉻合金材料的閥球和閥座，它有較好的耐磨性和抗腐蝕性，工藝性較好，成本低廉，是國內較受歡迎的材料。</p><p>　　3.2.4.3 泵閥的技術要求</p><p>　　閥球直徑制造偏差為。</p><p

99、><b>　　圓度偏差</b></p><p>　　< 50 圓度偏差<1.5</p><p>　　> 50 圓度偏差<2</p><p>　　表面粗糙度Ra0.4。</p><p>　　閥表面兩端面平行度0.025mm，表面粗糙度Ra0.8；密封面研前粗糙度Ra0.4。</p&g

100、t;<p>　　閥球應與座進行真空度實驗，有兩種試驗方法。</p><p><b>　　l）常規(guī)實驗</b></p><p>　　真空度高于0.085Mpa，5秒鐘內真空度不下降。</p><p><b>　　2）判別實驗</b></p><p>　　真空度高于0.085Mpa，觀察

101、真空度下降速度，小于5kPa/min為合格品，小于3kPa/min為優(yōu)質品，真空度下降速度越小越好。</p><p>　　球與座應達到互換要求。</p><p>　　3.2.4.4 泵閥的計算</p><p><b>　　閥球</b></p><p>　　游動閥球直徑的選擇：</p><p>&

102、lt;b>　?。?-42）</b></p><p>　　= 27.2 mm</p><p>　　查文獻[3，表4-15] 閥球直徑規(guī)格，取= 28.575 mm。</p><p><b>　　固定閥球直徑選擇：</b></p><p>　　固定閥球直徑應該根據(jù)結構空間選擇，一般比游動閥球大0 ～ 2

103、檔，參照文獻[1]中固定閥球的設計尺寸要求，我們選擇 38.1 mm。</p><p><b>　　閥座</b></p><p><b>　　閥座口結構</b></p><p>　　閥座的材料為鎢鈷鉻合金，則選擇帶維護式的比較好。</p><p>　　圖3-6 帶護錐式閥口簡圖</p>

104、<p><b>　　閥座錐角的選擇</b></p><p>　　常用閥座錐角取值范圍為。從閥座口過流面積的大小、密封性能的優(yōu)劣、泵閥啟閉的靈活程度、密封穩(wěn)定性的好壞和始啟瞬間過流面積的大小等角度綜合考慮，的理想取值范圍為。取推薦值= 。</p><p><b>　　閥座外形結構</b></p><p>　　由

105、于扁平型是最常用的一種，已經標準化了。它結構簡單，制造方便。如果適當減少它與閥罩的接觸面積，可以較強的密封能力。故選擇扁平型。</p><p>　　圖3-7 閥座基本結構</p><p>　　泵閥的結構設計計算如下表：</p><p>　　表3-5 泵閥的設計計算</p><p>　　3.2.5 閥罩的設計與計算</p>&

106、lt;p>　　閥座是對抽油泵泵效有明顯影響的零件。由于閥罩所處的空間較小，要求結構緊湊，這給設計帶來一定困難，所以閥罩設計著重于結構設計計算。</p><p>　　3.2.5.1 對閥罩的性能要求</p><p>　?。?）有良好的導向性能，減少球在球室內飄忽，提高抽油泵充滿系數(shù)；</p><p>　?。?）有適度的流道面積，減少液力損失；</p>

107、;<p>　?。?）合理的閥球回跳高度；</p><p>　?。?）有足夠的強度、適當?shù)挠捕扰c耐磨性，良好的抗腐蝕能力。</p><p>　　3.2.5.2 閥罩的材料</p><p>　　閥罩一般用碳鋼、合金結構鋼、不銹鋼等材料制造，組合型閥罩的芯子也有用耐磨合金制造。</p><p>　　熱處理用調質工藝，硬度HB229—

108、269。</p><p>　　槽型球室型閉式閥罩，它是一種整體結構的閉式閥罩。選用球室內有四條圓弧狀凹直槽，形成主要的液體流道。并選用鉆與直槽相應的直孔出油孔。這種槽型球室型閉式閥罩的特點是：</p><p>　　（1）有良好的導向性能，閥球的飄忽量很小，相對飄忽量四槽為0.05。</p><p>　?。?）四槽球室型實際流道面積比為0.15—0.19。</p

109、><p>　?。?）井液自下向上流過斜槽時，液體對球閥有一個向下的分力，使閥球不會緊靠在球室頂端，這樣不但增加了出油孔面積，而且當柱塞反方向時，此分力促使閥球迅速下落，減少入座泵效損失。</p><p>　　圖3-8 槽型球室斷面 圖3-9 流道面積析</p><p>　　綜上，上游動閥罩選擇開口閥罩，下游動閥罩選擇四槽型球

110、室的閉式閥罩，固定閥罩選擇倒壇形的閉式閥罩，材料選擇45# 鍍鎳碳素鋼，熱處理工藝使用調質，硬度為HB229 ~ 269。</p><p>　　3.2.5.3 閥罩主要結構參數(shù)選擇</p><p>　　游動閥閥罩主要結構參數(shù)選擇：</p><p>　　圖3-10 游動閥閥罩</p><p><b>　　導向直徑D1</b&

111、gt;</p><p><b>　?。?-43）</b></p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　　閥罩外徑D2</b></p><p><b>　?。?-44）</b></p><p>　　式中 ———

112、 泵徑，mm。</p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　　溝槽銑刀直徑d</b></p><p><b>　?。?-45）</b></p><p><b>　　mm</b></p><p><b&g

113、t;　　導向筋寬度c</b></p><p><b>　?。?-46）</b></p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　?。?-47）</b></p><p><b>　?。?-48）</b></p>

114、<p>　　，可以保證閥罩有較長的使用壽命。</p><p>　　固定閥閥罩主要結構參數(shù)選擇：</p><p>　　圖3-11 固定閥閥罩</p><p><b>　　導向直徑</b></p><p><b>　?。?-49）</b></p><p><b&g

115、t;　　mm</b></p><p><b>　　閥罩外徑D2</b></p><p><b>　　（3-50）</b></p><p>　　式中 ——— 泵筒外徑，mm。</p><p><b>　　mm</b></p><p><b

116、>　　出油孔直徑d</b></p><p><b>　?。?-51）</b></p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　　出油孔分布直徑</b></p><p><b>　?。?-52）</b></p>

117、;<p><b>　　mm</b></p><p>　　固定閥罩的設計數(shù)據(jù)均采用行業(yè)推薦數(shù)值，因此不必核算，可以保證有較長的使用壽命。</p><p>　　3.2.6 中空管的設計與計算</p><p>　　中空管也是氣液抽油泵的主要零件之一，它和泵筒共同組合成中空管組件，為抽油過程中氣體的流動開辟了空間，以實現(xiàn)氣液混抽的目的。

118、它裝配在泵筒外邊，相當于外泵筒，因此需要按泵筒的要求進行設計。</p><p>　　3.2.6.1 對中空管的性能要求</p><p>　　保證與泵筒之間有足夠的密封能力；</p><p>　　要有足夠的強度、剛度和疲勞強度，能適應深抽需要；</p><p>　　要有較好的抗腐蝕能力。</p><p>　　3.2.6

119、.2 中空管的材料選擇</p><p>　　從井下介質情況來看，主要存在的的固體顆粒和腐蝕性物質，不同井中固體顆粒大小、含量和腐蝕性物質的化學成分、濃度都有變化，應該根據(jù)不同介質選擇相應的泵筒材料。為了更好的發(fā)揮材料的使用性能，還應該與采用的工藝結合起來，以達到較好的經濟效益。</p><p>　　制造中空管的毛坯是精密鋼管（冷拔、冷軋無縫管）。這種毛坯尺寸精度高，表面質量好，可以有效的

120、控制加工余量。本設計采用鍍鎳。</p><p>　　由已知條件，中空管的基本尺寸初定如圖3-2：</p><p>　　圖3-12 中空管基本尺寸</p><p>　　3.2.6.3 中空管的強度計算</p><p>　　由以下公式初步確定中空管壁厚：</p><p><b>　?。?-53）</b&

121、gt;</p><p>　　式中 ——壁厚，mm；</p><p>　　——焊接系數(shù)，無焊接；</p><p>　　——管內最大工作壓力，MPa；</p><p>　　——中空管內徑，mm；</p><p>　　——考慮鑄造偏心及腐蝕所留的裕量，一般取3～8mm；</p><p>　　——材料

122、的許用應力，若按抗拉強度取，安全系數(shù)應大于4；按屈服強度取，安全系數(shù)取2～3，即一般碳素鋼許用應力為1300～1500。</p><p><b>　　= 4.25 mm</b></p><p>　　3.2.6.4 中空管的強度校核</p><p>　　在整個抽油過程中，它是裝配在泵筒上的，是固定的，僅承受內脹和擠壓力，因此只需要對它的強度進行

123、校核即可。</p><p><b>　?。?-54）</b></p><p>　　式中 符號的意義同式3-50。</p><p><b>　　= 522.7 </b></p><p>　　< ，滿足設計要求。</p><p>　　3.3 泵的排量計算</p>

124、;<p>　　當抽油泵柱塞向上移動一個有效沖程長度時，排出的液體體積為</p><p><b>　?。?-55）</b></p><p>　　當抽油泵柱塞向下移動同樣值時，排出液體體積為</p><p><b>　　（3-56）</b></p><p>　　所以，在柱塞上下兩個沖程中，

125、抽油泵排出的液體體積等于</p><p><b>　　（3-57）</b></p><p>　　抽油泵的每日排液量為</p><p><b>　?。?-58）</b></p><p>　　柱塞的沖程是4.00米，按沖次10次/分，充滿系數(shù)n=1計算，</p><p><

126、b>　?。?-59）</b></p><p><b>　　4 結 論</b></p><p>　　基于抽油泵原理簡單、可靠耐用、使用方便等優(yōu)點，在石油工業(yè)中得到廣泛應用。因而抽油泵的設計研究也得到了大家的廣泛關注，各種新產品層出不群。</p><p>　　本次設計的氣液抽油泵主要通過對普通抽油泵的結構進行改造，已達到防氣、

127、抽油的目的。首先添加了上、下游動閥，通過和固定閥共同作用，控制泵筒內的油-氣比，來實現(xiàn)正常抽油。還在泵筒上開有小孔，為排除氣體對抽油的干擾提供了通道；并在泵筒外邊添加了中空管，保證了整個泵筒的密封性，也為油和氣的分離提供了場所。整個泵的結構也比較簡單，方便加工和使用。</p><p>　　目前，我國油田的大多數(shù)油井都存在著含氣量大，氣液共存的狀況。在使用普通的泵抽油時，容易形成氣鎖。一旦發(fā)生氣鎖，抽油泵將無法正常