CN111306055A - 一种高压柱塞泵液力端阀箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔、压裂液排出孔、柱塞孔和端盖密封孔，压裂液吸入孔轴线与压裂液排出孔轴线重合或平行，与之垂直分布的柱塞孔轴线和端盖密封孔轴线重合或平行，在阀箱内腔开设有延压裂液吸入孔轴线或压裂液排出孔轴线方向的规则空间。通过上述技术方案，在液力端阀箱内部引入一规则空间，改变相贯线的形状与走向，相贯线被拉长，达到有效减小关键位置应力集中的作用，通过有限元分析结果对比得知优化后的结构可大幅度的减小关键位置的应力集中程度，因而可以显著延长阀箱的工作寿命。

Description

一种高压柱塞泵液力端阀箱

技术领域

本发明涉及油田生产设备技术领域，更具体的说是涉及一种高压柱塞泵液力端阀箱。

背景技术

压裂技术是利用液体压力作用使含油气地层形成裂缝的一种方法，是一种油气田常规增产技术，应用广泛。其中压裂施工中最主要的设备是高压柱塞泵，高压柱塞泵又分成动力端和液力端两部分，动力端将柴油机或者电机能量转成动能通过柱塞传送到液力端，液力端主要部件为阀箱，柱塞和各种阀体阀座以及密封配件，其作用是通过柱塞在液力端内的运动吸入常压下的液体和砂粒，再通过对液体压缩将液体增压到所需的压力后排出阀箱注入油气井内。如图1所示，为典型的高压柱塞泵五缸液力端阀箱，包括压裂液吸入孔1、压裂液排出孔2、柱塞孔3和端盖密封孔4。液力端的技术性能直接关系到现场的施工效果以及作业安全，所以高压柱塞泵特别是液力端必须具有耐高压、耐疲劳、耐腐蚀、抗磨损性强、使用寿命长等特点。

但是，非常规油气开发的主要途径是水平井加分段压裂。随着非常规发展，油气开采中高压井、深井的数量逐渐增多，高压柱塞泵液力端承受的压力也随之提高，苛刻的高压条件导致阀箱的工作寿命受到极大影响，经常会出现阀箱失效，严重影响到压裂工艺效率以及一系列相关成本。

液力端阀箱受到的是高频率，高幅度的周期性压力，通常的破坏属于高应力下的应力腐蚀疲劳破坏。一般情况下液力端阀箱失效的位置集中在阀箱腔体内应力集中比较高的位置，在这些位置上小型表面裂缝率先产生，在高频率的高幅度疲劳应力作用下逐渐扩展，直至整体阀箱开始失效甚至刺漏。如图2-4所示，阀箱相贯线应力集中显著的四个位置分别是第一现有应力集中点13、第二现有应力集中点14、第三现有应力集中点23和第四现有应力集中点24。

为了提高液力端的使用寿命，对整体阀箱的设计与制造常采用改变液力端材料、内腔表面硬化，以及自增强处理等措施，对应力集中部位通过结构优化、生产工艺优化等手段减小应力集中。这些手段包括为了降低关键区域的应力集中采取的常规相贯线倒角加工，即完成压裂液吸入孔、压裂液排出孔、柱塞孔、端盖密封孔的加工后自然形成相贯线，最后依靠人工打磨或者专用设备完成相贯线的打磨，尤其是第一现有应力集中点13、第二现有应力集中点14、第三现有应力集中点23和第四现有应力集中点24通过锐角改造为圆弧过渡的倒角来减小应力集中，但是如图5所示，为阀箱在加工时自然生成的相贯线与打磨后相贯线的对比图，其中5为自然生成的相贯线，6为加工完成的相贯线，可以看出目前普遍使用的经过人工打磨或专用设备处理后的相贯线形状、走向没有发生变化，只是将相贯线锐角钝角化，以达到减小相贯线位置应力集中的目的，即通过有限元仿真可知当倒角半径增大到一定的程度后第一现有应力集中点13、第二现有应力集中点14、第三现有应力集中点23和第四现有应力集中点24的集中应力将不会再有明显的变化。

因此，提供一种相贯线应力集中水平显著下降的高压柱塞泵液力端阀箱是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高压柱塞泵液力端阀箱，改变相贯线的形状和走向，达到有效减小关键位置应力集中的作用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔、压裂液排出孔、柱塞孔和端盖密封孔，所述压裂液吸入孔轴线与所述压裂液排出孔轴线重合或平行，与之垂直分布的所述柱塞孔轴线及所述端盖密封孔轴线重合或平行，在所述阀箱内腔开设有延所述压裂液吸入孔轴线或所述压裂液排出孔轴线方向的规则空间。

进一步的，所述规则空间为圆柱体或锥体。

通过采取以上方案，本发明的有益效果是：

在不改变现有油田使用压裂泵液力端通用备件基础上，通过阀箱失效实际数据以及失效位置统计，结合有限元仿真工具的分析结果对液力端阀箱易发生疲劳、应力腐蚀和磨损冲蚀的关键位置进行结构的优化，相贯线被拉长，有效的减小了关键位置的应力集中程度，通过有限元分析结果对比得知优化后的结构可大幅度的减小关键位置的应力集中程度，因而可以显著延长阀箱的工作寿命。

一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔、压裂液排出孔、柱塞孔和端盖密封孔，所述压裂液吸入孔轴线与所述压裂液排出孔轴线重合或平行，与之垂直分布的所述柱塞孔轴线及所述端盖密封孔轴线重合或平行，在所述阀箱内腔开设有以所述压裂液吸入孔轴线、所述压裂液排出孔轴线、所述柱塞孔轴线和所述端盖密封孔轴线中任意两条相正交轴线的交点为基准的球形空间。、

进一步的，所述压裂液吸入孔与所述柱塞孔、所述压裂液排出孔与所述柱塞孔、所述压裂液吸入孔与所述端盖密封孔、所述压裂液排出孔与所述端盖密封孔分别两两相交形成所述球形空间相对应的相贯线。

进一步的，所述相贯线经打磨形成圆弧倒角。

通过采取以上方案，本发明的有益效果是：

在不改变现有油田使用压裂泵液力端通用备件基础上，通过阀箱失效实际数据以及失效位置统计，结合有限元仿真工具的分析结果对液力端阀箱易发生疲劳、应力腐蚀和磨损冲蚀的关键位置进行结构的优化，在液力端阀箱内部引入一球形空间，改变相贯线的形状与走向，相贯线被拉长，有效的减小了关键位置的应力集中程度，通过有限元分析结果对比得知优化后的结构可大幅度的减小关键位置的应力集中程度，因而可以显著延长阀箱的工作寿命。

一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔、压裂液排出孔、柱塞孔和端盖密封孔，所述压裂液吸入孔轴线与所述压裂液排出孔轴线重合或平行，与之垂直分布的所述柱塞孔轴线及所述端盖密封孔轴线重合或平行；所述压裂液吸入孔与所述柱塞孔、所述压裂液排出孔与所述柱塞孔、所述压裂液吸入孔与所述端盖密封孔、所述压裂液排出孔与所述端盖密封孔分别两两相交形成第一相贯线，对所述第一相贯线的一处或几处按照预定轮廓进行切割或打磨以形成拉直的第二相贯线。

进一步的，所述预定轮廓为直线段和其两端的两个圆弧段组合成的线条整体。

进一步的，所述预定轮廓为多个圆弧段组合成的线条整体。

通过采取以上方案，本发明的有益效果是：

将阀箱加工中自然生成的第一相贯线的一处或几处进行加工改造而改变其形状及走向以起到分散应力集中的作用，从而将第一相贯线拉直，改变第一相贯线的形状与走向得到第二相贯线，实现了扩大承受压力面积、减少应力集中水平的效果，提高了阀箱的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为现有的高压柱塞泵液力端外形示意图；

图2附图为图1中液力端阀箱内腔示意图；

图3附图为图2中液力端阀箱内腔截面示意图；

图4附图为图2中液力端阀箱内腔截面示意图；

图5附图为自然生成相贯线(第一相贯线)与加工处理后的相贯线(第一相贯线)形状对比示意图；

图6附图为本发明实施例1中的液力端阀箱内腔示意图；

图7附图为本发明提供的图6中液力端阀箱内腔截面示意图；

图8附图为本发明提供的图6中液力端阀箱内腔截面示意图；

图9附图为本发明提供的图6中形成的相贯线与常规相贯线形状的对比示意图；

图10附图为本发明实施例2中的液力端阀箱内腔示意图；

图11附图为本发明提供的图10中液力端阀箱内腔截面示意图；

图12附图为本发明提供的图10中液力端阀箱内腔截面示意图；

图13附图为本发明提供的图10中形成的相贯线与常规相贯线形状的对比示意图；

图14附图为本发明实施例3中的液力端阀箱内腔截面示意图；

图15附图为本发明提供的预定轮廓示意图；

图16附图为本发明提供的预定轮廓示意图；

图17附图为本发明提供的图14中液力端阀箱内腔空间结构示意图。

图中：1-压裂液吸入孔，2-压裂液排出孔，3-柱塞孔，4-端盖密封孔，5-自然生成的相贯线，6-加工完成的相贯线，13-第一现有应力集中点，14-第二现有应力集中点，23-第三现有应力集中点,24-第四现有应力集中点，131-第一应力集中点，141-第二应力集中点，231-第三应力集中点，241-第四应力集中点，132-第一应力集中点，142-第二应力集中点，232-第三应力集中点，242-第四应力集中点，5A-第一相贯线，6A-常规加工完成的第一相贯线，13A-现有应力集中点，133A-应力集中点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图6所示，本发明实施例公开了一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔1、压裂液排出孔2、柱塞孔3和端盖密封孔4，压裂液吸入孔1轴线与压裂液排出孔2轴线重合或平行，与之垂直分布的柱塞孔3轴线和端盖密封孔4轴线重合或平行，在阀箱内腔开设有延压裂液吸入孔1轴线或压裂液排出孔2轴线方向的规则空间。通过上述技术方案，在不改变现有油田使用压裂泵液力端通用备件基础上，通过阀箱失效实际数据以及失效位置统计，结合有限元仿真工具的分析结果对液力端阀箱易发生疲劳、应力腐蚀和磨损冲蚀的关键位置进行结构的优化，在液力端阀箱内部引入一规则空间，改变相贯线的形状与走向，相贯线被拉长，达到有效减小关键位置应力集中的作用，通过有限元分析结果对比得知优化后的结构可大幅度的减小关键位置的应力集中程度，因而可以显著延长阀箱的工作寿命。

具体的，规则空间为圆柱体或锥体。

具体的，压裂液吸入孔1与柱塞孔3、压裂液排出孔2与柱塞孔3、压裂液吸入孔1与端盖密封孔4、压裂液排出孔2与端盖密封孔4分别两两相交形成规则空间相对应的相贯线。

具体的，相贯线经打磨形成圆弧倒角。

如图7所示，第三应力集中点231、第四应力集中点241的位置对比第三现有应力集中点23、第四现有应力集中点24的位置发生了极大的变化，按照本实施例方案加工的相贯线被拉长，有效的减小了关键位置的应力集中。

如图8所示，第一应力集中点131、第二应力集中点141的位置对比第一现有应力集中点13、第二现有应力集中点14的位置发生了极大的变化，按照本实施例方案加工的相贯线被拉长，有效的减小了关键位置的应力集中。

如图9所示，图中左侧为常规阀箱腔内相贯线的形状与走向，右侧为采取本实施例方案后的相贯线形状与走向，通过对比可知采取本实施例方案后的相贯线能够有效的分散液力端阀箱内腔应力集中区域，起到减小四个关键区域应力集中的作用。

实施例2：

如图10所示，本发明实施例公开了一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔1、压裂液排出孔2、柱塞孔3和端盖密封孔4，压裂液吸入孔1轴线与压裂液排出孔2轴线重合或平行，与之垂直分布的柱塞孔3轴线及端盖密封孔4轴线重合或平行，在阀箱内腔开设有以压裂液吸入孔1轴线、压裂液排出孔2轴线、柱塞孔3轴线和端盖密封孔4轴线中任意两条相正交轴线的交点为基准的球形空间。通过上述技术方案，在不改变现有油田使用压裂泵液力端通用备件基础上，通过阀箱失效实际数据以及失效位置统计，结合有限元仿真工具的分析结果对液力端阀箱易发生疲劳、应力腐蚀和磨损冲蚀的关键位置进行结构的优化，在液力端阀箱内部引入一球形空间，改变相贯线的形状与走向，相贯线被拉长，达到有效减小关键位置应力集中的作用，通过有限元分析结果对比得知优化后的结构可大幅度的减小关键位置的应力集中程度，因而可以显著延长阀箱的工作寿命。

具体的，压裂液吸入孔1与柱塞孔3、压裂液排出孔2与柱塞孔3、压裂液吸入孔1与端盖密封孔4、压裂液排出孔2与端盖密封孔4分别两两相交形成球形空间相对应的相贯线。

具体的，相贯线经打磨形成圆弧倒角。

如图11所示，第三应力集中点232、第四应力集中点242的位置对比第三现有应力集中点23、第四现有应力集中点24的位置发生了极大的变化，按照本实施例方案加工的相贯线被拉长，有效的减小了关键位置的应力集中。

如图12所示，第一应力集中点132、第二应力集中点142的位置对比第一现有应力集中点13、第二现有应力集中点14的位置发生了极大的变化，按照本实施例方案加工的相贯线被拉长，有效的减小了关键位置的应力集中。

如图13所示，图中左侧为常规阀箱腔内相贯线的形状与走向，右侧为采取本实施例方案后的相贯线形状与走向，通过对比可知采取本实施例方案后的相贯线能够有效的分散液力端阀箱内腔应力集中区域，起到减小四个关键区域应力集中的作用。

实施例3：

如图1-4,14所示，本发明实施例公开了一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔1、压裂液排出孔2、柱塞孔3和端盖密封孔4，所述压裂液吸入孔1轴线与所述压裂液排出孔2轴线重合或平行，与之垂直分布的所述柱塞孔3轴线及所述端盖密封孔4轴线重合或平行；所述压裂液吸入孔1与所述柱塞孔3、所述压裂液排出孔2与所述柱塞孔3、所述压裂液吸入孔1与所述端盖密封孔4、所述压裂液排出孔2与所述端盖密封孔4分别两两相交形成第一相贯线5A，对所述第一相贯线5A的一处或几处按照预定轮廓进行切割或打磨以形成拉直的第二相贯线。通过上述技术方案，将阀箱加工中自然生成的第一相贯线5A的一处或几处进行加工改造而改变其形状及走向以起到分散应力集中的作用，从而将第一相贯线5A拉直，改变第一相贯线5A的形状与走向得到第二相贯线，实现了扩大承受压力面积、减少应力集中水平的效果，提高了阀箱的使用寿命。

如图15所示，具体的，所述预定轮廓为直线段和其两端的两个圆弧段组合成的线条整体。

如图16所示，具体的，所述预定轮廓为多个圆弧段组合成的线条整体。

如图17所示，具体的，对第一相贯线5A的现有应力集中点13A按照预定轮廓进行切割或打磨，得到第二相贯线以及应力集中点133A，图6中预定轮廓的直线段或图7中预定轮廓的中间圆弧段可将第一相贯线5A拉直，从而扩大承受压力面积、减少应力集中水平的效果，从而提高阀箱的使用寿命。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔、压裂液排出孔、柱塞孔和端盖密封孔，所述压裂液吸入孔轴线与所述压裂液排出孔轴线重合或平行，与之垂直分布的所述柱塞孔轴线及所述端盖密封孔轴线重合或平行，其特征在于，在所述阀箱内腔开设有延所述压裂液吸入孔轴线或所述压裂液排出孔轴线方向的规则空间。

2.根据权利要求1所述的一种高压柱塞泵液力端阀箱，其特征在于，所述规则空间为圆柱体或锥体。

3.一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔、压裂液排出孔、柱塞孔和端盖密封孔，所述压裂液吸入孔轴线与所述压裂液排出孔轴线重合或平行，与之垂直分布的所述柱塞孔轴线及所述端盖密封孔轴线重合或平行，其特征在于，在所述阀箱内腔开设有以所述压裂液吸入孔轴线、所述压裂液排出孔轴线、所述柱塞孔轴线和所述端盖密封孔轴线中任意两条相正交轴线的交点为基准的球形空间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高压柱塞泵液力端阀箱，其特征在于，所述压裂液吸入孔与所述柱塞孔、所述压裂液排出孔与所述柱塞孔、所述压裂液吸入孔与所述端盖密封孔、所述压裂液排出孔与所述端盖密封孔分别两两相交形成所述规则空间相对应的相贯线。

5.根据权利要求4所述的一种高压柱塞泵液力端阀箱，其特征在于，所述相贯线经打磨形成圆弧倒角。

6.一种高压柱塞泵液力端阀箱，该阀箱具有内腔相连通的压裂液吸入孔、压裂液排出孔、柱塞孔和端盖密封孔，所述压裂液吸入孔轴线与所述压裂液排出孔轴线重合或平行，与之垂直分布的所述柱塞孔轴线及所述端盖密封孔轴线重合或平行；所述压裂液吸入孔与所述柱塞孔、所述压裂液排出孔与所述柱塞孔、所述压裂液吸入孔与所述端盖密封孔、所述压裂液排出孔与所述端盖密封孔分别两两相交形成第一相贯线，其特征在于，对所述第一相贯线的一处或几处按照预定轮廓进行切割或打磨以形成拉直的第二相贯线。

7.根据权利要求6所述的一种高压柱塞泵液力端阀箱，其特征在于，所述预定轮廓为直线段和其两端的两个圆弧段组合成的线条整体。

8.根据权利要求6所述的一种高压柱塞泵液力端阀箱，其特征在于，所述预定轮廓为多个圆弧段组合成的线条整体。

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