石油矿场机械/Ls-Dyna的压裂泵泵阀强度分析吴高峰周思柱王峻乔2，吴汉川2(1.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023;2.中国石化集团江汉石油管理局第四石油机械厂，湖北荆州434023)限元分析软件中Ls-Dyna模块，模拟100MPa高压环境下阀盘以一定速度冲击阀座的整个过程对泵阀进行静力以及显示动力下应力、应变分析，找出泵阀的失效原因，为改进泵阀提供了理论依据。

　　高压是压裂泵不同于钻井泵的重要方面。某地区4000m井深要求压裂泵工作压力100 MPa导致泵阀难以完成一次作业(2.5h)就损坏1131.本文米用Ansys/Ls-Dyna软件对泵阀关闭过程进行静力和显示动力分析，分析了泵阀在高压条件下的承载能力，找出失效原因，为提高泵阀使用寿命提供了理论基础。

　　1静力分析1.1结构及受力压裂泵泵阀结构如。当泵阀关闭后，阀盘受到重力G弹簧拉力Ft和液体的压力差作用力F1―F2，由力学平衡原理可知1.2建立分析模型泵阀在关闭的状态之下，阀盘工作面与阀座工作面接触，是典型的接触问题。因此，泵阀工作面的应力、应变是分析重点。为使分析结论更接近实际的恶劣工况，在此没有考虑橡胶密封圈。阀盘在不考虑导向爪时，其结构和受载均是对称的，所以取泵阀的1/4结构进行分析。建立的分析模型如基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目“2500HP大型数控成套压裂装备研制”(2009AA063601)资助：：吴高峰986-)，男，江酿乡人，硕士研究生研究方向是机械结构与强度。啊土http://wwxnki.net ~3.材料参数如表1.行分析，阀盘、阀座变形如，应力云图如。

　　表1某压裂泵泵阀材料参数材料弹性模量/GPa泊松比密度/屈服极限/MPa阀盘和阀座有限元模型阀盘和阀座接触定义1.3施加载荷和边界条件及计算结果鉴于所建泵阀分析模型结构的特殊性，对阀盘截面位置进行径向约束，阀座与箱体接触，y方向位移为零。根据前面静力分析理论可知，阀盘上部受液体压力作甩压力为100MPa阀盘、阀座选择阀盘和阀座变形云图阀盘和阀座应力云显示动力分析2.1理论基础Ls―Dyna米用中心差分法来进行时间积分，在已知1，tn时间步的情况下，求解时间步的解，运动方程为漏阻力;F111(为内力矢量，为单元内力与接触内力之和。F'表达式为(t)X)，施加相应的边界条件和后进积分，极大节省存储空间和求解时间2.2建立模型导向爪在关闭过程中对阀盘、阀座强度的影响较小，同时橡胶圈的缓冲作用增强了泵阀的承受能力。采用solid164单元对泵阀进行实体建模，如。

　　显示动力分析模型2.3载荷和边界条件及计算结果泵阀在关闭时，受到自身重力、弹簧拉力及较小的流体压力差的作用，阀盘以一定的速度(取150m/s)向阀座运动，与阀座发生碰撞。阀座下端面轴向位移为零，阀座1/4截面径向位移为零，利用Ls-Dyna求解器计算出的阀盘碰撞阀座的应力变化在碰撞后2X 10+3ms时刻的应力云图如，大应力达900MPa，阀座与阀盘下锥面应力为750MPa.阀盘碰撞阀座2X103ms时刻的应力云综合分析综合静力、动力分析可知，泵阀在关闭过程中，阀盘对阀座的冲击对泵阀强度的影响远大于静力作用。在静压作用下阀盘关闭后泵阀大应力为393MPa在泵阀材料的屈服极限内。在泵阀冲击过程中，锥面下端出现的大局部应力为750MPa小于材料的屈服极限，是安全的。锥面上端出现大局部应力达到900MPa，即锥面处出现的应力集中更易使得橡胶圈磨损，这一点与实际上橡胶圈出现严重的变形相一致，同时也是泵阀橡胶圈失效的原因。

　　4结论泵阀进行静态、动态的仿真计算，求解出泵阀在静力作用和冲击过程中出现的大局部应力。

　　压裂泵泵阀锥面上端局部应力过大是导致泵阀橡胶密封圈过度磨损以至泵阀失效的原因。

　　增强橡胶密封圈的性能，选择强度更高的材料，设计新型的泵阀结构是提高压裂泵泵阀使用寿命的有效方法。