高壓柱塞泵的液力端的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于油田生產(chǎn)設(shè)備，具體為一種高壓柱塞泵的液力端。本發(fā)明提供一種高壓柱塞泵的液力端結(jié)構(gòu)，其包括以吸入凡爾孔、排出凡爾孔、柱塞孔和堵蓋孔組成的內(nèi)腔。前兩孔的中心線(xiàn)相互平行，且垂直于后兩孔的中心線(xiàn)，每個(gè)內(nèi)腔的四條中心線(xiàn)所形成的平面為該內(nèi)腔的中心面。在液力端閥箱內(nèi)腔由吸入凡爾孔、柱塞孔、堵蓋孔和排出凡爾孔等構(gòu)成的相貫區(qū)域，由直線(xiàn)沿著特定的曲線(xiàn)軌跡掃過(guò)形成直紋面過(guò)渡結(jié)構(gòu)，降低該區(qū)域的應(yīng)力和改善其流體流動(dòng)特性，提高液力端的抗疲勞和抗磨損沖蝕性能。同時(shí)，增大液力端閥箱的左右兩側(cè)壁厚與其相鄰的柱塞間距的比值，可以有效地改變相鄰內(nèi)腔關(guān)鍵區(qū)域的變形和應(yīng)力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)液力端的使用壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高壓柱塞泵的液力端
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專(zhuān)利屬于油田生產(chǎn)設(shè)備，具體為一種高壓柱塞泵的液力端。
【背景技術(shù)】
[0002]從1947年被首次使用，水力壓力技術(shù)逐漸成為油田的主要增產(chǎn)措施，特別是過(guò)去的二十年期間在北美成功地得到了廣泛應(yīng)用。在高壓作用下將壓裂液泵送到井底，實(shí)現(xiàn)壓裂地層，從而實(shí)現(xiàn)增加油氣產(chǎn)量。該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分是產(chǎn)生高壓的往復(fù)式高壓柱塞泵，主要由動(dòng)力端和液力端兩部分組成。動(dòng)力端主要是將驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),而連接著柱塞的液力端主要是通過(guò)柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和閥門(mén)的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)其內(nèi)腔體積的周期性變化。液力端主要是由閥箱、凡爾及凡爾座、柱塞、密封盤(pán)根、彈簧和彈簧座等組成。閥箱是由吸入凡爾孔、排出凡爾孔、柱塞孔和堵蓋孔等組成。在吸入沖程，柱塞沿著柱塞孔抽出，閥箱內(nèi)腔的壓力迅速下降，使吸入閥開(kāi)啟，吸入閥內(nèi)外的壓差導(dǎo)致液體迅速進(jìn)入閥箱內(nèi)腔；在排出沖程，吸入凡爾關(guān)閉，流體壓力逐漸增大，直至排出凡爾開(kāi)啟，將流體泵送進(jìn)聞壓排出管匯。
[0003]隨著柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，閥箱經(jīng)歷周期性應(yīng)力變化。含有砂子、化學(xué)添加劑、泥漿或是水泥漿等流體在高壓作用下被泵送到井下。化學(xué)物質(zhì)可提高地層的制造裂縫的能力，而礫石等支撐劑則是用于支撐裂縫，防止其在壓力卸載后閉合，從而保持油氣通道的暢通，但是這些添加物也加劇了在重載工況下閥箱等部件的損害，為高壓柱塞泵的制造商提出了新挑戰(zhàn)。在循環(huán)液壓載荷作用下，由高強(qiáng)度鋼鍛件組成的閥箱常在相貫孔區(qū)域萌生疲勞裂紋。同時(shí)，在作業(yè)過(guò)程中，液力端的相貫區(qū)域還會(huì)觀察到嚴(yán)重的磨損。
[0004]伴隨全球能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化，頁(yè)巖氣和致密油等非常規(guī)能源逐漸發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，因此對(duì)壓裂技術(shù)的發(fā)展提出更高的要求，如高壓柱塞泵具有更高壓力及更大排量的泵送能力。對(duì)傳統(tǒng)的豎直井僅進(jìn)行一兩段壓裂，壓裂壓力通常不超過(guò)10000 psi，此階段的低壓力和短時(shí)間作業(yè)特征對(duì)高壓泵送系統(tǒng)的要求較低。但是，隨著非常規(guī)能源的開(kāi)發(fā)(如美國(guó)Barnett Shale和Haynesville Shale),如水平井技術(shù)等使壓裂液的泵送環(huán)境變得更加惡劣。壓裂作業(yè)需要使用更高的壓力(高達(dá)15000 psi)和更長(zhǎng)的作業(yè)時(shí)間(如連續(xù)一周時(shí)間)，這些將加劇高壓泵送系統(tǒng)部件的損壞，特別是液力端閥箱在周期性高壓作用下發(fā)生疲勞失效和磨損等。因此，高壓柱塞泵的制造者都在尋找在復(fù)雜環(huán)境下延長(zhǎng)柱塞泵使用壽命的方法。
[0005]為了提高高壓柱塞泵的可靠性，主要是通過(guò)液力端閥箱的材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)提高其抵抗疲勞失效的能力。疲勞過(guò)程是指材料在周期性的循環(huán)載荷作用下，內(nèi)部局部區(qū)域逐漸形成累積的結(jié)構(gòu)損傷，且材料通常是在遠(yuǎn)低于其斷裂強(qiáng)度的應(yīng)力水平發(fā)生疲勞失效。材料的失效過(guò)程依賴(lài)于循環(huán)應(yīng)力水平、結(jié)構(gòu)、表面完整性、殘余應(yīng)力及環(huán)境(如溫度、空氣或真空等)。疲勞壽命與應(yīng)力水平的關(guān)系可以近似用Basquin方程進(jìn)行描述:，其中5；是有效應(yīng)力幅，冬是失效時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)周次d和A是擬合參數(shù)U>0且沒(méi)〈O)。當(dāng)施加的載荷5；增大時(shí)，失效對(duì)應(yīng)的循環(huán)周次將冬減小。因此，非常規(guī)能源開(kāi)發(fā)需要更高的泵送壓力將會(huì)加劇泵送系統(tǒng)的疲勞失效。其次，液力端閥箱的快速失效還與幾何結(jié)構(gòu)決定的應(yīng)力集中系數(shù)密切相關(guān)。正是由于應(yīng)力集中系數(shù)(K)的放大效應(yīng)，液力端的閥箱在遠(yuǎn)低于其疲勞極限(如4330鋼的疲勞極限為100,000 psi)的工作壓力下0°小于20000 psi)常發(fā)生疲勞失效，這是由于在失效區(qū)域的真實(shí)應(yīng)力水平5； (.=KXP)接近該材料的疲勞極限。
[0006]在油田的使用過(guò)程中，高壓泵送系統(tǒng)如高壓柱塞泵的失效會(huì)帶來(lái)巨大的影響。首先，在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)更換和維修液力端造成的非作業(yè)時(shí)間，將增加油田服務(wù)公司運(yùn)行成本。其次，為保證可持續(xù)運(yùn)行，用戶(hù)需要在現(xiàn)場(chǎng)備份大量的泵送設(shè)備，這不利于現(xiàn)在減小井場(chǎng)作業(yè)面積的趨勢(shì)。因此，最佳的解決方案是直接提高柱塞泵等產(chǎn)品的使用壽命、可靠性和可預(yù)測(cè)性等。對(duì)于液力端閥箱，以前都是通過(guò)改變相貫孔區(qū)域的圓弧過(guò)渡或是使用Y型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)降低關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力水平；或是通過(guò)自增強(qiáng)處理或是噴丸處理，在閥箱內(nèi)腔形成壓應(yīng)力層，從而降低內(nèi)腔關(guān)鍵區(qū)域的有效拉應(yīng)力。但是這些方案都無(wú)法滿(mǎn)意地解決閥箱的壽命短的問(wèn)題，或是解決一個(gè)問(wèn)題而又引入了另外的困難。如噴丸處理產(chǎn)生的壓應(yīng)力層深較淺，在使用過(guò)程中會(huì)被快速磨損，同時(shí)可能增加閥箱內(nèi)壁的粗糙度；自增強(qiáng)處理需要遠(yuǎn)高于工作壓力的液壓對(duì)閥箱進(jìn)行處理，可能會(huì)造成一些不可避免的損傷等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種柱塞泵液力端的閥箱，對(duì)往復(fù)式柱塞泵的閥箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低閥箱關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力水平和提高該區(qū)域的抵抗磨損沖蝕能力，從而提升柱塞泵閥箱的服役壽命。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供的方案是:一種高壓柱塞泵的液力端，該液力端的閥箱通過(guò)柱塞與動(dòng)力端相連接，閥箱具有與內(nèi)腔連通的吸入凡爾孔、排出凡爾孔、柱塞孔和堵蓋孔，所述吸入凡爾孔的中心線(xiàn)為第一中心線(xiàn)，排出凡爾孔的中心線(xiàn)為第二中心線(xiàn)，所述柱塞孔的中心線(xiàn)為第三中心線(xiàn)，所述堵蓋孔的中心線(xiàn)為第四中心線(xiàn)，第一中心線(xiàn)與第二中心線(xiàn)重合或平行,第三中心線(xiàn)與第四中心線(xiàn)重合或平行,第一中心線(xiàn)和第二中心線(xiàn)與第三中心線(xiàn)和第四中心線(xiàn)垂直且共面；所述吸入凡爾孔與柱塞孔、排出凡爾孔與柱塞孔、吸入凡爾孔與堵蓋孔、排出凡爾孔與堵蓋孔的兩兩相交區(qū)域均為直紋面過(guò)渡區(qū)域。
[0009]而且，所述直紋面的母線(xiàn)為直線(xiàn)，該母線(xiàn)與第一中心線(xiàn)的夾角為25°?65°。
[0010]而且，所述直紋面的母線(xiàn)軌跡為圓弧形，或母線(xiàn)軌跡為橢圓弧形且長(zhǎng)軸與內(nèi)腔的中心面垂直，或母線(xiàn)軌跡為兩段相交的圓弧且兩圓弧中心的連線(xiàn)與內(nèi)腔的中心面垂直。
[0011]而且，所述直紋面是母線(xiàn)為曲線(xiàn)的準(zhǔn)直紋面。所述直紋面的母線(xiàn)在打磨和拋光等加工過(guò)程中可形成為曲線(xiàn)，且該曲線(xiàn)的曲率半徑不小于15毫米。
[0012]而且，所述直紋面延伸至相鄰的柱塞孔、吸入凡爾孔、排出凡爾孔及堵蓋孔中。
[0013]而且，所述吸入凡爾孔的內(nèi)壁垂直于柱塞孔和堵蓋孔，或，所述吸入凡爾孔的內(nèi)壁有凸起，形成用于設(shè)置凡爾彈簧卡座的倒椎孔結(jié)構(gòu)。
[0014]本發(fā)明提供的另一個(gè)方案是:一種高壓柱塞泵的液力端，該液力端的閥箱通過(guò)柱塞與動(dòng)力端相連接，閥箱具有與內(nèi)腔連通的吸入凡爾孔、排出凡爾孔、柱塞孔和堵蓋孔，所述吸入凡爾孔的中心線(xiàn)為第一中心線(xiàn),排出凡爾孔的中心線(xiàn)為第二中心線(xiàn),所述柱塞孔的中心線(xiàn)為第三中心線(xiàn),所述堵蓋孔的中心線(xiàn)為第四中心線(xiàn),第一中心線(xiàn)與第二中心線(xiàn)重合或平行，第三中心線(xiàn)與第四中心線(xiàn)重合或平行，第一中心線(xiàn)和第二中心線(xiàn)與第三中心線(xiàn)和第四中心線(xiàn)垂直且共面；所述液力端靠近動(dòng)力端的平面為前平面，該前平面垂直于柱塞孔的中心線(xiàn)；所述液力端的左、右側(cè)面垂直于前平面；所述閥箱包括多個(gè)并列設(shè)置的單元閥，每個(gè)單元閥均包括一套與內(nèi)腔連通的所述吸入凡爾孔、排出凡爾孔、柱塞孔和堵蓋孔，且每個(gè)柱塞孔的中心線(xiàn)相互平行，相鄰柱塞孔之間的距離相等；所述液力端的左和/或右側(cè)面到相鄰柱塞孔的距離與兩相鄰柱塞孔之間的距離比值為0.6^1.0，。
[0015]而且，所述包含多個(gè)單元閥的閥箱是整體式結(jié)構(gòu)，或，每個(gè)單元閥是獨(dú)立的分體閥箱，每相鄰兩個(gè)分體閥箱通過(guò)連接桿連接。
[0016]而且，所述左側(cè)面和/或右側(cè)面是完整平面或部分平面。
[0017]本發(fā)明在不改變現(xiàn)有油田使用高壓柱塞泵液力端的相關(guān)配件基礎(chǔ)上，對(duì)液力端閥箱的易發(fā)生疲勞、應(yīng)力腐蝕和磨損沖蝕的 相貫孔關(guān)鍵區(qū)域和在閥箱的整體構(gòu)型方面進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)在內(nèi)腔的相貫孔區(qū)域形成直紋面過(guò)渡區(qū)域可以有效地改善該區(qū)域的流體流動(dòng)特性，并降低其有效循環(huán)應(yīng)力水平；其次，增大閥箱兩側(cè)壁厚與柱塞間距的比值，可以有效地約束相鄰內(nèi)腔關(guān)鍵區(qū)域的變形和應(yīng)力狀態(tài)，這些都可以顯著延長(zhǎng)閥箱在油田惡劣工況下的服役壽命。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為油田使用的典型三缸往復(fù)式高壓柱塞泵的示意圖。
[0019]圖2為三缸液力端的放大圖。
[0020]圖3為往復(fù)式柱塞泵的截面圖。
[0021]圖4為高壓柱塞泵的液力端閥箱截面示意圖一。
[0022]圖5為高壓柱塞泵的液力端閥箱截面示意圖二。
[0023]圖6為液力端閥箱內(nèi)腔的相貫孔區(qū)域直紋面的示意圖。
[0024]圖7為相貫孔過(guò)渡區(qū)域的直紋面示意圖。
[0025]圖8是圖7中H-H方向的實(shí)施例一截面圖。
[0026]圖9是圖7中H-H方向的實(shí)施例二截面圖。
[0027]圖10是圖7中H-H方向的實(shí)施例三截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0029]本文僅使用三缸柱塞泵作為一個(gè)典型代表，柱塞泵可以拓展到含有更多柱塞孔的型號(hào)，如五缸泵等。圖1是往復(fù)式三缸柱塞泵10的三維示意圖，由動(dòng)力端12和液力端14組成，三個(gè)柱塞孔的中心線(xiàn)分別為22A-22C，相應(yīng)在該柱塞孔做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞編號(hào)分別為14A-14C。
[0030]圖2為往復(fù)式三缸柱塞泵的液力端14示意圖。液力端主要包括閥箱20及相關(guān)配件。閥箱20主要包括前平面24，左平面26和右平面28等，在前平面24中分布著三個(gè)柱塞孔，其中心線(xiàn)分別為22A-22C，從左至右中心線(xiàn)22A與22B，22B與22C之間的距離分別標(biāo)示為210和212，210和212由動(dòng)力端的柱塞驅(qū)動(dòng)單元間距決定，通常柱塞間距相等。同時(shí)，左柱塞孔中心線(xiàn)22A與左平面26的距離為214，右柱塞孔中心線(xiàn)22C與右平面28的距離為216。[0031]圖3為往復(fù)柱塞泵10的詳細(xì)二維示意圖，其中動(dòng)力端12通過(guò)連桿302與液力端14連接。其中液力端14是沿著圖2的A-A方向的截面示意圖。液力端的閥箱20包括多個(gè)內(nèi)腔304，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里僅使用一個(gè)典型的橫截面示意。閥箱20包括用于安裝凡爾體306的吸入凡爾孔308，安裝凡爾體312的排出凡爾孔314，安裝柱塞14B的柱塞孔318和安裝堵蓋的堵蓋孔320。當(dāng)吸入凡爾體306開(kāi)啟時(shí)，泵送流體從吸入管匯310流到吸入孔308 ;當(dāng)排出凡爾體312開(kāi)啟時(shí)，泵送流體通過(guò)高壓排除口泵出到井口設(shè)備。柱塞孔318和堵蓋孔320的中心線(xiàn)分別為20B和322，二者重合或是相互平行；吸入凡爾孔308和排出凡爾孔314的中心線(xiàn)分別為324和326，二者重合或相互平行；中心線(xiàn)20B和322與中心線(xiàn)324和326相垂直，且四條中心線(xiàn)是共面的。液力端閥箱的四個(gè)相貫孔308，314，318和320共同組成了內(nèi)腔304，該相貫孔設(shè)計(jì)由于結(jié)構(gòu)緊湊而被廣泛采用。但是，這種緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一些關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力集中會(huì)引起閥箱的疲勞和應(yīng)力腐蝕失效。
[0032]同時(shí)，如圖3所示，液力端14實(shí)現(xiàn)提高泵送流體壓力的功能是通過(guò)動(dòng)力端12驅(qū)動(dòng)柱塞14B的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力端12包括主軸350及驅(qū)動(dòng)主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齒輪箱。十字頭352安裝在動(dòng)力端的十字頭缸套中，并通過(guò)連桿358與柱塞14B連接，該機(jī)構(gòu)將主軸350的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成十字頭352及柱塞14B水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在有些實(shí)施案例中，由于柱塞泵空間的制約，將不采用連桿358，而是將柱塞14B直接連在十字頭352上。柱塞泵14B在裝有盤(pán)根360的柱塞孔318中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液力端閥箱的內(nèi)腔304體積和內(nèi)部壓力周期性變化。當(dāng)柱塞14B沿水平方向往外運(yùn)動(dòng)時(shí)(吸入沖程)，閥箱內(nèi)腔的壓力降低，在內(nèi)外腔的壓力差作用下，逐漸克服吸入凡爾彈簧362作用力，使吸入閥306開(kāi)啟，泵送液體由吸入管匯310進(jìn)入并充滿(mǎn)內(nèi)腔304 ;當(dāng)柱塞14B沿水平方向往內(nèi)腔運(yùn)動(dòng)時(shí)(排出沖程)，內(nèi)腔流體壓力逐漸增大，并超過(guò)排出高壓管匯316的壓力，足以克服排出凡爾彈簧364阻力而使排出閥312開(kāi)啟。
[0033]在每個(gè)吸入-排出周期，液力端閥箱20會(huì)相應(yīng)地經(jīng)歷一次低壓-高壓循環(huán)。假設(shè)頻率為2赫茲，液力端14將在非常短的作業(yè)時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷大量地循環(huán)周次，如每天接近20萬(wàn)次應(yīng)力循環(huán)。其次，由于泵送流體中含有礫石、水泥漿或是化學(xué)添加物，這些高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕和重磨損作業(yè)工況會(huì)加劇液力端閥箱的疲勞和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等失效過(guò)程。解決方案包括改變液力端閥箱相貫孔區(qū)域的圓弧過(guò)渡或是使用Y型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)降低關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力水平；或是通過(guò)自增強(qiáng)處理或是噴丸處理，在閥箱內(nèi)腔形成壓應(yīng)力層，從而降低內(nèi)腔關(guān)鍵區(qū)域的有效拉應(yīng)力。
[0034]本實(shí)施例提供一種高壓柱塞泵的液力端，如圖4至圖6所示，該方法的主要特征是在液力端閥箱20的相貫孔區(qū)域引入一些作為過(guò)渡區(qū)域的直紋面，降低閥箱的相貫孔等關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力水平，從而最大限度地減輕或消除內(nèi)腔304附近關(guān)鍵區(qū)域在循環(huán)載荷作用下的損傷。為了描述簡(jiǎn)單清晰，圖4中不包括一些配件(如凡爾、柱塞和盤(pán)根等)，而主要示意液力端閥箱20的典型橫截面，這里示意的多組相貫孔可以代表任何的三缸或五缸等多缸柱塞泵液力端閥箱。吸入凡爾孔308的中心線(xiàn)為324，與排出凡爾孔314的中心線(xiàn)326平行或重合，與這些豎直孔相垂直的水平孔包括柱塞孔318和堵蓋孔320，其中心線(xiàn)分別為20B和322。上述四條中心線(xiàn)324、326、20B和322共面，為相貫孔形成內(nèi)腔的中心面。在吸入沖程，泵送液體從吸入凡爾孔308進(jìn)入堵蓋孔320、柱塞孔318和排出凡爾孔314。液力端閥箱在服役過(guò)程中常見(jiàn)的失效部位為相貫孔區(qū)域，如吸入凡爾孔308和柱塞孔318的相交區(qū)域402、柱塞孔318和排出凡爾孔314的相交區(qū)域404、排出凡爾孔314和堵蓋孔320的相交區(qū)域406及堵蓋孔320和吸入凡爾孔314的相交區(qū)域408。其中相交區(qū)域402和408為圓形的倒椎孔結(jié)構(gòu)，主要是用于凡爾彈簧座370的安裝(如圖3)，防止其在吸入閥的開(kāi)關(guān)過(guò)程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)或是上下運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明引入的降低相貫區(qū)域應(yīng)力水平的方法即為在相貫區(qū)域402、404、406和408附近根據(jù)特定的軌跡形成直紋面，從而減小應(yīng)力集中。在402區(qū)域形成的直紋面422是由直線(xiàn)412沿著特定的曲線(xiàn)軌跡(如圖6所示)掃描獲得的，直線(xiàn)412與排出凡爾孔中心線(xiàn)324成夾角432 ;在404區(qū)域形成的直紋面424是由直線(xiàn)414沿著特定的曲線(xiàn)軌跡掃描獲得的，其中直線(xiàn)414與中心線(xiàn)324成一定夾角434 ;在406區(qū)域形成的直紋面426是由直線(xiàn)416沿著特定的曲線(xiàn)軌跡掃描獲得的，其中直線(xiàn)416與中心線(xiàn)324成一定夾角436 ;在408區(qū)域形成的直紋面428是由直線(xiàn)418沿著特定的曲線(xiàn)軌跡掃描獲得的，其中直線(xiàn)418與中心線(xiàn)324成一定夾角438。這些直線(xiàn)412、414、416、418與中心線(xiàn)324形成的夾角432、434、436、438的范圍介于25度和65度之間。
[0035]如圖5所示，在與柱塞孔318和堵蓋孔320相交區(qū)域402和408，吸入凡爾孔308的內(nèi)壁為垂直的圓柱面。與圖4所示的實(shí)施例不同，有限元分析結(jié)果顯示，與柱塞孔和堵蓋孔相垂直的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)在相貫區(qū)域可以得到更低的應(yīng)力水平。
[0036]在高壓柱塞泵的液力端閥箱的相貫孔區(qū)域形成直紋面的過(guò)渡結(jié)構(gòu)可以有效降低其應(yīng)力水平，但是效果依賴(lài)于形成直紋面的掃描曲線(xiàn)軌跡，如圖6所示。圖6A是液力端閥箱20的相貫孔區(qū)域所形成的直紋面三維示意圖，分別編號(hào)為422，424，426和428。在這些相貫孔區(qū)域形成的直紋面過(guò)渡區(qū)域可以有效增加液壓流體的承載面積，從而減小了相貫孔區(qū)域的應(yīng)力集中。圖7為液力端閥箱20形成了直紋面后的橫截面示意圖。圖8?圖10所示分別對(duì)應(yīng)幾種形成直紋面的掃描曲線(xiàn)軌跡。注意，這里雖然對(duì)本發(fā)明的一些特定情形進(jìn)行了細(xì)致的描述，但是該發(fā)明涉及的方法及案例不僅限于在此所做的一些變量描述。圖8?圖10是沿著圖7中的H-H方向的橫截面示意圖，這里以吸入凡爾孔308-堵蓋孔320的相貫區(qū)域408和排出凡爾孔314-堵蓋孔320的相貫區(qū)域406為例，其他相貫區(qū)域402、和404與其類(lèi)似。
[0037]如圖8所示，在吸入孔-堵蓋孔的相貫區(qū)域408附近，以典型的圓弧曲線(xiàn)618作為軌跡掃描得到直紋面428 ;而在排出凡爾孔314-堵蓋孔320的相貫區(qū)域406附近，以典型圓弧曲線(xiàn)616作為軌跡掃描得到直紋面426。
[0038]如圖9所示，在吸入孔-堵蓋孔的相貫區(qū)域408附近，以典型的兩條相交圓弧構(gòu)成的曲線(xiàn)628作為軌跡掃描得到直紋面428 ;而在排出凡爾孔314-堵蓋孔320的相貫區(qū)域406附近，以典型的兩條相交圓弧構(gòu)成的曲線(xiàn)626作為軌跡掃描得到直紋面426。
[0039]如圖10所示，在吸入孔-堵蓋孔的相貫區(qū)域408附近，以典型的橢圓弧曲線(xiàn)638作為軌跡掃描得到直紋面428 ;而在排出凡爾孔314-堵蓋孔320的相貫區(qū)域406附近，以典型橢圓弧曲線(xiàn)636作為軌跡掃描得到直紋面426。
[0040]注意在上述實(shí)施例中，相貫孔區(qū)域402、404、406和408附近分別形成直紋面422、424、426和428等過(guò)渡區(qū)域，這些直紋面形成了相交直孔之間的過(guò)渡。而直紋面與相鄰直孔之間過(guò)渡區(qū)域可以打磨成圓弧過(guò)渡，減小這些過(guò)渡區(qū)域局部的應(yīng)力和改善該區(qū)域在吸入排出循環(huán)周期的流體流動(dòng)特征，這種設(shè)計(jì)構(gòu)型可以有效地延長(zhǎng)液力端閥箱的使用壽命。其次，在同一液力端閥箱的內(nèi)腔，上述直紋面422、424、426和428可以是通過(guò)沿著不同類(lèi)型曲線(xiàn)軌跡掃描得到，并且進(jìn)行自由組合，從而達(dá)到最佳效果。
[0041]同時(shí)，在上述實(shí)施例中，由直線(xiàn)412、414、416和418沿著特定的曲線(xiàn)軌跡掃描得到直紋面，可以進(jìn)一步拓展到由“準(zhǔn)直線(xiàn)”沿著特定軌跡掃描得到“準(zhǔn)直紋面”，或是在機(jī)加工及打磨過(guò)程中形成復(fù)雜的曲線(xiàn)軌跡，但是這些曲線(xiàn)的曲率半徑不低于15毫米。
[0042]另外，現(xiàn)有技術(shù)主要是對(duì)液力端閥箱20進(jìn)行“自增強(qiáng)”處理或是通過(guò)一個(gè)穿透閥箱的拉桿對(duì)其施壓兩側(cè)約束，從而提高其抵抗疲勞失效的阻力。這些方法的效果顯著依賴(lài)于一些參數(shù)，如自增強(qiáng)壓力和施加拉桿拉力的扭矩等，如果未能合理施加這些參數(shù)可能會(huì)對(duì)閥箱本身造成損壞。系統(tǒng)的有限元計(jì)算結(jié)果顯示，合理增加兩側(cè)壁厚可以有效降低相貫孔區(qū)域的應(yīng)力水平和延長(zhǎng)其服役壽命，通過(guò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和厚度優(yōu)化，在基本不改變相應(yīng)配件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上達(dá)到提升液力端的服役可靠性。
[0043]本實(shí)施例還提供一種高壓柱塞泵的液力端，增加液力端閥箱20左右兩側(cè)的壁厚，提高兩側(cè)外壁對(duì)內(nèi)腔關(guān)鍵區(qū)域的幾何約束效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)提高油田使用的高壓柱塞泵液力端使用壽命。如圖2所示，以三缸泵的液力端閥箱20為例，從左至右的柱塞孔的中心線(xiàn)分別為22A-22C，它們分布在同一平面上。中心線(xiàn)22A和22B的距離為210，中心線(xiàn)22B和22C的距離為212，二者相等；左側(cè)柱塞孔中心線(xiàn)22A與左側(cè)平面26之間的距離為左側(cè)壁厚214，右側(cè)柱塞孔22C與右側(cè)平面28的距離為右側(cè)壁厚216，左右兩側(cè)壁厚214和216與柱塞孔的中心線(xiàn)距離210成比例?，F(xiàn)有油田使用的往復(fù)式高壓柱塞泵液力端的左右兩側(cè)壁厚與柱塞孔中心距的比例范圍為0.4-0.6，也就是說(shuō)，液力端閥箱的兩側(cè)壁厚約為中間壁厚的一半。這里，本發(fā)明介紹通過(guò)增加兩側(cè)壁厚與中間壁厚的比值的方法，如增大外側(cè)壁厚214或216與內(nèi)壁厚210、212的比值到范圍0.6-1.0。
[0044]上述增加內(nèi)外側(cè)壁厚比例的方法同樣適用于其他的多缸往復(fù)式柱塞泵，如五缸泵液力端等。同時(shí)，增加左右兩側(cè)壁厚的約束方法還適用于由吸入凡爾孔、排出凡爾孔和柱塞孔構(gòu)成Y型液力端閥箱。
[0045]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)或變形，這些改進(jìn)或變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓柱塞泵的液力端，該液力端的閥箱通過(guò)柱塞與動(dòng)力端相連接，閥箱具有與內(nèi)腔連通的吸入凡爾孔、排出凡爾孔、柱塞孔和堵蓋孔，其特征在于:所述吸入凡爾孔的中心線(xiàn)為第一中心線(xiàn)，排出凡爾孔的中心線(xiàn)為第二中心線(xiàn)，所述柱塞孔的中心線(xiàn)為第三中心線(xiàn)，所述堵蓋孔的中心線(xiàn)為第四中心線(xiàn)，第一中心線(xiàn)與第二中心線(xiàn)重合或平行，第三中心線(xiàn)與第四中心線(xiàn)重合或平行，第一中心線(xiàn)和第二中心線(xiàn)與第三中心線(xiàn)和第四中心線(xiàn)垂直且共面；所述吸入凡爾孔與柱塞孔、排出凡爾孔與柱塞孔、吸入凡爾孔與堵蓋孔、排出凡爾孔與堵蓋孔的兩兩相交區(qū)域均為直紋面過(guò)渡區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓柱塞泵的液力端，其特征在于:所述直紋面的母線(xiàn)為直線(xiàn)，該母線(xiàn)與第一中心線(xiàn)的夾角為25°~65。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓柱塞泵的液力端，其特征在于:所述直紋面的母線(xiàn)軌跡為圓弧形，或母線(xiàn)軌跡為橢圓弧形且長(zhǎng)軸與內(nèi)腔的中心面垂直，或母線(xiàn)軌跡為兩段相交的圓弧且兩圓弧中心的連線(xiàn)與內(nèi)腔的中心面垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓柱塞泵的液力端，其特征在于:所述直紋面是母線(xiàn)為曲線(xiàn)的準(zhǔn)直紋面，且該母線(xiàn)的曲率半徑不小于15毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的高壓柱塞泵的液力端，其特征在于:所述直紋面延伸至相鄰的柱塞孔、吸入凡爾孔、排出凡爾孔及堵蓋孔中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓柱塞泵的液力端，其特征在于:所述吸入凡爾孔的內(nèi)壁垂直于柱塞孔和堵蓋孔，或，所述吸入凡爾孔的內(nèi)壁有凸起，形成用于設(shè)置凡爾彈簧卡座的倒椎孔結(jié)構(gòu)。
7.一種高壓柱塞泵的液力端，該液力端的閥箱通過(guò)柱塞與動(dòng)力端相連接，閥箱具有與內(nèi)腔連通的吸入凡爾孔、排出凡爾孔、柱塞孔和堵蓋孔，其特征在于:所述吸入凡爾孔的中心線(xiàn)為第一中心線(xiàn)，排出凡爾孔的中心線(xiàn)為第二中心線(xiàn)，所述柱塞孔的中心線(xiàn)為第三中心線(xiàn)，所述堵蓋孔的中心線(xiàn)為第四中心線(xiàn)，第一中心線(xiàn)與第二中心線(xiàn)重合或平行，第三中心線(xiàn)與第四中心線(xiàn)重合或平行，第一中心線(xiàn)和第二中心線(xiàn)與第三中心線(xiàn)和第四中心線(xiàn)垂直且共面；所述液力端靠近動(dòng)力端的平面為前平面，該前平面垂直于柱塞孔的中心線(xiàn)；所述液力端的左、右側(cè)面垂直于前平面；所述閥箱包括多個(gè)并列設(shè)置的單元閥，每個(gè)單元閥均包括一套與內(nèi)腔連通的所述吸入凡爾孔、排出凡爾孔、柱塞孔和堵蓋孔，且每個(gè)柱塞孔的中心線(xiàn)相互平行，相鄰柱塞孔之間的距離相等；所述液力端的左和/或右側(cè)面到相鄰柱塞孔的距離與兩相鄰柱塞孔之間的距離比值為0.6^1.0。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓柱塞泵的液力端，其特征在于:所述包含多個(gè)單元閥的閥箱是整體式結(jié)構(gòu)，或，每個(gè)單元閥是獨(dú)立的分體閥箱，每相鄰兩個(gè)分體閥箱通過(guò)連接桿連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的高壓柱塞泵的液力端，其特征在于:所述左側(cè)面和/或右側(cè)面是完整平面或部分平面。
【文檔編號(hào)】F04B53/10GK103573615SQ201310588524
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】張斌, 張磊, 陳方利, 王延浩, 李宏化, 黃志軍, 唐軍, 汪承材 申請(qǐng)人:四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司