钻井泵泵阀的故障树分析及新型泵阀的研制王中辉朱江李亚力2（。北京石油化工学院机械系，北京102600；2.公安大学培训部，北京102600）泵的工作性能和使用寿命。运用系统可靠性分析的基本原理，把泥浆与泵阀看作一个开式的摩擦学系统，用故障树分析方法（FTA）对泵阀进行了失效分析，通过对泵阀故障树的定性。定量分析，找出了导致泵阀失效的故障模式及主要原因。在此基础上综合分析现有泵阀的结构，优化组合，设计、制造了一种新型钻井泵泵阀，并进行了现场试验，为进深入研究泵阀的失效机理和泵阀工作性能的监控提供了j的科学依据。

　　钻井泵是钻井时用作循环泥浆的设备，从它的工作原理和使用实践来看，钻井泵的关键部位是液力端，而泵阀则是液力端的心脏，由于泵阀的运动规律、工况及破坏过程较为复杂，泵阀寿命较低的问题长期以来一直未能得到较好的解决，严重影响钻井时效及钻井进度，特别是近几年来，随着钻井工艺的强化，水力喷射钻井工艺的推广，泵压升高，排量增大，从而对泵阀提出了更高的要求。因此，对泵阀进行系统的、深入的研究、研制新型泵阀，近而改善泵阀的工作性能，提高其使用寿命，已势在必行。

　　从现场调研和有关看，国内外在新型泵阀的开发研究上做了大量的工作。本文在对泵阀失效故障树分析的基础上，找出失效的主要原因，提出一套合理的设计计算公式，并以此为基础设计出更加合理的泵阀，以满足生产需要。

　　1泵阀失效的故障树分析失效分析是近年来发展起来的一门新兴学科。

　　它通过对机械零件的使用条件、损坏特征的分析，来寻求该零件未达到预期功能的原因，并提出进一步提高其寿命的措施，以防止早期失效，延长其使用寿命或提高产品的可靠性。失效分析的目的在于确定失效的主要原因，分析失效的机理，并把分析所得的信息反馈到生产实践中去，有针对性的改进结构设计、材料选择和制造工艺，从而有效的提高产品的质量和使用寿命。泵阀失效是指泵阀丧失正常工作所必须的密封能力。泵阀包括弹簧、阀体、密封圈、阀座和导向机构等，由于它们的材质、结构、功能及工作时外界作用的形式不同，因而其失效的形式也各有差异，但同时又相互影响。泵阀密封失效是多种因素综合影响的总体反映，以往采用单因素的分析方法已不能从本质上解决问题，把阀盘、密封圈和阀座看作是一个串联系统，并进一步与泥浆组成一个开式的摩擦系统。所谓开式的摩擦系统是指系统内的物质和能量与周围介质等出现相互转化。这样就可以对泵阀进行系统分析，系统分析的方法很多，故障树分析法是分析系统可靠性和安全性的重要方法。它具有直观、形象、灵活、多用的特点。通过建立泵阀故障树：51（如所示）并进行定性、定量分析，可以看出，冲蚀磨损对泵阀寿命的影响也很大；阀盘对阀座高速撞击引起的冲击磨损以及选材不当，也是导致泵阀失效的主要原因；密封圈加工工艺不合理以及流道变化引起的汽蚀也是影响泵阀寿命的重要因素；另外，加工质量、安装误差、运输中的损坏等人为因素也不容忽视。为提高泵阀寿命，应从三个方面着手：冲蚀磨损与液流速度有密切关系，液流速度越大，冲蚀越严重。因此，设计泵阀时要把液流速度限定在安全范围内。由于滞后引起阀隙液体倒流，此高速反向流对泵阀冲蚀更石油化工高等学校学报2新型泵阀的设计泵阀是钻井工作过程的直接组成件，也是钻井泵中重要的易泵阀损件之一。它设计的好坏直接影响了泵的工作性能和使用寿命。泵阀设计的一般原则是：阀应能及时启闭，关闭速度和关闭滞后角要尽可能小，以减小关闭冲击和回流损失；密封可靠，减小或避免关闭后的漏损；尽可能减小水力阻力损失；泵阀材料要有足够的强度和刚度，对泥浆冲蚀有较强的抵抗能力；结构简单、拆装方便，工艺性好，尽可能有良好的互换性；工作平稳、噪音小、寿命长。

　　在泵阀失效分析的基础上，综合考虑现有泵阀的特点，遵循以上原则，设计了一种新型泵阀。

　　是现用阀，是新型阀。

　　冲蚀磨损是影响泵阀寿命的重要的原因，而冲蚀磨损与液流速度有关，液流速度越大，冲蚀越严重，因此，设计泵阀时，在满足正常工作条件下，阀孔液流速度应取合适值；由于阀座形成的台阶使流道变化更大，加剧了泥浆冲蚀和汽蚀，为避免台阶的形成，设计时优化阀盘和密封圈的结构，改进了阀体与阀座的配合形式；另外，为使泵阀运动时对中性好，加长了导向杆。

　　目前，在钻井泵领域内，技术基础理论的研究落后于生产实践。在泵阀参数计算中，没有给出一个确切可信的定量计算公式。泵阀的设计能否满足上述六项要求，终需通过试验来鉴定。因此，新设计阀参数时，只好根据工作良好的现有泵进行设计，给出适合于工程计算的若干实用计算数据。

　　现用泵阀结构对一个阀来说，单位时间内大流量为：单位时间内阀的大理论排量为：严重，因而应尽量减少滞后；阀盘高速冲击阀座，阀座锥面下部与阀盘直接接触，上部与密封圈直接接触，由于密封圈的缓冲作用而减少了变形，从而使阀座下沉形成上下两锥面。这样阀隙流道发生变化，加剧了泥浆冲蚀和汽蚀，使阀盘和密封圈失效。为避免在使用过程中阀座形成台阶，应从优化阀盘、密封圈的结构入手；选择合适的材料和工艺，特别要选好的密封圈材料，使阀盘、阀座和密封圈的寿命相当，达到佳配合。根据目前的实际情况，应从提高材质、改进结构上入手。

　　蚀于三缸泵，取8.5m/s.计算得Vmax=7.5m/，可见，该设计满足要求。

　　根据对现有泵阀的统计，可利用阀的外径df与dk的简单比例关系来初步计算阀体外径（密封圈直阀座与密封圈接触面宽度b为密封面宽度应在满足静压强度条件下，尽可能取较小值。宽度太大，阻力损失大，加工困难，密封效果差；宽度过窄，不能满足静压强度和抗关闭冲击的需要。

　　阀盘大升举高度hmax由下式确定：于大升高时的阀隙过流面积，m2；Cv为允许的阀隙流速，一般取4~6m/s，大可取12~16m/s.比值过大，流量系数较低；比值过小，流量系数可能处在不稳定值处，泵阀运动也处于不稳定状态。

　　3新型泵阀的制造与试验新型泵阀组件中，阀座、弹簧、螺母的结构不变，而对阀盘、密封圈作了改进，如所示。阀盘的材料选用35CrMo钢，35CrMo为调质钢，具有很好的综合机械性能。密封圈的材料选为聚氨酯，聚氨酯的耐磨性高于其它橡胺7.阀盘的制造工序为：下料、锻造、正火、粗车、调质、精车、铣、淡化、外磨。密封圈制造前自行设计了模具。试验结果如表1所示。使用效果要比现用阀好。

　　表1泵阀试验结果井号井深/泵压/泥浆粘度/使用时间/丰斜五号4新型泵阀的特点新型泵阀比现用泵阀的质量减轻了0.35kg泵阀质量的减轻对泵阀工作非常有利，不仅减少了阀体对阀座的冲击，而且使阀盘运动惯性力减小，滞后角变小，泵阀动作灵活，从而提高了泵阀使用寿命。

　　阀盘和密封圈的结构作了改进，是使目前的常用的石油化工高等学校学报两金属工作接触变为金属与非金属工作锥面接触，因而消除了两金属工作锥面接触形成的剪口避免了密封圈被撕咬的通病；由于橡胶有优良的伸缩性能和积储能量的能力，在接触应力不大于橡胶表面的撕裂强度的情况下，橡胶有一定的容让性，从而避免了因关闭不严形成的刺蚀；金属与非金属的韧性接触也起到了减振缓冲的作用。新泵阀吸取了带筋阀的优点，采用双支撑面形式，降低了支撑面的应力，加强了阀座的强度，防止阀盘变形；加长泵阀下导杆可使阀上下运动定位性好，阀体平稳地落在阀座上，不易发生偏斜现象。