石油机械专题研究固井压裂用TH泵泵头体有限元分析及材质选用陈纯明康宜华（华中科技大学）律。计算得到TH泵泵头体在使用工况下内腔的合成应力Aa=290MPa.由此确定TH泵泵头材料为34CiM4A.该材料经调质处理后，得到稳定的综合机械性能：拉抗强度850MPa屈服~312HB，满足TH泵泵头体使用要求。
问题的提出由于要求排出压力大，固井酸化压裂设备的液力端均采用柱塞往复泵结构，泵头体是该设备重要的零件之一。实际工作中，泵头体排出压力很高，吸入压力和排出压力存在很大压差，故使泵头体承受着高振幅的脉动交变应力。按照现代损伤力学分析11，泵头体的失效主要是由疲劳损伤积累导致疲劳裂纹扩展而引起；同时，考虑泵总成泵送的介质中含有大量的酸、碱、硫化氢等腐蚀性物质和细小的岩屑，其液力端零件一主要是泵头体在工作时要经受介质的腐蚀、磨砺和冲蚀。从实际情况看，失效的泵头体内腔表面大都布有腐蚀坑点，这说明介质腐蚀是导致泵头体失效原因之一。
泵头体毛坯多为大型锻件，加工周期长，成本较高。若考虑停机对油田生产的影响，则经济损失很大。因此，在设计泵头体时，必须保证其材料足够的机械性能、泵头体在作业过程中的安全可靠性和长的使用寿命。同时也应考虑泵头体工作的不同压力和环境，经济、合理地选用泵头体材料。
下面对TH泵泵头体做有限元分析计算，得到其内腔的大合成应力和泵头体材料的机械性能，后通过机械性能试验，确定TH泵泵头体的合理材料。
TH泵泵头体有限元分析1.泵头体有限元分析计算的必要性泵头体的设计计算，国内一直沿用传统的经验算法，同类机型采用所谓类比设计来确定其结构。而强度验算也只是把泵头体由一个复杂的四通结构简化为一个直通的厚壁筒体。对泵头体的吸、排柱塞腔及缸腔等复杂结构的特点以及应力集中因素，未做定量分析，造成模型与实际受力偏差较大，对设计计算造成较大误差。
TH泵泵头体的建模及网格划分TH泵泵头体由形状和尺寸相同的3个单缸腔组成。单缸腔的结构如所示。
泵头体简化外形如所示，建立XYZ坐标。
可以看出，每个缸腔是关于XZ和YZ平面对称的。国内、外泵头体失效开裂位置情况及相关分析计算*陈纯明工程师，生于1965年，1987年毕业于武汉理工大学汽车专业，现攻读华中科技大学工程硕士学位，从事石油机械的设计、工艺研究工作。地址：（434024）湖北省荆州市电话：（0716）（：2002表明，泵头体内腔相贯线处的应力较其它位置应力大。因而计算时，以分析泵头体内腔相贯线处的应力为主，其余各处的应力按相贯线外的应力看待。
另外，在进行应力分析时，只考虑弹性应力状态。
泵头体简化外形图在对计算模型做了简化后，可将泵头体看作为厚壁圆筒的四通结构。由厚壁圆筒理论，厚壁容器承受内压时，其应力主要分布于筒体内《，而筒体的表面形状及几何尺寸的微小变化对筒体内应力分布影响很小。因泵头体是关于XZ和YZ平面对称的，取泵头体的四分之一为研究对象，即取泵头体的四分之一进行网格划分。为了方便计算保证计算具有足够的度，共划分为13层，402个单元，637个节点。划分的原则是：内腔表面和相贯线处划分密，离内腔表面越远则网格越疏，由密至疏平缓过渡。对网格划分由计算机作数张检测图。所示为泵头体网格划分及应力分布选点位置图。
于泵头体仅受内压作用，故只需对泵头体进行一种工况的计算，即计算内压为35MPa时各处的应力。
计算时，取材料的弹性模量E=210GPa泊松比系数M=0. 3，剪切弹性模量G=80MPa.考虑到泵头体内相贯线处的应力比其它任何地方大，计算时以分析该处的应力为主，其余相贯线以外的地方约束条件可放松。计算时，仅将泵头体下端作轴向（Z轴）约束，两个对称面作相应的轴向（X轴或Y轴）约束，按照给定条件计算出泵头体内各处的应力值。
表面应力大，由内到外，应力值逐渐减小；在边界的几个单元上，应力值也较大，这是由于边界约束所致；在内表面上，相贯线附近区域的应力值又比远离相贯线处的应力值大，这正说明相贯线引起了应力集中。泵头体内相贯线附近区域选点的应力值见表1.表1TH泵泵头体选点应力值MPa节点应力合成应力注：a3为任一点三个主要应力；Aa为合成应力。
石油机械由表1及其应力分布曲线可以看出：大应力发生在节点346处，大应力幅也发生在节点346处。另外，在节点124处，应力值和应力幅值也较大，故这两个点为危险点。从泵头体内腔相贯线开裂失效位置观察，一般都是从346点或此点附近开始的，这说明有限元分析计算与现实情况是相符的。可以说泵头体内相贯线处的应力集中是引起泵头体开裂失效的主要原因，应力脉动幅度对泵头体的疲劳破坏起着决定性的作用。
由内腔大合成应力值可以确定TH泵泵头体材料主要机械性能参数。泵头体内腔在交变应力下经受循环基数107次拉压疲劳而不发生破坏的疲劳强度a-i=Aa=29CMPa.据介绍，当咏<1400MPa时，疲劳强度与抗拉强度比-，/=0.35~0.55.这里取0.35时，ab=828MPa；查中所摘录美国钢铁学会资料，疲劳强度与抗拉强度办的关系图知，a― =840MPa.综合两因素取w=850MPa.根据屈强比可以用第三强度理论校核TH泵泵头体材料，确定b=85CMPa、as=650MPa的安全可靠性。由于as/ a=0.77，许用安全系数=1.7~22这里取=22则材料的许用应力=295.5MPa.在危险节点346处做校核Aa=满足第三强度理论的强度条件。
由此可以看出，通过有限元应力计算得到TH泵泵头体在使用工况下的合成应力值Aa=290MPa.它对材料的主要机械性能要求是：ab>850MPa，a.s >65CMPa.而不需要象原始设计的那样，ab高达1069MPaas达965MPa.根据我国有关标准及美国石油学会API标准的规定，压力容器用钢必须做环境温度下低温冲击韧性试验，标准要求其冲击值不能低于2J材料断面收缩率私32.由于TH泵泵头体的工作环境温度在一20°C以上，则要求冲击值a，（20°C）>21J. TH泵泵头体材质的调整选用TH泵泵头体材料调整理由国内外对TG、TL、TH三种泵的材质均采用美国标准N―22钢（相当于我国标准中的30CiNi2MV）。三种泵的工作压力大小差异很大，TG泵工作压力70MPa，TL泵5CMPa，TH泵泵头体高压力35MPa.我国油田的气候条件一般都在一20°C以上，而镍是我国的稀有金属，价格昂贵。江汉第四石油机械厂在对引进泵吸收和国产化一段时间后，经过分析及相关试验，将TH泵泵头体材质但35CiMoA材料试验表明，它不是理想的材料。为稳定毛坯成分乃至产品质量，根据金属材料及断裂力学有关理论4，结合江汉第四石油机械厂多年的生产经验，将其化学成分做了调整，即适当降低C含量的下限，降低钢的脆性转化温度，提高冲击韧性；减少有害杂质S、P的含量，提高其韧性和塑性，提高Cr、Mo的下限，提高钢材的淬透性；特别是适当地提高Mo的含量，有利于细化晶粒，防止回火脆性的产生，以稳定机械性能，满足TH泵泵头体设计要求。
调整后的材料质量百分含量为的钢材规格相当于原西德34CiMo4A钢的成分。
试验表明，34CrMo4A材料性能稳定，各项性能指标明显优于35CiMoA，满足TH泵泵头体材质要求的ab对材料的化学成分进行调整后，TH泵泵头体的毛坯质量得到了有效控制。材料34CiMo4A调质处理后，得到稳定的综合机械性能：抗拉强度b>85CMPa屈服强度as>650MPa延伸率10，断面收缩率如>45 ，>32，常温冲击值a的TH泵泵头体材料。
应用及经济性近两年的生产实践证明，TH泵泵头体材料改用34CrMo4A是合理的，过去TG、TL、TH三种不同压力的泵头体采用相同材质是不妥的。
从提高经济效益讲，使用调整后的34CiMo4A材料，大大降低了生产成本。TH泵泵头体调整前的30CiNi2MV材料每个毛坯价455万元，选定34CrM4A材料后，每个毛坯价2. 2万元，每个节省235万元。每年第四石油机械厂生产的固井压裂设备使用TH泵泵头体按销售台计算，可节约费用约141万元。
江汉第四石油机械厂1999年下半年到2000年有近70只TH泵泵头体采用34CiMo4A材料，油田用户反应良好，完全能满足我国各油田作业要求。TH泵泵头体材料改为34CiMo4A后，若推广应用到各生产厂家，按每年产此类泵100台计算，全年节约资金235万元。
近年来，江汉第四石油机械厂产品远销美国、加拿大、墨西哥、印尼及东欧等16个国家。与TH泵工作压力相近的出口300型泵销路看好。34CiM4A材料的低温冲击值（一40C时）偏低，不能完全满足地域环境各异的各地使用要求。
我们将进一步调整材质的化学成分，严格执行泵头体锻件外协技术条件，控制锻件毛坯质量，采用真空冶炼和电渣重熔方法，选择特殊热处理手段，提高、稳定其低温冲击值，以用作出口300型泵泵头体的材质和工艺。
