压裂管汇隔振器失效分析和优化

压裂管汇隔振器失效分析和优化

谭爱芳

中石化四机石油机械有限公司湖北荆州 434024

摘要：针对井工厂水平井压裂过程中，高压管汇上配置的用来吸收和隔离来自压裂车的寿命隔振器使用不到200h就快速失效的情况，与高压管汇隔振器预期10年以上寿命相差较大，为了提高高压管汇隔振器在使用过程中寿命，针对常用的高压管汇形式研制出相应的具有指示和补偿功能的新结构高压管汇隔振器。

关键词: 高压压裂管汇; 隔振器; 失效; 寿命; 指示和补偿;

1.引言

井工厂水平井压裂过程中，为了延长高压管汇的使用寿命，减少因振动造成的疲劳应力开裂，高压压裂管汇上配置了隔振器，隔振器依靠自身弹性体吸收和隔离来自压裂车的振动，隔振器中主要部件弹性体采用进口螺旋弹簧制作，预估寿命为10年，但是现有高压管汇隔振器使用不到200h就变形失效没有真正起到长时间保护高压管汇的作用，且与高压管汇隔振器预期10年以上的寿命相差较大，因隔振器价格昂贵故此成本高企，为了提高高压管汇隔振器在使用过程中寿命，针对常用的高压管汇形式研制出相应的具有指示和补偿功能的高性能新结构高压管汇隔振器。

2.常用高压管汇隔振器

2.1.高压管汇隔振器的作用和原理

高压管汇由T型三通、旋塞阀、四通和直管等高压管汇元件组成，为了吸收和隔离外界输入的振动和流体在管汇内流动时产生的振动，需要在高压管汇元件下安装隔振器，隔振器成离散式分布可有效的保护高压管汇元件。分布状态如下图1，方框部分为隔振器安装的位置。

图1：隔振器离散式安装分布图

2.2隔振器总静刚度K计算

K=F/X………………………………………...........................................(1)

F—— 高压管汇总重，单位：N；

X—— 隔振器弹性变形量，单位：mm；

2.3系统峰值响应频率可按如下公式进行计算

f _n = ………………………………………(2)

f _n—— 系统峰值响应频率，单位：Hz；

K—— 系统总静刚度， N/m；

a—— 动刚度系数，取1.5；

m—— 系统隔振器承载总质量， kg；

2.4系统隔振效率计算：

系统振动传递率采用如下公式进行近似计算：

…………(3)

式中： x——响应振幅

Χ₀——激励振幅

ζ——阻尼比（取0.15）

λ——f_i /f_n

f_i ——外激励（干扰）频率

f_n ——系统固有频率（峰值响应频率）

公式（2）用图形表示即为图2所示的传递率曲线。

图2振动传递率曲线

由上述公式及图2，可以得出：

当λ（即频率比fi /fn）大于 时，系统才产生减振效果,系统进入隔振区域；当λ（即频率比fi /fn）大于3时，系统达到较为理想的隔振效果（隔振效率为80%）。

2.5高压管汇隔振器的结构

隔振器结构如下图3包括卡紧螺栓、锁紧螺母、弹垫、平垫圈、上支撑板、主支撑弹簧、主支撑弹簧上夹紧板、主支撑弹簧锁紧螺钉、主支撑弹簧下夹紧板和下支撑板。

隔振器上支撑板和高压管汇元件底部接触，卡紧螺栓卡在高压管汇元件两端，在上支撑板上下表面分别使用锁紧螺母、弹垫和平垫圈将卡紧螺栓锁紧固定，从而将高压管汇元件固定在隔振器上。主支撑弹簧被夹紧在主支撑弹簧上夹紧板和主支撑弹簧下夹紧板之间，主支撑弹簧锁紧螺钉穿过主支撑弹簧上夹紧板和主支撑弹簧下夹紧板后分别固定在上支撑板和下支撑板上。下支撑板固定在撬架上或者采用地角螺栓固定在地面上，外界振动从高压管汇元件输入或者流体在管汇内流动时产生振动时，主支撑弹簧通过变形吸收和隔离振动保护高压管汇元件。

图3高压管汇隔振器结构示意图

4. 高压管汇隔振器失效原因分析

高压管汇上隔振器采用离散形式布置，高压管汇元件下安装的隔振器刚度系数保持一致，所有的隔振器均匀承受高压管汇的重量，然而在实际的使用和安装过程时管汇中外接了弯头和管线的高压管汇元件下的隔振器首先快速失效，而高压管汇内部的元件下隔振器并未受到影响始终维持正常使用。从失效的隔振器的分布位置来看，可初步判定失效原因是外接了弯头和管线的高压管汇元件下的隔振器使用过程中实际受力情况与初始的设计计算中的受力情况有较大区别，初始的设计计算中所有隔振器只需要均匀承受高压管汇自身重量即可，而在实际使用中产生永久变形的隔振器还额外承受了高压管汇外接的弯头和管线的重量，该部分重量使得隔振器中主支撑弹簧在超出自身刚度系数状态下工作故此产生了如下图中的不可恢复的永久变形，隔振器产生永久变形后将不再起隔离和吸收振动的作用，无法再有效保护高压管汇元件。同时可对比高压管汇在安装完毕后没有外接弯头和管线时隔振器的状态，从图4 a可知旋塞阀下隔振器受力均匀，未产生明显的变形，两种状态对比进一步印证失效原因。

a使用前隔振器状态 b使用中隔振器状态 图4隔振器使用前后对比图

5.高压管汇隔振器的结构优化

通过对失效原因分析可知，可采用两种方法确保隔振器在承受额外的弯头和管线重量时不产生超过隔振器刚度系数的永久变形：

a、改变外接弯头和管线的高压管汇元件下隔振器的结构，在主支撑弹簧基础上增加补偿弹簧。

b、改变隔振器的离散式分布形式，改为集中分布，将局部位置隔振器合并为一个，将外接的弯头和管线重量均匀分散到所有的隔振器上，确保增加额外重量时所有隔振器同时产生不超出主支撑弹簧刚度系数的弹性变形。

5.1具有指示和补偿功能的高性能高压管汇隔振器

如下图5所示，相对于普通的高压管汇隔振器，具有指示和补偿功能的高性能高压管汇隔振器在主支撑弹簧基础上增加补偿弹簧，使之在不外接弯头和管线时通过主支撑弹簧承受高压管汇自身重量，工作时通过补偿弹簧承受外接的弯头和管线重量。同时增加指示限位器，在主支撑弹簧弹性变形极限位置进行限定使之不产生永久变形，使用者也可通过指示限位器观察主支撑弹簧变形状态。

图5具有指示和补偿功能的高性能高压管汇隔振器

5.2整体式集中分布高压管汇隔振器

如下图6所示，相对于普通的离散式安装分布高压管汇隔振器，集中式安装分布高压管汇隔振器可以将外接的弯头和管线重量均匀分散到所有的隔振器上，增加的重量不会集中在局部的高压管汇元件隔振器上，以此确保增加额外重量时所有隔振器同时产生不超出主支撑弹簧刚度系数的弹性变形。

图6：隔振器集中式安装分布图

6. 结论

(1) 隔振器离散式安装分布时，外接弯头和管线增加的重量集中在局部的高压管汇元件隔振器上是导致隔振器中主支撑弹簧产生不可恢复的永久变形的主要原因。

(2) 改变高压管汇元件下隔振器的结构，在主支撑弹簧基础上增加补偿弹簧承受额外增加的重量，同时增加指示限位器可确保隔振器始终在自身刚度系数下产生足够的弹性变形。

(3) 集中式安装分布高压管汇隔振器可以将外接的弯头和管线重量均匀分散到所有的隔振器上，增加的重量不会集中在局部的高压管汇元件隔振器上，以此确保增加额外重量时所有隔振器同时产生不超出主支撑弹簧刚度系数的弹性变形。

参考文献

［1］ 张继信，康健，樊建春，等． 高压弯管冲蚀失效分析及数值模拟