基于流固耦合动力学对风场抽油机支架结构改进分析

赵荦明

武警警官学院 基础部，四川成都 610213

摘要: 位于大风场区的游梁式抽油机受风载荷影响，发生了多次抽油机支架弯曲、游梁断裂、驴头偏移及驴头掉落等严重的，危及设备与人员的安全事故。但是目前针对游梁式抽油机在风载荷作用下的结构优化影响研究较少。针对该问题，本文基于流固耦合动力学理论和标准k-ε湍流模型，针对CYJ10-4.2-53型游梁式抽油机，提出了一种支架结构改进方案，并对比了原结构和改进结构在风载荷下的应力、变形和疲劳寿命。结果表明：改进后支架的安全性更加稳固。

关键词：风载荷；游梁式抽油机；流固耦合动力学；安全隐患

Improved Analysis of Support Structure of Pumping Unit in Wind field based on Fluid-structure Coupling Dynamics

ZHAO Luoming

(Basic Department,Officers College of PAP, Chengdu 610213,China)

Abstract: Affected by the wind load, the beam pumping unit located in the gale field has suffered many serious accidents, such as bending of the support, breaking of the beam, moving of the donkey head and falling of the donkey head, which endanger the equipment and personnel.However, there are few researches on the influence of structure optimization of beam pumping unit under wind load.To solve this problem, based on the fluid-structure coupling dynamics theory and the standard k-ε turbulence model, an improved support structure is proposed for CYJ10-4.2-53 beam pumping unit, and the stress, deformation and fatigue life of the original structure and the improved structure under wind load are compared.The results showed that the safety of the improved stent was more stable.

Key words: wind load; beam pumping unit; dynamics of solid-fluid interaction; hidden danger

1 引言

游梁式抽油机是国内外油田应用最广泛的采油设备，其工作原理可以理解为一个曲柄摇杆机构运动。它由减速器带动曲柄转动，曲柄带动游梁摆动实现抽油杆往复运动，带动抽油泵抽油。

目前针对游梁式抽油机的研究主要集中在降低抽油机能耗，提高抽油机采油效率方面^[1]。但关于抽油机的研究均未考虑风载荷对抽油机安全性的影响。在我国新疆、内蒙古等大风场地区，由于风速较大，特别是位于风场中的抽油机、钻机与井架等大型石油设备，因风灾影响发生损坏的事故时有发生。图1为中国石油定边油田游梁式抽油机因大风损坏事故，可见抽油机的支架已经严重弯曲、脱离底座，整个抽油机无法正常工作。

为了减少风载荷对游梁式抽油机的安全事故 ，增强

游梁式抽油机在大风风场中的安全性，就只有对游梁式抽油机进行结构性的改进。本文将游梁式抽油机的结构改进方案为对支架结构的改进，并基于Workbench软件平台，建立了正弦型变化风速下的游梁式抽油机的全尺寸流固耦合动力学模型，系统对比了CYJ10-4.2-53型抽油机和改进抽油机的安全性。

图1抽油机被大风损坏图

2结构改进

2.1 支架结构改进

针对风载荷对游梁式抽油机的影响，风场中风载荷对支架的影响主要是造成支架弯曲，由于支架是游梁式抽油机中重要的支撑构件，改进后的结构必须使支架在风场中更加稳固。本文将CYJ10-4.2-53型游梁式抽油机支架按空间桁架设计，以便更好的增强风场游梁式抽油机的稳定性。在建立抽油机模型时对模型进行恰当的简化，去掉影响不大的小特征，如倒角、小孔等，因为减速器和底座所处的位置较低，受风载荷影响较小，将减速器和底座简化为一个整体，建模过程中严格参照抽油机的设计标准

^[2，3] 改进后的游梁式抽油机支架如图2所示，与原来的游梁式抽油机支架结构相比增加了X型斜撑。

图2 改进游梁式抽油机支架

3 改进抽油机风场结构对比分析

3.1 流固耦合分析

相比于原来的游梁式抽油机结构，改进的游梁式抽油机并未在结构尺寸上进行大的调整，只是针对风场情况进行了改进。

现对改进后的游梁式抽油机进行流固耦合对比分析，流场分析中流场分析采用标准 模型的湍流模型，将壁面设置为wall滑移边界，采用速度入口、压力出口。压力速度耦合采用SIMPLE算法，计算中忽略重力对流场的影响。考虑到风场中的风速大小是不断变化的，将外流场速度入口的风速变化模拟成正弦型变化，速度表示为^[4]：

(1)

式中 为平均风速， 为无量纲幅值（ ）, 为风速脉动频率。

取 、 (对应速度范围为2.57~31.6m/s）、 ，针对公式(1)编写速度入口的正弦型风速随时间变化的UDF程序，计算时间步数800步，时间步长0.01s。

3.2 结构对比分析

图3、图4是风速大小v=17.09m/s并受到最大的悬点载荷（游梁式抽油机工作到上死点）时改进的游梁式抽油机支架和原结构的游梁式抽油机支架的偏移位移和等效应力的对比曲线图，相比于原结构支架，改进支架的最大偏移位移减小76%。且改进支架的等效应力相比于原支架结构的等效应力值大大减小，特别是在原支架中上方的两处等效应力集中位置的等效应力减小量巨大。改进结构的最大等效应力相比原结构的最大等效应力，改进支架结构的最大等效应力减小了9.5%。改进的支架结构比原支架结构在风场中的稳定性大大提高。

图3支架偏移位移对比

图4支架等效应力对比

图5为风速为v=17.09m/s，游梁式抽油机工作到上死点（受到最大悬点载荷）时改进支架与原结构的疲劳寿命对比云图。云图中疲劳面积也比原结构要小的多，说明了改进游梁结构在风场中比原结构更加的安全。改进支架结构的疲劳主要集中在靠近驴头哪段支架的下部，而原结构则是疲劳分布整个支架结构上，改进后的支架的最小疲劳寿命是原结构的最小疲劳寿命的2.79倍。改进支架结构的安全性和稳定性更好。

图5疲劳寿命对比

通过上述分析表明，改进后的游梁式抽油机整体上相比于原结构的游梁式抽油机在风场中的安全性和稳定性更好，更加适合在大风场地区的油田里工作。

4 结论

针对风场对游梁式抽油机的影响的基础上，提出了一种游梁式抽油机结构方案，并对原结构和改进结构进行了流固耦合对比分析。从结果分析可以看出改进支架的偏移位移、等效应力和疲劳寿命都优于原结构。所以改进的游梁式抽油机相比于原结构在风场中更加安全和稳定。

参考文献

1. 张雪鲁，季祥云，罗仁全.游梁式抽油机技术与应用[M].北京：石油工业出版社，2001.4

Zhang X L，Ji X Y，Luo R Q. Beam pumping unit technology and the application[M].Beijing: Petroleum Industry Press, 2001.4

2. GB/T 29021-2012.《石油天然气工业 游梁式抽油机》[S]

GB/T29021-2012.《Petroleum and natural gas industries-Beam pumping units》[S]

3. SY/T 5795-93.《游梁式抽油机安装尺寸、易损件配合尺寸》[S]

SY/T 5795-93. 《The size of the beam pumping unit and the size of the vulnerable parts》[S]

4. 史志伟，明晓.非定常自由来流对飞机模型气动特性的影响[J].空气动力学学报.2004,22(4):466-469

Shi Z W，Ming X. The effects of unsteady free stream on aerodynamics of an aircraft model[J]. ACTA AERODYNAMICA SINICA，2004，22(4)：466-4