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含气率波动下轴流式油气混输泵轴扭应力的响应机制与优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

在石油工业中，油气混输泵作为关键设备，对整个生产流程的稳定性和效率起着举足轻重的作用。传统的油气分输方式需要分别为气相和液相建设管道，同时配备分离器、泵和压缩机等设备，这不仅导致建设占地面积增大，还使得工程造价大幅提高。而油气混输泵能够将气液混合物通过同一管道进行输送，有效简化了地面技术系统工艺流程，降低了工程建设投资。例如，塔河油田采用混输方式后，减少工程投资300万元，占地面积仅为常规分输计转站的48%，充分展现了混输泵在油田应用中的巨大潜力和经济价值。

随着油田开发的不断深入，开采环境日益复杂，对油气混输泵的性能要求也越来越高。在实际运行过程中，油气混合物的含气率会发生显著变化。含气率的改变会导致混输泵内部流场的复杂性增加，进而影响泵的扬程、效率等性能参数。当含气率升高时，混输泵内气相的可压缩性增强，使得流体的流动特性发生改变，可能引发气穴、气蚀等现象，降低泵的工作效率和可靠性。而含气率的变化对轴流式油气混输泵的轴扭应力有着直接且重要的影响。轴作为混输泵的核心部件之一，承受着来自叶轮旋转和流体作用力产生的扭矩。含气率的波动会使泵内部的压力分布和流体动力发生变化，从而导致轴所承受的扭应力发生改变。如果轴扭应力过大，超过了轴材料的许用应力，就会引发轴的疲劳损坏、断裂等严重故障，这不仅会导致混输泵停机维修，增加生产成本，还可能影响整个油田的生产进度，造成巨大的经济损失。准确研究含气率变化对轴扭应力的影响规律，并提出相应的改善措施，对于提高轴流式油气混输泵的性能、保障其安全稳定运行具有至关重要的意义。通过深入探究这一问题，可以为混输泵的优化设计、运行维护提供科学依据，有助于提升石油工业的生产效率和经济效益，促进石油行业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

国外对轴流式油气混输泵的研究起步较早，在含气率对泵性能及轴扭应力影响方面取得了一定成果。早在20世纪60年代，西方国家就开始了对油气混输工艺的研究，对混输泵内部气液两相流的流动机理进行了深入探讨。一些学者通过实验研究，分析了不同含气率下混输泵的扬程、效率等性能参数的变化规律，发现含气率的增加会导致泵的扬程和效率下降，且在高含气率时，这种下降趋势更为明显。在轴扭应力研究方面，国外学者运用先进的测试技术和数值模拟方法，研究了含气率变化时轴扭应力的分布和变化情况。例如，采用应变片测量技术，实时监测轴在不同工况下的扭应力变化，并结合有限元分析软件，对轴的应力应变进行模拟，揭示了轴扭应力与含气率之间的定量关系。

国内对轴流式油气混输泵的研究相对较晚，但近年来发展迅速。在含气率对泵性能影响的研究中，国内学者运用计算流体动力学（CFD）软件，如Fluent、CFX等，对混输泵内部流场进行数值模拟，分析了不同含气率下叶轮内的压力分布、速度矢量等，探究了含气率对泵性能的影响机制。马希金等人应用CFD软件对YQH-100型轴流式油气混输泵在不同含气率下的内部流场进行了三维数值模拟，研究了叶片数变化对轴流泵性能的影响，发现叶片数的变化对油气混输泵的效率影响并不大，适当增加叶片数可以降低叶轮比转速，提高扬程。在轴扭应力研究方面，兰州理工大学的研究团队使用Fluent软件对混输泵的流场进行分析，再将处理结果通过Workbench的静力分析模块耦合到轴上，得到了随含气率变化泵轴上的应力应变分布，为混输泵轴的校核提供了指导。

然而，当前国内外研究仍存在一些不足。在含气率对轴扭应力影响的研究中，多集中在稳态工况下，对于瞬态工况，如启动、停机以及含气率快速变化等过程中轴扭应力的变化规律研究较少。大部分研究主要针对特定型号的混输泵，缺乏对不同结构参数混输泵的通用性研究，难以形成具有广泛适用性的理论和方法。在改善含气率变化对轴扭应力影响的措施研究方面，虽然提出了一些方法，如优化叶轮结构、调整运行参数等，但这些措施的有效性和可行性还需要进一步的实验验证和工程应用检验。

1.3研究内容与方法

本文主要研究含气率变化对轴流式油气混输泵轴扭应力的影响规律，并提出相应的改善措施，具体研究内容如下：

轴流式油气混输泵实体模型建立与网格划分：根据轴流式油气混输泵的设计参数，利用三维建模软件建立其精确的实体模型，包括叶轮、轴、泵壳等关键部件。运用先进的网格生成技术和软件，如ICEM等，对模型进行合理的网格划分，确保网格质量满足数值模拟的要求，为后续的流场分析和轴扭应力计算提供可靠的模型基础。

数值模拟及气液两相流动理论研究：深入研究湍流的数值模拟方法，选择合适的湍流模型，如标准k-ε模型、RNGk-ε模型等，对轴流式油气混输泵内部的湍流流动进行准确模拟。基于气液两相流