抽油泵设计计算说明指导书.doc

顶部固定底部密封杆式抽油泵设计

摘要：针对常规杆式泵泵体密封欠佳、支撑锁紧装置易失效、检泵周期短且检泵作业量大、合用范畴有一定限制等问题，设计了顶部固定底部密封杆式抽油泵。在检泵过程中不需取出油管，作业成本低。
设计中采用将支撑固定与密封分置构造，顶部采用密封铜环、密封座、心轴、机械锁爪等构成机械锁紧机构，弹性机械锁爪锚定在密封座上，并以密封铜环支撑。底部以由皮碗、支承皮碗座圈、支承皮碗压帽、支承皮碗接箍、密封短节等构成密封构造密封。在泵工作时通过变径接头和心轴等部件，使泵筒总成可绕顶部锁紧机构这个支点摆动，而柱塞下部密封皮碗则对柱塞总成起到扶正、减震作用，从而延长泵使用寿命。合用于含砂井、含气井、深井、长冲程井、低产井和低液井。

核心词：顶部固定；底部密封；杆式抽油泵
Top fixed bottom sealing rod pump design
Abstract：As Conventional rod pump body sealing poor，Support and lock device easy failure，Pump overhaul period is short and large amount of examining the pumps，applicable scope have certain restriction，etc. I design the top fixed bottom sealing pole type pump. In the process of examining the pumps we don't need to take out tubing and the operation cost is low. In the design we use the structure of the separation of fixed and seal. The top use Copper ring seal，sealing socket，heart shaft，and mechanical lock claw，etc to make up a mechanical locking mechanism. Elastic mechanical lock claw anchor in seal seat， and with copper ring seal support. In the bottom use a Sealing structure which consists of Skin bowl，supporting skin bowl circle，supporting skin bowl pressure cap，supporting skin bowl couplings，sealing a short section，etc. In the pump work，through the diameter changes joint and shaft parts，etc. make Pump cylinder assembly can top the locking mechanisms the fulcrum swing，and the bottom of the piston seal skin bowl of piston assembly is a centralizer，shock absorption effect，thereby prolong the service life of the pump. Apply to contain erinaceous well，including gas well，deep well and long stroke well，stripper well and low liquid well.

Key words：Top fixed，Bottom sealing，Pole type pump

目 录
1 绪 论 1
1.1研究意义 1
1.1.1 国外发呈现状 1
1.1.2 国内发呈现状 2
1.1.3国内外发展水平分析及建议 4
1.2本文研究内容 4
1.3长处 5
2 顶部固定底部密封杆式抽油泵总体方案设计 6
2.1构造设计 6
2.2工作原理 6
3 顶部固定底部密封杆式抽油泵设计 8
3.1抽油泵总体尺寸计算 8
3.1.1油管直径与泵径匹配 8
3.1.2抽油杆规格与泵径匹配 8
3.1.3抽油泵最大外径 8
3.1.4抽油泵长度 8
3.2抽油泵重要零件设计与计算 9
3.2.1、古德曼图 9
3.2.2、泵筒设计与计算 12
3.2.3、柱塞设计与计算 23
3.2.4、泵阀设计与计算 26
3.2.5、阀罩设计与计算 33
4 泵排量和泵效计算 38
4.1 泵排量计算 38
4.2 泵效计算 38
5 结 论 44
参照文献 45
致 谢 46

1 绪 论
1.1研究意义
当前国内各油田有杆采油系统中，应用管式泵占在用抽油泵总数90% 以上；而国外油田使用杆式泵约占抽油泵总数90%，且因实现了原则化、系列化和通用化而成为成熟技术。制约国内杆式泵发展因素是：杆式泵构造相对复杂、设计制造相对困难，对密封及支撑部件综合规定较高；对锚定件构造及机械性能研究尚未形成成熟技术；对杆式泵作业质量规定相对较高；使用习惯性和结识上偏差，推广普及进展较慢。随着国内大某些油田已经进入开发中后期，管式泵诸多长处逐渐变得不再明显，而杆式泵在检泵作业中不需取出油管、成本低、作业时间短等优越性则日益突出。因而，研制适应油田开发规律，在性能、种类和实用性等方面具备更规定杆式泵成为迫切需要。
分析发现，常规杆式泵支撑、锁紧部件在起支撑、锁紧作用同步，还承担对泵体密封作用，且支撑、锁紧部件与密封部件普通设计在泵体同一侧。这种设计使常规杆式泵在具备上述长处同步，也存在泵体密封欠佳、支撑锁紧装置易失效、检泵周期短且检泵作业量大、合用范畴有一定限制等问题。因而设计了把支撑固定与密封分置顶部固定底部密封杆式泵。
全世界约有75%油井是用有杆泵开采，有杆泵是有杆排油装置最核心某些。为了提高抽油泵对复杂开采条件适应性，国内外采油机械工作者集中大量力量去开发设计专用构造抽油泵。整筒抽油泵取代衬套式抽油泵是抽油泵方面最重要技术进步之一，整筒抽油泵明显提高了泵容积效率（比衬套式抽油泵约提高20%），延长了柱塞泵筒使用寿命，并可节约40%左右优质钢材。
为适应油井条件需要，除了原则抽油泵以外，浮现了许多特殊类型抽油泵。例如，用于大排液量双作用泵和套管泵，使用与高油气比井防气泵，合用于稠油开采流线型泵和液压反馈泵，合用于多砂油井防砂泵，在定向井中用悬挂泵，可用于深井采油过桥泵。
在抽油泵零部件方面，重要是不断提高泵筒—柱塞副耐久性和阀组件可靠性。泵筒采用了各种原材料和热解决工艺。在提高柱塞—泵筒副耐久性上，注意了泵筒材料和柱塞材料合理匹配，以及泵筒—柱塞副材料与油井条件相匹配。为了提高阀组件抗腐蚀性，用高碳铬不锈钢和铸钴等材料代替普通不锈钢。此外，正在研制不同密度耐腐蚀、抗冲刷阀球以满足开采不同密度、不同黏度原油需要。
1.1.1 国外发呈现状
国外大量专利和各制造厂家都列出了用于特殊条件抽油泵。现按稠油、防砂、防气等方面分别简介两种新构造泵。
1）开采稠油抽油泵，除了改进流道，增长球重外，尚有:
（1）具备柱塞下拉装置泵。
其特点是在油管内同步下入连接柱塞抽油杆和绕过井底滑轮下拉柱塞绳索，在上冲程时，通过抽油杆上提柱塞，在下冲程时，柱塞被下拉装置拉着向下运动，以抽出重油。
（2）哈斯推( H U S K Y ) 稠油泵。
这种泵将油管当作空心抽油杆，套管作油管，在杆、管间充以稀释原油，空心杆往复运动是在粘度小稀释原油中进行，阻力较小,在下冲程时出油。
2）防砂抽油泵，除在油层防砂，下高效砂锚以外，从泵构造上看有:
（1）带除砂装置泵。其特点是柱塞内上部有一种喇叭口朝下锥形腔，在柱塞和下固定阀之间装一种除砂器。
（2）自润滑抽油泵。其特点是采用软密封与刚性密封相结合，有一种贮润滑液封闭环腔，以润滑柱塞与泵筒接触面，用以防磨粒和砂卡。
3）防气抽油泵，除采用大沉没度,安装高效气描，放套管气，向套管加有泡剂等常规办法外，尚有如下新构造泵:
（1）新型流体泵。
此泵底部装有气体过滤器，以减少进入泵气量。它尚有一种侧孔，当柱塞接近下冲程底部时，侧进液孔被打开，大大提高了泵腔内液体布满度。
（2）带环形阀抽油泵。
环形阀位于柱塞上方，下冲程时它处在关闭状态，承受油管液柱压力，使气体通过游动阀进入柱塞上部，在上冲程时，环行阀上行并打开，气体逸出，从而避免气锁。此外，依照井下特点尚有具备刚性构造弹性密封件短柱塞泵和适于柔性抽油杆深抽泵等。
国外各石油生产国对抽油泵研究投入都很大，俄罗斯在这方面投入相对更大某些,先后研制成功活塞式有杆泵、“真空”腔式双柱塞抽油泵、液压传动隔膜式抽油泵、机械传动式抽油泵、插入式双作用抽油泵阀副改进等，并与瑞典合伙研制成功了钢带式超长冲程特种抽油泵。美国也先后研制成功了可提高杆式抽油泵运营寿命新型自动旋转柱塞、双作用泵送系统、油井抽油泵柱塞制造新办法、用于杆式泵新型陶瓷球等。
1.1.2 国内发呈现状
1949年解放时，国内只有少数井抽油,日后从苏联和罗马尼亚进口了某些抽油泵和图样，用在玉门和乌苏油矿。五十年代末,南京晨光厂、兰通厂和玉门厂生产管式泵和杆式泵。进入六十年代，新油田大量发现,除玉门油田外，均处在自喷开采和注水促喷阶段，抽油泵需求量不大，加之泵加工难度大，废品率高，利润低，晨光厂和兰通厂不再造泵，玉门泵自给有余。七十年代初胜利油田对抽油泵需求增多，其总机厂生产自用泵。到八十年代，为了原油稳产增产,各油田增长机械采油井，抽油泵需用量猛增，因而，兵器部、机械部、石油部各油田机修厂均争先造泵，浮现了一种新局面，当前做到供需基本平衡，供稍不不大于需。但从国内抽油泵重要件某些、适应性和服务某些与国外相比，尚有较大差距，如不在技术装备上改造，管理上改革，是适应不了机械采油发展。
近年来国内各大油田及机械制造厂都对抽油泵进行了必要研究，并研制了大量抽油泵产品，如双柱塞反馈抽油泵、增压抽油泵（能量补偿装置）、液压反馈式增压抽油泵、HLB型空心环流抽油泵、浸入式抽稠油泵、防喷式稠油抽油泵等，并研究出了整筒泵稀土氮碳硼共渗、组合抽油泵缸套激光淬火等技术。当前随着国内油井井况日益恶劣，如含砂量大、高气油比、腐蚀严重、油井供液局限性等，国内外石油装备公司不断生产出针对特殊井况规定各类特种抽油泵。如合用于大排液量双作用泵，合用于高气油比防气泵，合用于抽稠油串联泵，合用于出砂井刮砂泵、防砂抽稠泵和防砂卡泵等防砂泵，合用于深井抽油过桥泵，合用于斜井抽油斜井深井泵，合用于过泵测试或加热空心泵等。
（1）.国内油田惯用抽油泵
一下几种泵均为国内自行研制，在国内各大油田使用较多。
1） 悬挂式抽油泵
悬挂式抽油泵特点是泵筒悬挂，下端不接尾管，尾管与外管连接，泵筒受力小，不易变形，避免了因泵筒被拉细拉长而导致卡泵；处在悬垂状态泵具备自动对正功能，可以应用于斜井；悬挂式抽油泵与底部固定式泵相比更适合于在稠油井中工作。悬挂式抽油泵比普通整筒泵使用寿命长。
2） 机械强制阀式抽油泵
机械强制阀式抽油泵依托机械力作用，迫使游动阀启动，在抽吸稠油时解决了阀球滞后启闭问题，以及热采转抽蒸汽锁和普通气锁问题，提高了抽油泵容积效率，合用于稠油井。
3） 有杆射流增压抽油泵
有杆射流增压抽油泵是在常规有杆泵吸入口处安装了一套射流增压装置，运用射流增压原理提高有杆泵吸入口压力，减少杆柱载荷，提高排液量。有杆射流增压抽油泵可以实当前不加深泵挂深度状况下，达到加深泵挂效果，还可以在不变化地面设备条件下加深泵挂。有杆射流增压抽油泵泵效比普通泵提高15%左右。
4） 动筒式杆式抽油泵
动筒式杆式泵重要特点为泵筒在油管与柱塞之间相对运动，油内含砂不易沉积；油井停抽时，原油被封在泵筒以外，不易导致卡泵和柱塞拉伤。该泵泵筒采用镀铬解决，柱塞采用碰焊工艺，寿命较长，且作业以便；泵筒顶部加装沉砂构造，合用于含砂量较大油井。
5） 配套抽油泵
配套抽油泵实现了泄油器、脱接器、抽油泵三配套。该泵采用撞滑式泄油器，滑套在弹簧作用下没有外力就可复位；采用仿美旋转脱接器，构造简朴，使用以便，可靠性高。整泵具备寿命长、工具配套、采液量大、作业以便等长处，使用于产液量大油井。
6） 斜井抽油泵
斜井抽油泵重要特点是：柱塞可以旋转；依托弹簧力作用迫使阀球关闭；阀罩与弹簧可以起到扶正作用。该泵解决了斜井中抽油时柱塞偏磨、阀球关闭滞后和阀球偏落问题，提高了抽油泵寿命和容积效率，适于在斜度达斜井中使用。
1.1.3国内外发展水平分析及建议
从国内外抽油泵研究方面状况来看，国内研究水平与国外基本相称，都研制出了各种适应不同使用场合抽油泵产品。但从现场调研状况来看，国产抽油泵使用寿命比进口抽油泵使用寿命短。重要因素是国外抽油泵材料和热解决工艺优于国产抽油泵。制约国内杆式泵发展因素是：1杆式泵构造相对复杂、设计制造相对困难，对密封及支撑件综合规定较高；2对锚定件构造及机械性能研究尚未形成成熟技术；3对杆式泵作业质量规定相对较高；4使用习惯和结识上偏差，推广普及进展较慢。
对国内抽油泵此后发展建议：
（1）加大对抽油泵材料和热解决工艺研究力度，努力提高抽油泵使用寿命。
（2）大力发展整筒抽油泵，同步要优化整筒泵表面解决工艺，在提高泵效同步，提高抽油泵寿命。
（3）研究长冲程抽油泵，并将其与长冲程抽油机研究结合起来。长冲程抽油泵是运用油管作为泵筒，因而其核心技术是如何研制特殊构造柱塞（封隔器）。
1.2本文研究内容
该顶部固定底部密封杆式抽油泵是依照生产需要以功能设计为原则 ， 在原抽油泵构造基本上进行构造改造而进行，其中重要内容如下：
（1） 杆式抽油泵工作原理和办法阐明：一方面查找关于顶部固定和底部密封杆式抽油泵资料，然后结合国内油田实际状况对普通杆式抽油泵优缺陷进行分析，最后提出自己杆式抽油泵，并分析它固定密封原理。

（2） 顶部固定底部密封杆式抽油泵构造设计：通过对普通杆式抽油泵构造分析，再结合设计任务规定和自己固定密封办法、工作原理，设计顶部固定底部密封杆式抽油泵构造。
（3） 顶部固定底部密封杆式抽油泵装配图、零件图绘制：运用自己CAD绘图知识，绘制设计顶部固定底部密封抽油泵装配图、零件图等。
1.3长处
（1）采用将支撑固定于密封分置构造，泵筒哎管住中对中性好，使柱塞与泵筒间偏磨减小。
（2）泵筒上下均被固定，对工作筒支撑更加可靠。
（3）泵两端均被固定，有效避免了支撑卡爪折断及密封面磨损，使用寿命长，可靠性好。
（4）工作过程中，泵筒、外管上下两端分别被机械锁紧机构和皮碗密封构造密封，所行程环形油液带具备压力调节器作用，有效缓和泵筒内油液交变压力导致泵筒内径收缩、外帐趋势，并对正泵起到扶正、减振作用。

2 顶部固定底部密封杆式抽油泵总体方案设计
2.1构造设计
本设计采用将支撑固定与密封分置构造，依照GB/T 18607—《抽油泵及其组件规范》，实现构造创新和优化设计。该顶部固定底部密封杆式泵由泵筒总成、柱塞总成、固定阀总成、阀杆总成、泵固定装置、泵密封装置和泵支承装置构成。构造设计图如图2-1。
泵筒总成涉及泵筒20、加长短节12。柱塞总成由柱塞上部出油阀罩13、柱塞14、柱塞下部出油阀罩16、阀球19、阀座20、阀座管塞21构成。固定阀总成由泵筒进油阀罩22、阀球23、阀座24、构成。阀杆总成涉及阀杆异径接头1和阀杆2。泵固定装置由导向套4、密封铜环7、心轴6、锁爪9和变径接头11构成。泵密封装置由皮碗心轴27、皮碗座圈27、皮碗压帽28和皮碗接箍29构成。泵支承装置由上接头3、下接头5和密封座8构成。

图2-1顶部固定底部密封杆式抽油泵
1—阀杆异径接头 2—阀杆 3—上接头 4—阀杆导向套 5—下接头 6—心轴 7—密封铜环 8—密封座 9—机械锁爪 10—油管接箍 11—变径接头 12—加长短节 13—上阀罩 14—柱塞 15—密封圈 16—下阀罩 17—下游动阀球 18—下游动阀座 19—阀座管塞 20—泵筒 21—外工作筒 22—固定阀罩 23—固定阀球 24—固定阀座 25—皮碗心轴 26—皮碗 27—皮碗座圈 28—皮碗压帽 29—皮碗接箍 30—密封短节
2.2工作原理
该顶部固定底部密封杆式抽油泵顶部采用密封铜环、密封座、心轴、机械锁爪等构成机械锁紧机构，弹性机械锁爪锚定在密封座上，并以密封铜环支撑，底部以由皮碗、支承皮碗座圈、支承皮碗压帽、支承皮碗接箍、密封短节等构成密封构造密封。在泵工作时通过变径接头和心轴等部件，使泵筒总成可绕顶部锁紧机构这个支点摆动，而柱塞下部密封皮碗则对柱塞总成起到扶正、减震作用，从而延长泵使用寿命。
泵安装时，柱塞总成下行，靠自重下入泵筒，到设计下死点时，通过阀杆异径接头卡在阀杆导向套内限制其继续下行。泵总成下行，装置与泵筒上端弹性机械锁爪通过密封座内腔环形凸台时，弹性锁爪某些外径收缩，越过凸台至密封座下端时回弹恢复本来尺寸，并用其上外圆锥面向上紧靠在密封座下内圆锥面上，在正常抽油时防止泵被提上去。同步密封铜环正好落座于密封座接触锥面上，泵即被锚定，完毕坐卡。密封铜环下锥面支承在泵支承装置密封座上，起着支承杆式泵防止在正常抽油时泵下行和不让密封环上原油流回油管作用。检泵时，阀杆总成与柱塞总成被抽油杆向上提起，带动泵总成上行，当外加载荷克服弹性机械锁爪与密封座之间弹力及摩擦力时，机械锁爪弹性锁爪收缩，机械锁紧机构锚定被解除，实现解卡并可将泵整体起出。
下部皮碗密封装置，密封短节设计了一种变径构造，皮碗下放到变径某些，遇到凸台，受摩擦产生挤压变形，实现密封，防止原油在进入泵筒时进入泵筒和外管之间间隙内。同步也防止泵筒和外管间隙内油液流回油井。
工作过程中，上冲程时，柱塞上行，下游动阀关闭，固定阀打开，原油进入泵筒下腔室，柱塞上部原油被排出地面。下冲程时，固定阀关闭，游动阀打开，下腔室原油通过阀座管塞、阀座、柱塞、阀罩流道进入油管，排出地面。
3 顶部固定底部密封杆式抽油泵设计
3.1抽油泵总体尺寸计算
3.1.1油管直径与泵径匹配
杆式泵要插入油管中，管式泵要与油管连接，故油管直径必要要与抽油泵泵型及泵径想匹配。杆式泵是插入式泵，油管内径必要不不大于杆式泵最大外径，反映为油管尺寸代号比泵径尺寸代号前两位数值要大，如20-125RHA中20>12。
依照任务书，抽油泵泵径为38㎜，油管外径为73㎜。
3.1.2抽油杆规格与泵径匹配
与抽油杆连接第一根抽油杆规格已经原则化，其推荐规格见表3-1。
表3-1 泵径与抽油杆规格匹配
尺寸符号
15-125
25-150
25-175
25-225
30-275
30-325
30-375
泵径
31.75
38.10
44.45
57.15
69.85
82.55
95.25
抽油杆
规格
CYG 13（1/2）
CYG 16
(5/8)
CYG 19
(3/4)
CYG 19
(3/4)
CYG 22
(7/8)
CYG 22
(7/8)
CYG 25
(1)
依照任务书，抽油杆直径为19㎜。
3.1.3抽油泵最大外径
杆式泵最大外径受到油管内径限制，它们之间应有必要间隙以保证杆式泵能顺利插入。依照任务书，最大外径为54.5㎜。
3.1.4抽油泵长度
抽油泵长度重要取决于泵筒长度，它与冲程长度关于，详细地说是由柱塞长度、冲程长度、防冲距和加长接头长度等拟定。推荐柱塞长度和防冲距按表3-2选取。但为减少生产厂制备柱塞规格，优先采用柱塞密封段长度为1200㎜。
表3-2 推荐柱塞长度和防冲距
下泵深度
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
3000
3300
3600
柱塞长度
0.6
0.9
1.2
1.2
1.2
1.2
1.5
1.5
1.8
1.8
防冲距
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.9
0.9
0.9
1.2
依照任务书，柱塞长度为1200㎜，冲程长度为4m。由表3-2得防冲距为0.6m。
依照<<抽油泵及其组件规范>>，泵筒长度取5.488m，加长短节长度0.3m。最后由实际装配图得抽油泵总长度为6820㎜。由国标《抽油泵及其组件规范》计算选阀杆长度为4597㎜。
3.2抽油泵重要零件设计与计算
因各种零件构造、作用和工况不同，设计计算内容也有区别。泵筒、柱塞等零件重要侧重于强度、刚度计算，而阀球、阀罩、阀座等零件计算则侧重于构造设计计算。
3.2.1、古德曼图
石油机械疲劳强度计算时，经常运用古德曼图，它是一张极限应力图。抽油泵是一种往复泵，各种零件所受应力为交变应力，可借用古德曼图进行计算。
3.2.1.1古德曼图
金属材料用古德曼图如图3-1所示 ，其横坐标是交变应力平均应力，纵坐标是最大应力和最小应力。一张完整古德曼图是凸八边形A、B、C……H构成封闭图形。工作在封闭图形范畴内零件其寿命可达到次循环以上，是安全。

图3-1 古德曼图
从图3-1可知：只要关于材料性质三个数据抗拉强度极限、屈服极限和实际耐久极限拟定后来，不难做出古德曼图。只要几种零件、和相似，可以共用一张古德曼图。
3.2.1.2 实际耐久极限
试件在周期应力作用下，不发生循环破坏（循环破坏次数达到次）最大应力称为耐久极限。耐久极限是通过表面光滑、直径5～7mm圆柱形试件，在转杆寿命实验机上实验获得。大量实验证明：对于黑色金属和和某些有色金属，耐久极限与材料抗力强度存在一定关系，并于加载方式关于，即：
（3-1）
式中 ：—耐久极限，MPa；
—材料强度极限，MPa；
—加载方式系数，弯曲：轴向拉压：
扭转： 。
实际使用零件与试样有差别，工况与实验条件也不尽相似，应将耐久极限依照实际状况进行调节，使之能适应实际状况，调节后数据称为实际耐久极限。影响实际耐久极限因素重要有偏载状况、直径大小、工件表面质量和介质性质等。
（l） 偏载系数
轴向拉压，因偏心而产生不拟定弯曲，将影响实际耐久极限。对于抽油泵零件而言可取偏载系数。
（2） 直径系数（）
实验表白，随着试件直径增长，耐久极限下降。对于石油机械推荐
(3-2)
式中：
—直径系数；
—工件计算直径，㎜。对于非圆或者管状零件可折算成同截面积圆直径。
抽油泵泵筒可取：。
（3） 工件表面系数：
工件表面粗糙度对耐久极限有较大影响，并且材料强度极限越大，影响越明显。抽油泵零件表面大某些通过机械加工，故推荐表面系数为：
（3-3）
（4）腐蚀状况系数（）
有腐蚀介质存在，将使实际耐久极限下降，普通取腐蚀状况系数，腐蚀状况越严重，系数越小，无腐蚀。
（5）实际耐久极限
综合上述，实际耐久极限为:
（3-4）
3.2.1.3 交变应力
最小应力，最大应力，平均应力，应力振幅，应力振程 ，它们之间关系如下：
（3-5）
（3-6）
（3-7）
3.2.1.4 应力集中系数
应力集中对耐久极限有很大影响，应力集中系数大小可参照关于书籍取用。对于抽油泵而言，大某些零件危险断面在螺纹上，推荐按表3-3拟定应力集中系数。
表3-3 螺纹应力集中系数
材料
滚制螺纹
切制螺纹
退火钢（＜HB200）
2.2
2.8
淬火冷拔钢（＞HB200）
3.0
3.8
有应力集中存在时，可以看作应力相应增长了倍，仍可应用古德曼图，此时计算应力比实际应力增长倍。
3.2.1.5 古德曼图图解法
古德曼图图解法目是判断零件实际使用时其寿命与否能达到次循环以上，疲劳安全系数有多大。
在图3-1中，过横坐标上任意一点L（）垂直线交古德曼图与两点J、K，它们代表应力是该下容许最大应力，为容许最小应力，而
（3-8）
为容许最大应力振程。如果实际应力振程＜,此零件疲劳强度足够，其安全系数为
（3-9）
3.2.1.6古德曼图解析法
用图解法求解比较麻烦，也不便微机解决，故推荐使用解析法。解析法核心
是如何用计算法求得与相应容许最大应力振程。为此把古德曼图分为四个区（如上图所示），由于古德曼图已将极限应力曲线简化为折线，故不难求诸直线方程及交点坐标。从而求得与相应。各区相应平均应力范畴，容许最大、最小应力和最大振程等计算式列于表3-4.
表3-4 古德曼图应力振程
区
间
平均应力范畴
极限应力、
容许最大应力振程

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

1）应力极限
最大应力极限
最小应力极限
2）各区别界处平均应力

（3-10）
3）安全系数
依照考虑应力集中后平均应力来拟定所用古德曼图区间，并由相应计算式求出容许最大应力振程，则安全系数n为
（3-11）
3.2.2、泵筒设计与计算
泵筒是抽油泵重要零件，柱塞在其内做往复运动，抽汲油液，它又是固定阀、泵筒接箍等零件支持件。泵筒是加工难度最大零件，价值约占整筒泵总价60%左右。
3.2.2.1 .对泵筒性能规定
(1) 泵筒与柱塞形成一运动副，要保证柱塞转动和往复运动灵活无阻卡，且磨损均匀；
(2) 保证泵筒与柱塞之间有足够密封能力；
(3) 要有足够强度、刚度和疲劳强度，能适应深抽需要；
(4) 要有较好耐磨性；
(5) 要有较好腐蚀能力。
3.2.2.2. 泵筒材料
从井下介质状况来看，重要存在固体颗粒和腐蚀性物质，不同井中固体颗粒大小、含量和腐蚀性物质化学成分、浓度均有变化，应当依照不同介质选取相应泵筒材料。为了更好发挥材料使用性能，还应当与采用工艺结合起来，以达到较好经济效益。
制造泵筒材料重要有碳钢、合金钢、不锈钢和有色金属。往往因受到泵筒毛坯供应状况限制，最惯用是碳钢和合金钢。
制造泵筒用毛坯是精密钢管，当前国内已有生产。可以分为两类：一是直缝焊接、芯轴拉拔精密钢管，这种毛坯壁厚均匀，弯曲较小，残存应力较小，易于加工；二是冷拔、冷轧无缝管，这种毛坯尺寸精度高，表面质量好，可以有效地控制加工余量，但壁厚不太均匀，残存应力相对较大。制造组合缸套普通用普通无缝钢管。
制造泵筒毛坯是精密钢管（冷拔、冷轧无缝管）。这种毛坯尺寸精度高，表面质量好，可以有效控制加工余量。
泵筒摩擦表面强化工艺重要有碳氮共渗（或渗碳），氮化和镀铬等。国内还在进行镀镍、镀碳化钨合金、激光淬火等工艺实验，均有成功报道。各种泵筒材料与工艺对井下介质适应能力见表3-5。本设计采用镀铬。
表3-5 泵筒材料选用表
零部件名称

泵筒

序号
材料及工艺

零件硬度HRC
碳素钢
合金钢
不锈钢
有色金属
镀铬
镀镍
碳氮共渗
氮化钢氮化
4-6铬钢镀铬
4-6
铬钢碳氮共渗
普通

镀铬

海军黄铜
海军黄铜镀铬
蒙乃尔合金
蒙乃尔合金镀铬
介质状况
70
68
60
70
70
70
84
B
70
80
B
70

70
1
2
无
无+磨损
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
X
A
A
A
X
A
A
AX
A
A
3
4
5
6
高硫化氢
高硫化氢+磨损
低硫化氢
低硫化氢+磨损
X
X
C
X
B
B
B
B
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
B
B
B
X
B
X
B
B
B
B
A
X
B
X
A
A
A
A
AXAX
A
A
A
A
7
8
9
10
高二氧化碳
高二氧化碳+磨损
低二氧化碳
低二氧化碳+磨损
C
C
B
B
B
B
B
B
C
C
C
C
X
X
X
X
B
B
B
B
B
B
B
B
B
X
A
X
B
B
A
A
B
X
B
X
B
B
B
B
AXAX
A
A
A
A
11
12

13
14
高硫化氢+二氧化碳
高硫化氢+二氧化碳+磨损
低硫化氢+二氧化碳
低硫化氢+二氧化碳+磨损
X
X

X
X
B
B

B
B
C
C

C
C
X
X

X
X
C
C

C
C
C
C

C
C
B
X

B
X
B
B

B
B
B
X

B
X
B
B

B
B
AX

AX
A
A

A
A
15
16
17
18
高盐水
高盐水+磨损
低盐水
低盐水+磨损
C
C
B
B
A
A
A
A
B
B
A
A
B
B
A
A
B
B
A
A
B
B
A
A
C
X
B
X
C
C
B
X
A
X
A
X
A
A
A
A
A
X
A
X
A
A
A
A
19
氧
B
A
C
B
B
B
A
A
A
A
A
A
注：A—最佳应用；B—广泛应用；C—可以应用；X—不推荐应用。
3.2.2.3. 泵筒技术条件
有杆泵已有数十年使用经验比较成熟，故泵筒技术条件已原则化
（1） 内径制造偏差为D0+0.05mm。
（2） 形位偏差
泵筒全长内内径变动量规定控制在制造公差内，即最大为0.05mm，但有工厂规定控制在0.025mm以内 。
内孔圆柱度用综合测量，基本尺寸为D泵筒，用㎜综合量规（通径规）检查时应能通过。
（3） 内孔表面粗糙度不不不大于Ra0.4um。
（4） 渗（镀）层厚度与硬度
对于惯用几种工艺渗（镀）层厚度及硬度推荐数值见下表3-6：
表3-6 泵筒渗（镀）层厚度及硬度
表面解决办法
渗（镀）层厚度
（mm）
表面硬度
（HRC）
心部硬度
（HB）
镀铬

66～72
207～240
渗碳或者渗氮共渗

58～66
氮化

HV856～1307
因而选用泵筒材料为45钢，镀铬。

图3-2 泵筒
3.2.2.4 泵筒强度计算
（1） 泵筒分类
按泵筒壁厚可分为薄壁筒、中厚壁筒、厚壁筒和超厚壁筒。API规范中，薄壁筒壁厚δ=3.175mm，厚壁筒δ=6.35mm，中厚壁筒和超厚壁筒壁厚由生产厂自定，普通中厚壁筒壁厚δ=4.763，超厚壁筒壁厚δ=8～12mm。
因而选取壁厚8mm。
按泵筒两端螺纹构造可分为外螺纹和内螺纹两种，由于内螺纹强度较好，故薄壁筒惯用内螺纹。
按受力方式可分为挤扁和复合抗力两种。底部固定杆式泵（RHB、RWB、RSB）和动筒式杆式泵（RHT、RWT、RST）受挤扁，而管式泵（TH、TP）和顶部固定杆式泵（RHA、RWA、RSA）受复合抗力。
（2） 危险工况、危险部位和危险断面
各种类型抽油泵在上下行程中受力状况和危险部位不同。例如：对于管式泵而言，无论上行程或下行程均为危险工况，上行程时泵筒部位在柱塞上方，而下行程时泵筒在全长内均为危险部位。又如：底部固定杆式泵上行程才是危险工况，泵筒危险部位在柱塞下方，受挤扁。定不固定杆式泵受力和管式泵相似。
泵筒危险断面是在两端螺纹处。推荐螺纹处计算直径为
（3-12）
式中：
---螺纹处计算直径,mm;
---螺纹大径，mm;
---螺距,mm。
计算得 d0=48-0.97×2=46mm；
内外螺纹危险断面处，承载面积计算如下:
外螺纹泵筒
D1=D;D2=d0 （3-13）
危险断面承载面积为
（3-14）
式中：
---危险断面承载面积，mm2；
---计算内径，mm；
---计算外径，mm。
计算得=×（462-382）/4=527mm2。
（3）载荷分析
筒内、外压力
筒内、外压力是由井液导致，其计算式为
（3-15）
式中：
---筒内、外压力，Map；
--- 井液密度，kg/m3，设计计算时可取=103 kg/m3；
---下泵深度，m取下泵深度为1500m；
---井口回压，Map，依实际状况拟定，普通取=1.5~5 Map，计算时可取 =2 Map，故有
=9.8×10-3+2 （3-16）
计算得 =9.8×10-3×1500+2=16.7 Map
附加轴向载荷
把由筒内压力导致轴向载荷以外轴向载荷称为附加轴向载荷，它涉及泵筒组自重、尾管重量、井液浮力及柱塞和泵筒之间摩擦力等。因泵筒组自重占轴向载荷比例不大，可忽视不计；为安全起见，井液浮力不予考虑。故附加载荷及应力为
（3-17）

式中：
---附加轴向载荷，N；
---尾管重量，㎏，对于杆式泵而言，不承受尾管重量，=0；
---柱塞与泵筒之摩擦力，N，井液粘度不大，摩擦力可忽视不计，故设计时按=0考虑。
计算得 =0
（4）应力分析
从泵筒上取一应力元，它受三向应力，危险点在泵筒内径处。各种泵型三向应力大小见表3-7
表3-7 抽油泵各工况应力分析