邢大偉，柴希偉

（1.中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司，河南新鄉(xiāng)453000；2.西南石油大學(xué)，四川成都610000）

節(jié)流閥芯流場(chǎng)受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邢大偉*1，柴希偉2

（1.中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司，河南新鄉(xiāng)453000；2.西南石油大學(xué)，四川成都610000）

節(jié)流閥是壓井節(jié)流管匯中的核心設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中錐形節(jié)流閥常因結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致振動(dòng)斷裂而失效，給壓井帶來(lái)了很大的安全隱患。以楔形閥為核心分析其在高壓流場(chǎng)中的受力情況，并得出計(jì)算軸向液壓推力和橫向推力公式。同時(shí)，采用雙向流固耦合計(jì)算方法，對(duì)楔形節(jié)流閥芯和錐形閥芯在流體沖擊載荷作用下位移變化值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證楔形閥芯替代錐形閥芯的可行性。最后，對(duì)楔形閥芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善閥芯的壓降特性。從而，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

節(jié)流閥；力學(xué)分析；流場(chǎng)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

節(jié)流閥是壓井管匯的核心部件。壓井施工中，節(jié)流閥是為了提高環(huán)空流動(dòng)阻力而在循環(huán)通路末端人為設(shè)置的一個(gè)流動(dòng)障礙，其作用是控制流量，用于保持整個(gè)油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的壓力，防止溢流甚至井噴［1］。

油田普遍使用錐形節(jié)流閥。在高壓油氣井壓井過(guò)程中，節(jié)流閥工作條件十分惡劣，流量大、工作壓力高，錐形閥芯常因結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致震動(dòng)疲勞破壞和流體沖蝕引起管匯刺漏，甚至造成閥桿斷裂，閥座刺穿。因此，確保節(jié)流壓井工藝安全，節(jié)流管匯結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化將起到巨大的推動(dòng)作用。

本文主要以楔形閥為核心分析其在高壓流場(chǎng)中的受力情況，并采用雙向流固耦合計(jì)算方法對(duì)比分析兩種閥芯的位移變化值，驗(yàn)證楔形閥芯替代錐形閥芯的可行性。最后，對(duì)楔形閥芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得最佳結(jié)構(gòu)。從而，解決閥芯斷裂現(xiàn)象，延長(zhǎng)節(jié)流閥的使用壽命，對(duì)油氣田節(jié)流壓井意義重大。

1　節(jié)流閥閥芯受力分析

節(jié)流閥在流場(chǎng)中承受2種分力：軸向液壓推力和橫向推力。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，錐形閥芯斷裂位置通常在閥芯根部，原因是閥芯因高速流體沖擊受不穩(wěn)定變應(yīng)力條件發(fā)生疲勞斷裂?？梢?jiàn)，決定閥芯壽命的關(guān)鍵力是橫向推力。由于高壓流體的不穩(wěn)定性，流體由四周流過(guò)錐形閥芯時(shí)，對(duì)其橫向推力必然難以達(dá)到平衡，產(chǎn)生不穩(wěn)定變應(yīng)力，發(fā)生斷裂疲勞。為解決上述問(wèn)題，將原有錐形閥芯改成楔形閥芯結(jié)構(gòu)，從力學(xué)原理上將一端固定的懸臂梁結(jié)構(gòu)改成了一端固定、一端支撐的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了閥芯結(jié)構(gòu)在不穩(wěn)定變應(yīng)力沖擊條件下的抗疲勞特性。

楔形節(jié)流閥的幾何受力模型如圖1所示。

圖1　錐形節(jié)流閥芯的幾何受力模型

作用在楔形閥芯上的液壓推力利用流動(dòng)液體的動(dòng)量方程直接求出總作用力，即所謂控制體積法［2-4］。

式中：d0、d1、d2——閥桿直徑、閥出口直徑、倒角處直徑；

P1、P2——進(jìn)口壓力、出口壓力；

x──閥芯開(kāi)啟高度；

υ1──流過(guò)閥芯的流體速度；

ρ──流體的密度；

q──流體的質(zhì)量流量；

由于高壓流體的不穩(wěn)定性，作用在錐形閥的橫向推力很難精確地計(jì)算獲得。但是，可以從材料力學(xué)的角度出發(fā)定性的比較楔形閥與錐形閥，驗(yàn)證楔形閥芯的合理性。橫向力可以簡(jiǎn)化為作用在閥桿和閥芯上的均布載荷。簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2　節(jié)流閥閥芯彎曲變形簡(jiǎn)化模型

上述模型為一端固定、一端支撐的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，A處表示為閥桿固定在閥體上，B表示閥座對(duì)楔形閥芯的支撐。通過(guò)分析上述簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，得出撓曲線方程和轉(zhuǎn)角方程［5］。而錐形閥的簡(jiǎn)化模型為一端固定的懸臂梁。表格1分別表示2種模型的撓曲線方程，轉(zhuǎn)角及最大撓度。

表1　簡(jiǎn)化模型在載荷作用下的變形

從表1中可以清楚看到，在相同載荷作用下，錐形閥芯簡(jiǎn)化模型的轉(zhuǎn)角和最大撓度都高于楔形閥芯。盡管將閥芯簡(jiǎn)單的視為梁模型，導(dǎo)致橫向力的計(jì)算誤差較大，但是我們可以定性地驗(yàn)證了楔形閥芯替代錐形閥新的可行性。

2　不同開(kāi)度時(shí)節(jié)流閥芯震動(dòng)分析

2.1流固耦合計(jì)算模型

節(jié)流閥閥芯震動(dòng)明顯對(duì)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)有一定影響，因此采用雙向流固耦合方式進(jìn)行計(jì)算［6-8］。為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，流固耦合計(jì)算模型只針對(duì)節(jié)流閥內(nèi)部流體域與閥芯固體域，如圖3所示。

圖3　節(jié)流閥流固耦合計(jì)算模型

2.2結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果分析主要是針對(duì)節(jié)流閥針形閥芯與楔形閥芯在流體沖擊載荷作用下位移變化情況。圖4是不同開(kāi)度情況下，針形閥芯結(jié)構(gòu)變形位移云圖。在不同開(kāi)度情況下，閥芯頂端變形位移最大，變形量向閥芯根部逐漸減小。開(kāi)度20%時(shí)，最大變形位移0.24401mm；開(kāi)度40%時(shí)，最大變形位移0.23113mm；開(kāi)度60%時(shí)，最大變形位移0.22035mm；開(kāi)度80%時(shí)，最大變形位移0.19244mm。針形閥芯最大變形位移量隨著開(kāi)度增加而減小。

圖5是不同開(kāi)度情況下，楔形閥芯結(jié)構(gòu)變形位移云圖。在不同開(kāi)度情況下，閥芯頂端變形位移最大，變形量向閥芯根部逐漸減小。開(kāi)度20%時(shí)，最大變形位移0.0382mm；開(kāi)度40%時(shí)，最大變形位移0.025163mm；開(kāi)度60%時(shí)，最大變形位移0.02237mm；開(kāi)度80%時(shí)，最大變形位移0.013899mm。楔形閥芯最大變形位移量隨著開(kāi)度增加而減小。

在相同情況下，針形閥芯變形位移是楔形閥芯的6～10倍，震動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于楔形閥芯，發(fā)生疲勞斷裂的可能性高于楔形閥芯。因此，為提高節(jié)流閥使用壽命，采用楔形閥芯替換針形閥芯的方法是可行的。

3　閥芯斜面改進(jìn)

對(duì)閥芯的改進(jìn)即是使閥芯與閥座之間的流道改變，根據(jù)原節(jié)流閥壓降這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)閥芯的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案是：增大節(jié)流閥在小開(kāi)度時(shí)的流道面積，減小節(jié)流閥在大開(kāi)度時(shí)的流道面積。如圖6所示，對(duì)閥芯楔面兩端進(jìn)行參數(shù)l和n設(shè)置，模擬參數(shù)變化時(shí)不同開(kāi)度下的壓降值。

圖4　針形閥芯結(jié)構(gòu)變形位移云圖

圖5　針形閥芯結(jié)構(gòu)變形位移云圖

圖6　閥芯改進(jìn)方案

圖7　閥芯新結(jié)構(gòu)

由于閥芯改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)n的存在，使得節(jié)流閥內(nèi)部流體域在閥芯關(guān)閉時(shí)存在斷點(diǎn)（流體域突變），因此需對(duì)閥芯結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

由于在閥芯進(jìn)程控制上，一般是以開(kāi)度5%或者10%（行程2.5或5mm）為單位，而閥芯行程總長(zhǎng)是50mm。因此對(duì)閥芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化思路是：從閥芯型面末端作一斜面，在兩斜面交接處倒角Rn（mm），優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖7所示。

與原結(jié)構(gòu)壓降特性進(jìn)行比較如圖8所示。

通過(guò)新閥芯結(jié)構(gòu)與原閥芯結(jié)構(gòu)壓降特性對(duì)比可以看出，通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化后的2種閥芯結(jié)構(gòu)的壓降特性的特點(diǎn)是：從閥芯開(kāi)度10%到開(kāi)度20%之間壓降迅速降到10MPa，在此后的行程范圍內(nèi)，壓降隨開(kāi)度的變化幾乎呈線性關(guān)系。

與原閥芯結(jié)構(gòu)壓降特性相比，新閥芯結(jié)構(gòu)在符合控壓鉆井工藝需要上，不僅增大了節(jié)流閥的有效可調(diào)節(jié)行程，而且大大提高壓降特性線性度，使節(jié)流閥能可調(diào)性大幅度提高。

圖8　新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)壓降特性對(duì)比

4　結(jié)論

（1）使閥芯結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞斷裂的關(guān)鍵因素是橫向推力，斷裂位置易發(fā)生在閥芯根部。

（2）在相同情況下，針形閥變形位移是楔形閥的6～10倍，震動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于楔形閥芯，發(fā)生斷裂的概率高于楔形閥芯。

（3）在井控工藝中壓降開(kāi)度曲線不可能達(dá)到線性，但在控壓鉆井中只需要某一區(qū)間范圍內(nèi)達(dá)到近似線性，通過(guò)此改進(jìn)方案能夠達(dá)到這點(diǎn)要求。

［1］練章華.高壓節(jié)流閥流場(chǎng)分析及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.石油機(jī)械，2004，32（9）：22-41.

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TE927

A

1004-5716（2016）10-0067-04

2015-11-15

2015-11-17

邢大偉（1989-），男（漢族），河北滄州人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)工作。