程 銳，范海濤，朱麟杰，許 洋，文 歡

(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引 言

20世紀(jì)90年代初期以來(lái)國(guó)內(nèi)石油需求增長(zhǎng)強(qiáng)勁，消費(fèi)量和進(jìn)口量猛增，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)使我國(guó)的石油需求量急劇上升，然而石油生產(chǎn)增長(zhǎng)乏力，國(guó)內(nèi)石油供需矛盾日益突出。近年來(lái)，我國(guó)海洋石油探明儲(chǔ)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。但受國(guó)外技術(shù)壟斷，早期海洋石油大部分是與國(guó)外石油公司合資開發(fā)的，所產(chǎn)原油需與外國(guó)公司分成，因此每年我國(guó)實(shí)際獲得的原油產(chǎn)量只有幾百萬(wàn)噸。迄今，我國(guó)海洋石油在國(guó)內(nèi)原油生產(chǎn)中也只能算作替補(bǔ)。

液壓驅(qū)動(dòng)可調(diào)節(jié)式水下節(jié)流閥(見圖1)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)深海油氣開發(fā)裝備的重要組成部分。根據(jù)中國(guó)南海某油田工況，依托1 500 m水下智能井口和采油樹項(xiàng)目，著重介紹節(jié)流閥閥芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 液壓驅(qū)動(dòng)可調(diào)節(jié)式水下節(jié)流閥

1 水下節(jié)流閥閥芯功能介紹

液壓驅(qū)動(dòng)可調(diào)節(jié)式水下節(jié)流閥(額定工作壓力為10 000 psi(1 psi=6.895 kPa)，額定工作溫度為-29～121 ℃，出口溫度達(dá)-46 ℃，通徑為4-1/16英寸(1英寸=0.025 4 m)，材料等級(jí)為HH-NL，產(chǎn)品規(guī)范等級(jí)為PSL3G，性能等級(jí)為PR2，設(shè)計(jì)水深為1 500 m)是安裝于水下采油樹下游的調(diào)節(jié)生產(chǎn)流道流量的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。流道通路依次為流道入口、滑套過(guò)流孔、閥芯環(huán)空過(guò)流通道、流道出口。其中，液壓式驅(qū)動(dòng)器通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)(亦可通過(guò)CLASS Ⅳ插口)，由遙控?zé)o人潛水器(Remotely Operated Vehicle，ROV)扭力工具驅(qū)動(dòng))[3]，具體為通過(guò)驅(qū)動(dòng)器液壓缸(1對(duì))中心軸與閥桿之間的齒輪嚙合，使得閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)(或ROV扭力工具直接轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿)。閥桿通過(guò)螺紋連接至閥芯(見圖2)柱塞組件，從而將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)閥芯柱塞組件上下移動(dòng)，打開或遮蔽閥芯滑套組件的滑套過(guò)流孔，調(diào)節(jié)過(guò)流孔過(guò)流面積，最終實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

圖2 閥芯結(jié)構(gòu)示例

2 水下節(jié)流閥流量與流量系數(shù)

在理想狀態(tài)下，流道流量方程[4]為

(1)

式中：Q為體積流量；A為過(guò)流面面積；ξ為流阻；ρ為流體密度；ΔP為流道入口與出口的壓差。流量系數(shù)C′為

(2)

關(guān)于流量系數(shù)的定義，符號(hào)CV與KV(AV)所涉及定義有所不同：

CV為用5～15 ℃的水，保持閥門兩端壓差為1 psi，閥門全開狀態(tài)下每分鐘流過(guò)的水量，單位為gal(美)/min(1 gal(美)=0.003 78 m3)；

KV為用5～40 ℃的水，保持閥門兩端壓差為100 kPa，閥門全開狀態(tài)下每小時(shí)流過(guò)的水量，單位為m3/h；

AV為用5～40 ℃的水，保持閥門兩端壓差為1 kPa，閥門全開狀態(tài)下每秒流過(guò)的水量，單位為m3/s。

考慮到量綱、密度、結(jié)構(gòu)等因素的影響，且為便于運(yùn)算，流量系數(shù)方程可改寫為

(3)

(4)

根據(jù)定義，取G=1，為便于運(yùn)算，式(4)可改寫為

(5)

(6)

(7)

根據(jù)單位變換KV=0.865CV，即CV=1.156KV[5]。在本設(shè)計(jì)中，水下節(jié)流閥的流量系數(shù)CV=38.1 gal(美)/min。

3 閥芯滑套過(guò)流孔設(shè)計(jì)

3.1 流量系數(shù)與過(guò)流面積的關(guān)系

由式(1)可知，在節(jié)流閥進(jìn)出口通徑一致的情況下，若閥芯結(jié)構(gòu)一定，流阻基本穩(wěn)定，則過(guò)流面積越大，流量系數(shù)也越大，節(jié)流閥可調(diào)節(jié)范圍越寬。

為了在確定的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)體積流量具有良好的線性可調(diào)節(jié)性，要求閥芯柱塞組件位移與閥芯滑套組件過(guò)流面積A(L)存在線性關(guān)系

A(L)=KA(L-L1)+A1,(L1≤L≤L2)

(8)

式中：KA為柱塞組件調(diào)節(jié)滑套過(guò)流面積的線性斜率，mm/mm2；L1為柱塞組件調(diào)節(jié)滑套過(guò)流面積的線性起點(diǎn)位移，mm；L2為柱塞組件調(diào)節(jié)滑套過(guò)流面積的線性終點(diǎn)位移，mm；A1=A(L1)為柱塞組件調(diào)節(jié)滑套過(guò)流面積的線性起點(diǎn)的過(guò)流面積。式(2)可改寫為

(9)

綜合式(8)和式(9)，柱塞組件位移、閥芯開度KL(KL=L/Lmax，其中Lmax為柱塞組件調(diào)節(jié)滑套過(guò)流面積的最大位移)、流量系數(shù)在L1≤L≤L2存在良好的線性可調(diào)節(jié)性關(guān)系。根據(jù)式(4)，在該區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為對(duì)體積流量的良好線性可調(diào)節(jié)性。

3.2 柱塞位移與過(guò)流面積的關(guān)系

滑套圓形過(guò)流孔相對(duì)于其他形狀的過(guò)流孔更耐沖損和腐蝕，本設(shè)計(jì)亦采用圓孔設(shè)計(jì)。對(duì)于任意正面投影為圓孔的過(guò)流孔，在閥芯與閥套相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，計(jì)算正對(duì)相對(duì)面積的變化。

假設(shè)單孔(見圖3)半徑為R，滑套的相對(duì)位移為a，對(duì)應(yīng)的圓形角為θ，則在該位移下的過(guò)流面積為

圖3 單孔過(guò)流面積示例

(10)

(11)

令B=2θ-sinθ，則根據(jù)泰勒展開，可得

(12)

根據(jù)式(8)和式(11)，取3項(xiàng)近似，則

(13)

圖4 多孔過(guò)流面積示例

對(duì)于系列孔，按節(jié)流開閥順序排列，依次排列的孔徑為Rt，每排同孔徑過(guò)流孔數(shù)量為Nt，每排孔的上下間距為bt(可正可負(fù))，共計(jì)n排，總移動(dòng)距離為

L′=b0+2R1+b1+2R2+b2+…+

2Rn+bn

(14)

由于起止段不影響節(jié)流面積，在計(jì)算中不予考慮。在不考慮起始位置和終止運(yùn)動(dòng)位置后，總移動(dòng)距離為

L=2R1+b1+2R2+b2+…+

bn-1+2Rn

(15)

令R0=0、b0=0、bn=0，在第k(1≤k≤n)排孔位置處，位移Lk為

(16)

在第k排孔位置的過(guò)流面積為

(17)

第m(1≤m≤n)排孔的單孔位移為

(18)

在式(17)和式(18)中，第m排孔過(guò)流面積對(duì)應(yīng)的圓心角為

(19)

3.3 過(guò)流孔面積與排布

通徑進(jìn)出口過(guò)流面積AF為

(20)

式中：DF為水下節(jié)流閥通徑，mm。在本設(shè)計(jì)中DF=103 mm，AF=8 332 mm2。在全開狀態(tài)下，為確保水下節(jié)流閥有盡可能小的功率損耗(降低流阻)，滑套過(guò)流孔的總面積A(Ln)不宜過(guò)小，應(yīng)盡可能趨近通徑進(jìn)出口過(guò)流面積AF；同時(shí)，考慮到柱塞位移、滑套的強(qiáng)度、耐腐蝕、閥體體積、經(jīng)濟(jì)性，A(Ln)又不宜過(guò)大，在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮這類因素的影響。

本設(shè)計(jì)采用3排過(guò)流孔，且要求在經(jīng)過(guò)第2排過(guò)流孔的過(guò)程中，面積變化盡可能為線性。為優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用3組同結(jié)構(gòu)閥芯不同過(guò)流孔進(jìn)行比較分析，具體要求如下：

(1) 每組閥芯過(guò)流孔孔徑相同；

(2) 3排過(guò)流孔交叉排布；

(3) 柱塞過(guò)流孔過(guò)流面積調(diào)節(jié)位移盡可能小(傳動(dòng)螺紋圈數(shù)與螺紋節(jié)距之積盡可能小)；

(4) 閥芯過(guò)流孔所在柱面內(nèi)側(cè)與閥通徑等徑；

(5) 3組閥芯除過(guò)流孔外，結(jié)構(gòu)完全相同；

(6) 采用Excel編程30等分位移描點(diǎn)計(jì)算。

3.3.1 方案(1)

確保過(guò)流孔面積和通徑過(guò)流面積相等，且確保柱塞節(jié)流位移L3盡可能小。

方案(1)采用3排過(guò)流孔，每排12個(gè)孔，則過(guò)流孔孔徑R1=R2=R3=8.6 mm，間距b1=b2=-6.4 mm，數(shù)量N1=N2=N3=12。

總位移：L3=2R1+b1+2R2+b2+2R3=38.8 mm。

根據(jù)式(17)～式(19)，獲得柱塞位移(0≤L≤L3=38.8 mm)與過(guò)流孔過(guò)流面積的擬合曲線如圖5所示。

圖5 方案(1)柱塞位移與滑套過(guò)流孔過(guò)流面積關(guān)系擬合曲線

易于發(fā)現(xiàn)，在中段，由于過(guò)流孔偏于密集，又需確?？组g間距，避免沖損和腐蝕破壞，兩側(cè)過(guò)流孔與中心過(guò)流孔交叉不夠，仍然出現(xiàn)明顯的柱塞位移與過(guò)流面積非線性突變。

3.3.2 方案(2)

在方案(1)的基礎(chǔ)上，過(guò)流孔孔徑不變，減少過(guò)流孔數(shù)目，使過(guò)流孔充分相交，降低方案(1)中柱塞位移與過(guò)流面積非線性突變。

方案(2)采用3排過(guò)流孔，每排6個(gè)孔，則過(guò)流孔孔徑R1=R2=R3=8.6 mm，間距b1=b2=-8.6 mm，數(shù)量N1=N2=N3=6。

總位移：L3=2R1+b1+2R2+b2+2R3=34.4 mm。

根據(jù)式(17)～式(19)，獲得閥芯位移(0≤L≤L3=34.4 mm)與過(guò)流孔過(guò)流面積的擬合曲線如圖6所示。

圖6 方案(2)柱塞位移與滑套過(guò)流孔過(guò)流面積關(guān)系擬合曲線

3.3.3 方案(3)

綜合方案(1)和方案(2)可知，為確保閥芯柱塞位移中段與過(guò)流孔過(guò)流面積的線性關(guān)系，應(yīng)盡可能確保中心孔與兩側(cè)孔充分交叉：若要求盡可能減小柱塞位移，則排布的過(guò)流孔尺寸應(yīng)盡可能?。蝗粢蟊M可能保證總過(guò)流面積和線性關(guān)系，則柱塞位移應(yīng)適當(dāng)增大。

方案(3)采用3排過(guò)流孔，每排4個(gè)孔，則過(guò)流孔孔徑R1=R2=R3=14.9 mm，間距b1=b2=-14.9 mm，數(shù)量N1=N2=N3=4。

總位移：L3=2R1+b1+2R2+b2+2R3=59.6 mm。

根據(jù)式(17)～式(19)，獲得閥芯位移(0≤L≤L3=59.6 mm)與過(guò)流孔過(guò)流面積的擬合曲線如圖7所示。

圖7 方案(3)柱塞位移與滑套過(guò)流孔過(guò)流面積關(guān)系擬合曲線

4 閥芯環(huán)空過(guò)流通道

環(huán)空過(guò)流通道間隙(見圖2，閥芯環(huán)空過(guò)流通道)寬度為

(20)

式中：S為環(huán)空間隙寬度，4 mm≤S≤44 mm；A(Ln)為過(guò)流孔全開的過(guò)流面積，mm2；Ln為過(guò)流孔過(guò)流面可調(diào)位移；Ds為滑套外徑，mm。

在本設(shè)計(jì)中，滑套外徑Ds=133.5 mm。對(duì)于方案(1)，A(L3)=8 365 mm2，L3=38.8 mm，則S=29.9 mm；對(duì)于方案(2)，A(L3)=4 182 mm2，L3=34.4 mm，則S=16.8 mm；對(duì)于方案(3)，A(L3)=8 370 mm2，L3=59.6 mm，則S=19.4 mm。

為綜合分析這3種方案，取S=30 mm，降低環(huán)空流阻對(duì)這3種方案的影響因素。在對(duì)比分析中，僅改變閥芯過(guò)流孔集(過(guò)流孔在滑套上的均布數(shù)量和孔徑大小)。

5 節(jié)流閥全開狀態(tài)下的流動(dòng)特性

5.1 結(jié)構(gòu)對(duì)比輸入技術(shù)參數(shù)

采用常溫水為分析介質(zhì)，入口流量Q=33 m3/h，環(huán)境水深壓力PH=ρsgh=15 MPa(ρs=1.03 g/cm3為海水密度，g=9.81 m/s2為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琱=1 500 m為設(shè)計(jì)水深)，沖損顆粒物為砂礫，砂礫粒度Φ=1 mm，質(zhì)量流量QΦ=0.1 kg/s。

滑套采用Incoloy A286，閥體和柱塞采用4130材質(zhì)。

5.2 出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的3種方案流動(dòng)特性對(duì)比

出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的3種方案的平均靜壓如圖8～圖13所示，流動(dòng)特性如表1所示。

圖8 方案(1)進(jìn)出口平均靜壓Ⅰ

圖9 方案(1)全域最大/平均/最小平均靜壓Ⅰ

圖10 方案(2)進(jìn)出口平均靜壓Ⅰ

圖11 方案(2)全域最大/平均/最小平均靜壓Ⅰ

圖12 方案(3)進(jìn)出口平均靜壓Ⅰ

圖13 方案(3)全域最大/平均/最小平均靜壓Ⅰ

表1 出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下流動(dòng)特性對(duì)比分析 Pa

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

對(duì)于方案(1)和方案(3)：在同結(jié)構(gòu)閥芯(僅過(guò)流孔徑和數(shù)量不同)下，在同流量和過(guò)流孔過(guò)流面積下，進(jìn)出口平均靜壓壓差在整個(gè)過(guò)程中總體一致，說(shuō)明進(jìn)出口總體流阻相近；全域最大/平均/最小平均靜壓在方案(3)中較方案(1)中有一定幅度的減小，說(shuō)明大過(guò)流孔徑可以削弱該壓力，使流動(dòng)更平穩(wěn)。

對(duì)于方案(1)和方案(2)：在同結(jié)構(gòu)閥芯(僅過(guò)流數(shù)量不同)下，方案(2)過(guò)流孔過(guò)流面積僅為方案(1)的一半，在同流量下，進(jìn)出口平均靜壓壓差明顯增大，接近40%～50%，說(shuō)明進(jìn)出口流阻由于過(guò)流面積的減小顯著增大，這也導(dǎo)致全域靜壓總體增大。

5.3 出口壓力為環(huán)境水深的3種方案流動(dòng)特性對(duì)比

出口壓力為環(huán)境水深下的3種方案的流動(dòng)特性如圖14～圖25和表2所示。

圖14 方案(1)進(jìn)出口平均靜壓Ⅱ

圖15 方案(1)全域最大/平均/最小平均靜壓Ⅱ

圖16 方案(1)平均湍流耗散

圖17 方案(1)平均湍流強(qiáng)度

圖18 方案(2)進(jìn)出口平均靜壓Ⅱ

圖19 方案(2)全域最大/平均/最小平均靜壓Ⅱ

圖20 方案(2)平均湍流耗散

圖21 方案(2)平均湍流強(qiáng)度

圖22 方案(3)進(jìn)出口平均靜壓Ⅱ

圖23 方案(3)全域最大/平均/最小平均靜壓Ⅱ

圖24 方案(3)平均湍流耗散

圖25 方案(3)平均湍流強(qiáng)度

表2 出口壓力為環(huán)境水深下流動(dòng)特性對(duì)比分析

在1 500 m水深的靜水壓力下，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

對(duì)于方案(1)和方案(3)：在同結(jié)構(gòu)閥芯(僅過(guò)流孔徑和數(shù)量不同)、同流量和過(guò)流孔過(guò)流面積下，進(jìn)出口平均靜壓壓差在整個(gè)過(guò)程中總體一致，說(shuō)明進(jìn)出口總體流阻相近；方案(3)全域最大/平均/最小平均靜壓與方案(1)基本相近，且全域最小平均靜壓為負(fù)值，這說(shuō)明出現(xiàn)阻塞流，進(jìn)口平均靜壓再增大也不會(huì)改變流量，全域最大靜壓已經(jīng)接近額定設(shè)計(jì)壓力69.0 MPa，平均靜壓約48.0 MPa。

在此條件下，方案(2)進(jìn)出口平均靜壓和全域平均靜壓與方案(1)基本相同，即使其過(guò)流面積減小了一半，流量也完全相同，這應(yīng)證了方案(2)也出現(xiàn)了阻塞流，流量達(dá)到最大。但是顯然，方案(2)的平均湍流耗散和平均湍流強(qiáng)度在穩(wěn)定后明顯高出方案(1)和方案(3)，內(nèi)耗嚴(yán)重。

5.4 設(shè)計(jì)水深和流量下閥芯滑套的沖損情況對(duì)比

在設(shè)計(jì)水深和流量下，采用不同方案的閥芯滑套沖損情況如圖26～圖31所示。

圖26 方案(1)流道中面截面穩(wěn)定后靜壓云圖

圖27 方案(1)閥芯滑套沖損情況云圖

圖28 方案(2)流道中面截面穩(wěn)定后靜壓云圖

圖29 方案(2)閥芯滑套沖損情況云圖

圖30 方案(3)流道中面截面穩(wěn)定后靜壓云圖

圖31 方案(3)閥芯滑套沖損情況云圖

在穩(wěn)定后，方案(1)、方案(2)、方案(3)全域靜壓基本相近，但是就總體沖損而言，節(jié)流閥閥芯滑套的沖損以方案(2)最嚴(yán)重，方案(1)其次(局部數(shù)值最大，且沖損不均勻)，方案(3)最小。

6 結(jié) 論

(1) 為確保水下節(jié)流閥柱塞位移在中段近似線性可調(diào)，應(yīng)確保中心孔與兩側(cè)孔充分交叉(在本設(shè)計(jì)中通孔徑過(guò)流孔，交叉距離達(dá)到1個(gè)半徑可以實(shí)現(xiàn)良好的線性，最高達(dá)50%)。

(2) 在1 500 m水深下，進(jìn)出口通徑為103 mm的水下節(jié)流閥的最大CV約38.1 gal(美)/min，在最大可調(diào)流量下，最大進(jìn)口可調(diào)壓力接近48 MPa，繼續(xù)增大壓力不再改變流量。

(3) 由流動(dòng)特性分析可知，在節(jié)流閥閥體和閥芯總體結(jié)構(gòu)相同的情況下，僅改變閥芯的過(guò)流孔數(shù)量和孔徑，過(guò)流孔總面積應(yīng)盡可能接近通徑面積，這樣可減少內(nèi)耗，延長(zhǎng)閥芯壽命。

(4) 過(guò)流孔孔徑大小和沿滑套的軸向排布直接決定柱塞位移的可調(diào)節(jié)距離，在相同的過(guò)流面積下，大過(guò)流孔通常具有更長(zhǎng)的柱塞位移，這導(dǎo)致相同的設(shè)計(jì)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)更高，調(diào)節(jié)速度更慢。