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        CD70型高壓旋塞閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及啟閉特性分析*

        2021-09-08 10:28:04李景翠明祥貴李亮亮易先中賀育賢宋順平楊文川
        石油機(jī)械 2021年9期
        關(guān)鍵詞:圓角閥體開度

        李景翠 明祥貴 李亮亮 易先中 賀育賢,4 宋順平 楊文川

        (1. 長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2. 中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院 4.長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 5.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司)

        0 引 言

        旋塞閥由于具有結(jié)構(gòu)緊湊簡單、啟閉操作迅速快捷、密封性能好以及安裝方便等特點(diǎn)[1],成為石油礦場固井和壓裂作業(yè)管匯中最理想的閥門元件。閥體與襯瓦之間為圓柱配合,并通過襯瓦外圓鑲?cè)朊芊饧芊?。在工作過程中,由于其管道內(nèi)的流體壓力始終處于變化狀態(tài),對閥體極易造成破壞,需要對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及啟閉特性進(jìn)行深入研究。

        張智等[2]對油田現(xiàn)場旋塞閥失效現(xiàn)象(泵壓由24 MPa減至0,扭矩由3.5 kN減至0,懸重由1 504 kN突降至1 437 kN,泵沖由68 min-1沖增至120 min-1),提出在旋塞內(nèi)部臺階處做倒角處理,以減輕應(yīng)力集中,同時(shí)對本體旋塞孔處做加厚處理,增大旋塞閥強(qiáng)度。陳浩等[3]通過現(xiàn)場案例和調(diào)研得出方鉆桿旋塞閥失效的主要3種形式,即本體強(qiáng)度失效、轉(zhuǎn)動失效和密封失效。陸俊杰等[4]基于微觀接觸力學(xué),發(fā)現(xiàn)當(dāng)管內(nèi)流體壓力極限為10 MPa,螺釘擰緊圈數(shù)為0.05時(shí),旋塞閥密封面疲勞壽命隨管內(nèi)波動流體壓力幅值比的增加而增加,增速隨管內(nèi)流體壓力幅值比的增加而放緩。奚泉等[5]通過對旋塞閥本體分析,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中是閥本體失效的一個(gè)主要因素,拉伸、內(nèi)壓和扭轉(zhuǎn)載荷對閥本體強(qiáng)度影響依次減小。楊振寧等[6]根據(jù)成品油長輸管線閥門使用要求(最大工作壓力2 MPa,通徑200 mm,具有雙關(guān)斷和泄放功能等),研制了強(qiáng)制密封雙關(guān)斷旋塞閥,并進(jìn)行了試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用。沈偉等[7]對核電用軟密封旋塞閥(設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa)進(jìn)行了模態(tài)分析,并驗(yàn)證了該旋塞閥在正常工況、異常工況、緊急工況和事故工況下均滿足ASME設(shè)計(jì)規(guī)范要求。李如學(xué)等[8]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采取水冷或油冷的回火冷卻方式,可提高頂驅(qū)旋塞閥閥體(4330V鋼)的低溫沖擊吸收功。

        上述關(guān)于旋塞閥的研究多集中在50 MPa壓力以下,涉及高壓工況下,固井和壓裂作業(yè)管匯中旋塞閥的強(qiáng)度和流場特征研究還較少。為此,本文針對現(xiàn)行CD70型高壓旋塞閥,應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,分析了該閥體在103.5 MPa高壓下的工作受力分布情況,并采用CFD方法仿真計(jì)算了該閥門在不同開度下的流場特性。研究結(jié)果可為CD70型高壓旋塞閥的安全運(yùn)行和操作控制提供參考。

        1 旋塞閥有限元力學(xué)模型建立

        旋塞閥通過旋塞旋轉(zhuǎn)90°,使旋塞上的通口與閥體上的通口相同或分開,實(shí)現(xiàn)閥門的開啟或關(guān)閉,主要由端蓋、密封圈、閥體、旋塞、旋塞帽和密封弧片等組成,裝配模型如圖1所示??紤]到產(chǎn)品實(shí)際的復(fù)雜性和有限元相關(guān)理論,在分析過程中對模型進(jìn)行簡化[9-11],并做如下計(jì)算。

        1—端蓋;2—密封圈;3—閥體;4—旋塞;5—旋塞帽;6—密封弧片。

        中間密封處內(nèi)表面密封比壓q1:

        (1)

        進(jìn)口處油壬密封的密封比壓q2:

        (2)

        下端面一個(gè)螺栓孔的預(yù)緊力F1:

        σ0=(0.5~0.7)σs=630 MPa

        (3)

        F1=σ0A1=222 390 N

        (4)

        F2=5F1=1 111 950 N

        (5)

        工作拉力為:

        (6)

        則右端受壓力為:

        (7)

        式中:p為介質(zhì)壓力,取103.5 MPa;b1為弧片的厚度,取10 mm;b2為油壬密封的厚度,取13.25 mm;m為與流體介質(zhì)相關(guān)的系數(shù),取1.4(氣體、高壓液體為1.4,水為1);D1為孔徑,取69.8 mm;A1為公稱應(yīng)力截面積,取353 mm2;σs為螺栓材料的屈服極限(與強(qiáng)度等級相關(guān),強(qiáng)度等級取10.9),查表得σs=900 MPa;S為右端面面積,取28 288 mm2。

        2 閥體強(qiáng)度分析及旋轉(zhuǎn)角度與閥門開度研究

        2.1 閥體強(qiáng)度分析

        為研究閥體進(jìn)出口相貫處應(yīng)力與中間過渡圓角關(guān)系,基于模型將閥體受力分為5部分,分別對管道內(nèi)表面施加工作壓力103.5 MPa,右端施加壓力14.0 MPa,下端面螺栓力施加1 111 950 N,旋塞和閥體部分施加密封比壓47.5 MPa,進(jìn)口處油壬與閥體部分施加密封比壓41.2 MPa。左端采用固定約束,在對稱面施加對稱約束,底部采用徑向約束。閥體材料采用42CrMo調(diào)質(zhì)處理,屈服強(qiáng)度930 MPa,彈性模量212 GPa,泊松比0.28,密度7 850 kg/m3。過渡圓角半徑取值在0~8 mm,得到過渡圓角半徑與總變形量和最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線,如圖2所示??傋冃瘟亢偷刃?yīng)力云圖如圖3所示。

        圖2 過渡圓角半徑與總變形量和最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of transitional round angle radius with total deformation and maximum equivalent stress

        從圖2可知,閥體總變形量隨著中間過渡圓角半徑的增加呈線性增加,最大值為0.109 5 mm,但仍處于小變形范圍。最大等效應(yīng)力隨著過渡圓角半徑的增加先減小后增大,當(dāng)過渡圓角半徑在5~7 mm時(shí),最大等效應(yīng)力相比于初始時(shí)減小最多,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)最小值,約為569 MPa。由圖3可知,最大總變形量均出現(xiàn)在閥體出口相貫處,最大等效應(yīng)力均在閥體進(jìn)口相貫的下部,最大等效應(yīng)力為598 MPa,小于材料42CrMo的屈服強(qiáng)度930 MPa,仍然處于彈性變形階段。

        圖3 總變形量和等效應(yīng)力隨過渡圓角半徑變化云圖Fig.3 Variation of total deformation and equivalent stress with transitional round angle radius

        2.2 旋轉(zhuǎn)角度與閥門開度研究

        旋塞在關(guān)閉過程中,由于其過流的面積發(fā)生變化,導(dǎo)致閥體內(nèi)流場也隨之發(fā)生變化,為此,需要研究旋塞閥開度與旋塞閥旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系[12]。本文以旋塞閥旋塞的中心為坐標(biāo)原點(diǎn),管道中心流道為y坐標(biāo)軸,垂直于管道中心流道方向?yàn)閤坐標(biāo)軸,建立CD70型高壓旋塞閥流道全開和任意開度下結(jié)構(gòu)示意圖,如圖4所示。其中R1為閥球半徑,R1=34.9 mm;R2為閥心流道半徑,R2=72.5 mm。通過分析計(jì)算,旋塞閥開度與閥的旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線如圖5所示。

        由于旋塞閥開啟過程中過流面積S與全開時(shí)刻過流面積S0的比值即為開度。設(shè)旋轉(zhuǎn)角度為θ。

        即有開度公式:

        (8)

        α1=arccos(R1/R2)=61.2°

        (9)

        α2=π-2α1=57.6°

        (10)

        由圖4可知,開度的求解可以轉(zhuǎn)換為BF與BA的比值。

        圖4 不同開度旋塞流道示意圖Fig.4 Schematic diagram for flow channel of cock with different openings

        其中,假設(shè)A′D′的直線方程為:

        y=kx+a

        (11)

        斜率k的計(jì)算式為:

        k=-tan(90°-θ)

        (12)

        A′坐標(biāo)為A′(R2cos(α3+θ),R2sin(α3+θ))。

        則直線A′D′的方程為:

        y=-tan(90°-θ)x+R2sin(α3+θ)+
        R2cos(α3+θ)tan(90°-θ)

        (13)

        根據(jù)上述公式,計(jì)算出各旋轉(zhuǎn)角度(5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°和55°)分別對應(yīng)的開度值(92%、85%、78%、70%、63%、55%、48%、40%、30%、20%和7%)。

        將以上數(shù)據(jù)整理后得到如圖5所示的曲線。

        圖5 旋塞閥開度與閥旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between cock valve opening and valve rotation angle

        通過Matlab數(shù)值擬合,得到?69.8 mm旋塞閥開度λ的擬合公式:

        λ=-0.000 3θ3+0.014 9θ2-
        1.691θ+100.272 6

        (14)

        3 流場特性分析

        在旋塞閥閥門關(guān)閉過程中,CD70型高壓旋塞閥隨著開度不同,閥內(nèi)部流場存在著變化,為此,需要進(jìn)行流場分析。分析中,取不可壓縮的常溫液態(tài)水為工作介質(zhì),旋轉(zhuǎn)角度依次取5°、15°、25°、35°、45°和55°。

        3.1 計(jì)算模型與控制方程

        考慮到該型旋塞閥工作過程中,通過旋塞的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉,為減少計(jì)算量和縮短運(yùn)算時(shí)間,采用二維平面導(dǎo)入分析,求解模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型。進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口(velocity inlet),出口邊界條件采用自由流出(outflow),壁面采用Wall 壁面,且無滑移設(shè)置。不考慮外界溫度對流體黏度的影響,忽略重力對流體流速的影響[13-14]。采用的控制方程[15]如下:

        質(zhì)量守恒方程(拉格朗日法有限體積分析):

        (15)

        在慣性坐標(biāo)系下,動量守恒方程為:

        (16)

        (17)

        能量方程為:

        (18)

        式中:ρ為密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;u為流體速度矢量,m/s;ui、uj為u在x、y方向上的分量;Fi為重力體積力和其他體積力,m/s;τij為應(yīng)力張量,Pa;E為湍流耗散率,m2/s3;keff有效導(dǎo)熱系數(shù);Jj’為組分的擴(kuò)散通量;Sh為化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源項(xiàng),W/m3。

        標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程形式為:

        (19)

        (20)

        其中:

        (21)

        (22)

        式中:σk、σε為湍流動能k和湍動耗散率ε的普朗特?cái)?shù),J;μt為湍動能黏度,Pa·s;Cε1、Cε2、Cε3、Cμ均為常量;Gk為速度產(chǎn)生的湍動能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能,此處為0;YM為可壓流體的波動,此處為0;Sk、Sε為自定義項(xiàng);在不可壓縮流體中,常數(shù)取值Cε1=1.44,Cε2=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3[16]。

        3.2 不同開度下流場分析

        當(dāng)入口速度取15 m/s時(shí),隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加,閥門開度減小,得到壓力分布云圖,如圖6所示。速度云圖如圖7所示。關(guān)系曲線如圖8所示。

        圖6 不同旋轉(zhuǎn)角度下的靜壓分布云圖(入口速度15 m/s)Fig.6 Static pressure distribution at different rotation angles (inlet velocity: 15 m/s)

        圖7 不同旋轉(zhuǎn)角度下的速度云圖(入口速度15 m/s)Fig.7 Cloud chart for velocity at different rotation angles (inlet velocity: 15 m/s)

        由圖6可知:閥前的壓力隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加而增大,閥后的壓力隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加而減??;關(guān)閉過程中,閥前形成的高壓區(qū)和閥后形成的低壓區(qū),隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大相應(yīng)的范圍也增加,壓差和壓力損失也增加;閥體與中間旋塞接觸部分呈現(xiàn)出明顯的壓力梯度變化。

        由圖7可知:隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加,閥前的速度變化較小,但旋塞進(jìn)口處速度升高;旋塞出口處形成的高流速區(qū)域隨著開度的減小而逐漸減小,但其最大速度明顯升高;旋塞閥在全開時(shí),流體流動狀態(tài)比較穩(wěn)定,沒有明顯的漩渦,當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度超過10°之后,該型旋塞閥閥腔內(nèi)開始形成回流和漩渦,并且隨著關(guān)閉角度的增加,旋塞腔內(nèi)出現(xiàn)方向相反的漩渦,并且越來越大。

        由圖8可知,在旋塞閥關(guān)閉過程中,壓差、最大壓力和最大速度均隨著開度的減小而增加,特別是當(dāng)旋塞閥開度小于20%之后,壓差、最大壓力和最大速度顯著增加,其中,最大速度從19.21 m/s升高至329.50 m/s,最大壓力從0.091 66 MPa

        圖8 進(jìn)口速度15 m/s時(shí),開度與最大速度、最大壓力和進(jìn)出口壓差的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve of opening with maximum velocity, maximum pressure, inlet and outlet pressure difference at inlet velocity of 15 m/s

        增大至163 MPa,進(jìn)出口壓差從0.012 MPa增大至81.28 MPa。

        4 結(jié)論及建議

        (1)CD70型旋塞閥的閥體過渡圓角半徑從0到8 mm的變化過程中,閥體最大變形量均在出口相貫處,且呈線性增加,最大值為0.109 5 mm。最大等效應(yīng)力均在入口相貫處下部,最大應(yīng)力為598.77 MPa,小于材料42CrMo的屈服強(qiáng)度930 MPa。當(dāng)過渡圓角半徑為5~7 mm時(shí),閥體最大等效應(yīng)力出現(xiàn)最小值,約為569 MPa。因此,建議閥體密封相貫處過渡圓角半徑取5~7 mm為宜。

        (2)當(dāng)閥的開度小于20%時(shí),閥前的高壓區(qū)和閥后的低壓區(qū)范圍增加,閥內(nèi)開始出現(xiàn)劇烈的回流和漩渦現(xiàn)象,最大速度可達(dá)329.5 m/s,最大壓力163 MPa;該最大壓力已經(jīng)超出了CD70型旋塞閥的額定設(shè)計(jì)壓力104 MPa,呈現(xiàn)不安全因素。

        (3)建議旋塞閥的關(guān)斷過程要迅速,盡量縮短小開度的工作時(shí)間;在旋塞閥啟閉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和壓裂泵操縱規(guī)程的制定中,宜參考可能出現(xiàn)的瞬時(shí)渦流速度和最大內(nèi)壓值進(jìn)行防護(hù)性考慮。

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