宋若愚，喬軍平，黃可文，劉向陽，趙磊

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280）

本文設(shè)計(jì)一種帶壓開啟的新型旋塞閥，在簡單改動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能夠在常規(guī)旋塞閥出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)失效的時(shí)候，形成新的流動(dòng)通道，能夠順利實(shí)現(xiàn)壓井等流程，和常規(guī)旋塞閥相對比，消除卡死、關(guān)閉容易，能在內(nèi)部壓差較高的情況下，輕易開啟流通新通道，從而徹底解決了高壓情況下常規(guī)旋塞閥容易失效的缺陷，有效確保了現(xiàn)場井控安全，在油田企業(yè)范圍內(nèi)具有良好的應(yīng)用前景。

1 常規(guī)旋塞閥和新型旋塞閥的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)對比

1.1 常規(guī)旋塞閥的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

目前各大油田使用的常規(guī)旋塞閥基本類型相同，多為浮動(dòng)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由閥本體、四開環(huán)、彈性擋圈、固定閥座、活動(dòng)閥座、球體閥芯、旋鈕轉(zhuǎn)塊和波形彈簧等部件組成。

鉆進(jìn)前，扭動(dòng)旋鈕轉(zhuǎn)塊，開啟球體閥芯，當(dāng)正常進(jìn)行鉆進(jìn)，該旋塞閥始終處于開啟狀態(tài)，鉆井液順暢的通過旋塞閥，當(dāng)發(fā)現(xiàn)井噴危險(xiǎn)時(shí)，即刻扭動(dòng)旋鈕，將球體閥芯旋轉(zhuǎn)90°，在管內(nèi)井噴高壓流體的和波形彈簧彈力的雙重作用下，球體閥芯和各閥座的接觸面成金屬密封的壓緊狀態(tài)，阻斷管內(nèi)高壓井噴液體，將壓力封閉在管內(nèi)，從而有效實(shí)現(xiàn)抑制井噴。該種旋塞閥存在較多優(yōu)點(diǎn)，一是正常工作下開關(guān)迅捷容易，扭動(dòng)旋鈕即可實(shí)現(xiàn)球體閥芯的開關(guān)閉合；二是一旦閉合后，金屬密封性良好，不易泄露；三是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕、體積小，節(jié)約制造成本。但是同時(shí)該種旋塞閥也存在突出的缺點(diǎn)：遇井噴危險(xiǎn)時(shí)，在球體閥芯關(guān)閉后，管內(nèi)高壓井噴流體壓力和波形彈簧的彈簧力對球體閥芯和各閥座的作用力巨大，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)阻止井噴流體的外噴，但是巨大的作用力形成的接觸應(yīng)力容易導(dǎo)致球體閥芯產(chǎn)生變形，更為嚴(yán)重的是，如此巨大的接觸應(yīng)力導(dǎo)致接觸面摩擦力陡增，當(dāng)壓差超過20MPa時(shí)，人力已經(jīng)難以扭動(dòng)旋鈕開啟球體閥芯了，即產(chǎn)生旋塞閥轉(zhuǎn)動(dòng)失效。如果旋鈕轉(zhuǎn)塊內(nèi)的內(nèi)六方孔經(jīng)過長期使用產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，更是無法有效給予足夠的扭動(dòng)力矩，高壓狀態(tài)下更難以開啟球體閥芯。

1.2 新型旋塞閥的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

結(jié)合常規(guī)旋塞閥容易出現(xiàn)的上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種可以帶壓開啟的新型旋塞閥，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 帶壓開啟新型旋塞閥結(jié)構(gòu)示意圖

與常規(guī)旋塞閥的閥本體、四開環(huán)、彈性擋圈、固定閥座、活動(dòng)閥座、球體閥芯、波形彈簧和旋鈕轉(zhuǎn)塊等部件是相同的，但是在活動(dòng)閥體與波形彈簧所在位置，是位于半徑大于球座和球體閥芯尺寸的空腔內(nèi)，而活動(dòng)閥體則由一個(gè)固定限位銷卡在固定位置上。該閥的在鉆桿正常鉆進(jìn)時(shí)的工作狀態(tài)和常規(guī)旋塞閥是一樣的，即在正常鉆進(jìn)工作時(shí)，該種旋塞閥的球體閥體也同樣處于始終狀態(tài)，鉆井液也可以順暢的通過旋塞閥，而當(dāng)發(fā)生井噴危險(xiǎn)的時(shí)候，依然也是通過人工旋轉(zhuǎn)旋鈕，將球體閥芯旋轉(zhuǎn)90°，在管內(nèi)井噴流體的高壓作用下，上部閥座和球體閥芯形成緊密的金屬接觸密封，從而阻斷井噴流體，抑制井噴的發(fā)生。

而在發(fā)生井噴危險(xiǎn)、緊急關(guān)閉球體閥芯之后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)固定限位銷，將銷旋出活動(dòng)閥座的限位后，在內(nèi)部壓差的作用下，上部高壓壓井液將球體閥芯連同活動(dòng)閥體一同向下推動(dòng)一段距離，使得這兩部分共同壓入空腔內(nèi)，則封閉管內(nèi)狀態(tài)被解除，在球體閥芯和活動(dòng)閥體所在的空腔內(nèi)，連同上部閥體共同形成了新的連通空間，較高壓力的壓井液就可以通過該閥，由此可以順利開展壓井等相關(guān)流程。

該種旋塞閥除上述特點(diǎn)外，還具有減少球體閥芯變形的優(yōu)點(diǎn)，在球體閥芯和活動(dòng)閥體落入空腔后，球體閥芯的上部壓力被空腔內(nèi)高壓流體平衡掉大部分，由此其外部壓力大大減少，所產(chǎn)生的的變形也就大幅度緩解了。

因?yàn)樵撔y和常規(guī)的旋塞閥在閥內(nèi)的結(jié)構(gòu)上沒有過多的區(qū)別，最明顯的區(qū)別是該活動(dòng)閥體是可以實(shí)現(xiàn)軸向上的移動(dòng)，該種移動(dòng)依靠活動(dòng)閥體上的固定限位銷來限制移動(dòng)位移，在活動(dòng)閥座連同球體閥芯共同進(jìn)入擴(kuò)大的下部內(nèi)腔，固定閥座端下部即出現(xiàn)新的流動(dòng)通道，消除了在常規(guī)旋塞閥一側(cè)壓力下、閥座和球體緊密壓在一起，難以人工旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)塊以消除旋塞閥失效的情況。該項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于：在較低加工成本的前提下，并不大幅度改變旋塞閥的結(jié)構(gòu)，依靠一個(gè)擴(kuò)大內(nèi)腔、增加限位的結(jié)構(gòu)，打通一個(gè)簡單的、新的回流通道，消除旋塞閥在高壓狀態(tài)下失效情況，以便能夠迅速開展壓井等相關(guān)井控工作。

2 主密封面間的接觸應(yīng)力的理論分析

針對固定限位銷未拔出之前、旋塞閥轉(zhuǎn)動(dòng)失效的情況，本文也針對固定閥座和球體閥芯之間的主密封面接觸應(yīng)力進(jìn)行了力學(xué)理論模型的研究。當(dāng)閥體處于密封狀態(tài)時(shí)，球體閥芯上接觸面與固定閥體井噴流體的作用下緊密貼合，采用微元法研究接觸應(yīng)力的理論分析模型，球體閥芯受力如圖2所示。

圖2 球體閥芯受力分析圖

固定閥座與球體閥芯的接觸面為球上的環(huán)形面，根據(jù)受力平衡方程：

式中，σ為球體閥芯和固定閥座接觸面的接觸壓力；R為球體閥芯的半徑；P為管內(nèi)井噴流體的壓力；

α1、α2為球體閥芯中心與固定閥座和球體閥芯接觸表面上、下邊界線的連線與旋塞閥中心線的夾角。

由上式可推算出，當(dāng)管內(nèi)井噴流體的壓力P確定數(shù)值后，只有α1和α2兩個(gè)變量影響球體閥座和固定閥座接觸面之間接觸壓力σ大小的因素。本文研究的旋塞閥相關(guān)參數(shù)為：α1=38°，α2=46°，R為37.5mm，假設(shè)管內(nèi)井噴流體壓力P為70MPa，經(jīng)過公式(3-1)計(jì)算，得出球體閥芯和固定閥座接觸面之間的接觸應(yīng)力σ為261MPa。

3 主密封面間的接觸應(yīng)力數(shù)值分析

采用專業(yè)的應(yīng)力分析軟件——ansys有限元分析軟件對球體閥芯與固定閥座開展接觸應(yīng)力數(shù)值分析，其中球體閥芯及固定閥座的材料均取常見的旋塞閥材料42CrMnMo，查詢相關(guān)參數(shù)是彈性模量是206MPa，泊松比是0.3，密度是7850kg/m3。依據(jù)各類參數(shù)，在ANSYS里建模后直接實(shí)施裝配，因?yàn)樾y的結(jié)構(gòu)和受力均為對稱性分布，所以只取該旋塞閥模型的四分之一進(jìn)行應(yīng)力有限元分析。

按照接觸對中主從面的選取原則，本文選取設(shè)定固定閥座為主密封面，球體閥芯為從密封面，摩擦系數(shù)選取0.2。用三維實(shí)體單元對球體閥芯和固定閥座實(shí)體模型中應(yīng)力集中、并且重要的關(guān)鍵部位實(shí)施網(wǎng)格細(xì)分，其中固定閥座共劃分860個(gè)單元，球體閥芯共劃分7014個(gè)單元。由于只取模型的1/4，因此在空間縱向上添加對稱約束的邊界受力等條件，根據(jù)常見的工況，在固定閥座底面添加固定約束條件。本文選取70MPa的應(yīng)力載荷，選用幅值曲線加載法，得出的接觸應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。

圖3 球體閥芯與固定閥座接觸應(yīng)力云圖

從圖中可以看出最大應(yīng)變集中在在球體閥芯的上部中心部位，球體閥芯與閥座接觸面上的接觸應(yīng)力最大值為290.1MPa，與理論計(jì)算結(jié)果261Mpa接近，可以由此看出利用有限元分析球體閥芯和固定閥座密封接觸面的應(yīng)力情況是可行的。

4 結(jié)語

（1）本文所設(shè)計(jì)的帶壓開啟新型旋塞閥通過簡單的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，徹底避免了在高壓情況下球體閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)失效問題，并且通過形成新的流動(dòng)通道，降低了球體閥芯在壓井液和高壓井噴流體共同作用下的應(yīng)力狀況，從而減少了球體閥芯的變形，有效提升了旋塞閥的使用壽命。（2）本文詳細(xì)研究并給出了球體閥芯和固定閥座的力學(xué)理論模型，使用公式計(jì)算出在高壓情況下，球體閥芯與固定閥座接觸面的接觸應(yīng)力，同時(shí)使用ansys有限元分析軟件根據(jù)新型旋塞閥的參數(shù)建立有限元模型，得出了旋塞閥球體閥芯和固定閥座主密封面上的接觸應(yīng)力。并通過力學(xué)理論模型的結(jié)果與ansys有限元軟件仿真的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果較為接近，為分析高壓情況下旋塞閥各金屬密封接觸面的接觸應(yīng)力問題提供了有效可靠的方法。