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        深水液壓控制閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效分析

        2022-04-21 02:35:42戚曉寧
        石油工程建設(shè) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:蓄能器執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)境溫度

        戚曉寧

        海洋石油工程股份有限公司,天津 300451

        一般油氣田的設(shè)計(jì)壽命為20~30年,閥門(mén)一旦出現(xiàn)事故,又無(wú)法回收維修,這將直接影響到后期油氣田生產(chǎn)的安全。本文針對(duì)工程實(shí)例,首先對(duì)出現(xiàn)液壓失效事故閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的蓄能器數(shù)量和膨脹液路徑進(jìn)行了設(shè)計(jì)、優(yōu)化,而后采用伯努利方程和通過(guò)CFD建模對(duì)優(yōu)化后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析和有限元分析,并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明,失效閥門(mén)在優(yōu)化后經(jīng)過(guò)快速打開(kāi)操作不會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效事故,從而驗(yàn)證了優(yōu)化的可靠性。該研究對(duì)類似工程項(xiàng)目有一定的借鑒意義。

        1 理論分析

        南中國(guó)海某氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目水下管匯上有一臺(tái)液壓控制的水下閥門(mén)[4],目前無(wú)法進(jìn)行關(guān)閉操作,只能保持打開(kāi)狀態(tài),初步判斷該閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)失效。圖1是該項(xiàng)目所使用水下閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5-6],閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中有兩種液體,一種是液壓油(HW443R),其用于驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān);另一種是膨脹液(HD-EO),其用于平衡執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧腔內(nèi)外壓差[7-8]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧腔頂部設(shè)置有雙向安全閥,安全閥設(shè)定的泄放壓力為350 kPa,海水進(jìn)入壓力為700 kPa。

        圖1 水下閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意

        1.1 計(jì)算原理

        先從理論角度[8-9]給出膨脹液在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生壓力差的計(jì)算公式。通常情況下,液體流動(dòng)均滿足伯努利方程:

        式中:?P為兩點(diǎn)的壓差;ρ為流體的密度;h1為點(diǎn)1的高度;h2為點(diǎn)2的高度;v1為點(diǎn)1的速度;v2為點(diǎn)2的速度;g為重力加速度;hw為壓頭損失。

        如圖2所示,當(dāng)流體為理想流體時(shí),hw=0。但對(duì)于水下閥門(mén),執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧腔里面的壓力差是由流體黏度引起的管道對(duì)流體產(chǎn)生的沿程阻力和局部阻力構(gòu)成的,因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)里面的膨脹液不能被認(rèn)為是理想流體。

        圖2 伯努利方程示意

        因此hw應(yīng)該等于由流體黏度引起的沿線阻力和局部阻力之和:

        沿程阻力hf:

        式中:λ為沿程阻力系數(shù);Re為雷諾數(shù);μ為流體黏度;v為流體流動(dòng)系數(shù);l為沿程長(zhǎng)度;d為內(nèi)徑。

        局部阻力hj:

        式中:ξ為局部阻力系數(shù),通過(guò)查表可以得到其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        可以假設(shè)閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧腔與蓄能器之間沒(méi)有高差,因此h2=h1。假設(shè)蓄能器為大空間,流體進(jìn)入速度ν2為0。通過(guò)式(1) ~(4) 可以得到壓差為:

        在計(jì)算時(shí),由于閥門(mén)操作時(shí)間、管道內(nèi)徑和液體流量可以由測(cè)量得出,因此通過(guò)計(jì)算可得到流體的流動(dòng)速度;開(kāi)關(guān)閥門(mén)的操作時(shí)間越短,膨脹液的流動(dòng)速度就越大,因而導(dǎo)致彈簧腔內(nèi)的壓差也越大;液體黏度也隨著環(huán)境溫度的變化而明顯變化。由此可以計(jì)算出不同時(shí)間、不同環(huán)境溫度下的壓差,進(jìn)而給出閥門(mén)在極限操作速度和環(huán)境溫度下的可靠性判斷。

        1.2 計(jì)算參數(shù)

        (1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)。圖3為某5-1/8 in(1 in=25.4 mm)水下閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧腔到蓄能器之間管道的主要尺寸。第一段管內(nèi)徑為15 mm,第二段管內(nèi)徑為16 mm,第三段管內(nèi)徑為14 mm,第四段管內(nèi)徑為30.3 mm。

        圖3 水下閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要尺寸

        (2)膨脹液主要輸入?yún)?shù)。水下閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所用膨脹液為HD-EO,其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 膨脹液主要參數(shù)

        (3)其他參數(shù)[9]。關(guān)于5-1/8 in水下閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的其他參數(shù)見(jiàn)表2,其中局部阻力系數(shù)是通過(guò)查表得到的。

        表2 其他主要參數(shù)

        1.3 計(jì)算結(jié)果

        通過(guò)計(jì)算可得表3所示的結(jié)果,可見(jiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的相對(duì)壓力與操作時(shí)間成反比,操作時(shí)間越長(zhǎng),流體在液壓管內(nèi)流動(dòng)的速度越小,由其引起的阻力也越小。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的相對(duì)壓力與環(huán)境溫度成反比,環(huán)境溫度越低,流體的運(yùn)動(dòng)黏度越大,由其引起的沿程阻力和局部阻力越大,所以壓差也越大。

        表3 閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同操作時(shí)間和溫度下所對(duì)應(yīng)的壓差/kPa

        2 有限元分析

        2.1 參數(shù)輸入

        為了方便計(jì)算結(jié)果的比較,水下閥門(mén)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)與上面所取參數(shù)相同,并且在模型參數(shù)的輸入過(guò)程中,使用了同樣的參數(shù)和系數(shù)。

        2.2 有限元模型的建立

        水下閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧腔的壓力差主要是由膨脹液在進(jìn)入蓄能器時(shí)產(chǎn)生的沿程阻力和局部阻力以及因速度變化而產(chǎn)生的勢(shì)能導(dǎo)致的。在有限元模型建立時(shí)[4,10-11],由于彈簧腔和蓄能器是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形,同時(shí)也為了加快計(jì)算速度,因此建立四分之一的執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧腔和其蓄能器的有限元模型,即可滿足有限元分析要求。然后對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于壓差主要由管道阻力和管口的突然變形造成,因此對(duì)該部位的網(wǎng)格劃分更細(xì)一些。有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖4、圖5所示。

        圖4 有限元模型

        圖5 網(wǎng)格劃分

        2.3 載荷及邊界條件的設(shè)定

        質(zhì)量流量隨操作時(shí)間的增加而變大,假設(shè)質(zhì)量流量為一個(gè)常數(shù)2.86 L;閥門(mén)設(shè)計(jì)水深為1 500 m,因此閥門(mén)所受外部靜水壓力設(shè)定為150 kPa;因閥門(mén)的設(shè)計(jì)操作時(shí)間為7.2 s,因此按照該閥門(mén)操作時(shí)間來(lái)施加內(nèi)部載荷;暫且按照環(huán)境溫度為4℃時(shí)的流體黏度施加載荷。如圖6所示。

        圖6 邊界條件及載荷

        2.4 計(jì)算結(jié)果

        圖7分析結(jié)果是在閥門(mén)的操作時(shí)間為7.2 s和環(huán)境溫度為4°C時(shí)得出的膨脹液流動(dòng)速度示意圖和同樣條件下得出的壓力分布圖。由圖可知流體在第三段管道中的流動(dòng)速度最大,因?yàn)榇硕蔚墓軓阶钚?,由此可知分析結(jié)果基本符合預(yù)期理論。同時(shí)可知,最大壓差分布的位置也位于彈簧腔入口處,因?yàn)橐后w的不可壓縮性,所以傳遞到了整個(gè)彈簧腔的內(nèi)壁,模擬結(jié)果完全符合理論分析結(jié)果。上述結(jié)果證實(shí),該CFD模擬的結(jié)果正確性和準(zhǔn)確性較高。

        圖7 流體速度分布和壓力分布圖

        另外,由圖7可知,在該工況下彈簧腔內(nèi)產(chǎn)生的最大壓差為150 kPa,低于安全閥的泄放壓力(350 kPa),因此安全閥不會(huì)打開(kāi),膨脹液不會(huì)釋放到海水環(huán)境中。表4為模擬的輸入、輸出數(shù)據(jù)。

        表4 數(shù)值模擬的輸入、輸出數(shù)據(jù)

        3 閥門(mén)失效原因分析及推薦的解決措施

        當(dāng)分別在2.5、4、20℃下,按照不同的操作速度對(duì)該閥門(mén)進(jìn)行壓差模擬時(shí),可以得到如圖8所示的曲線,該曲線顯示壓差與操作時(shí)間成指數(shù)關(guān)系。

        圖8 壓差與操作時(shí)間的關(guān)系曲線(DP為擬合)

        通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),圖8所示的曲線與上面理論計(jì)算的結(jié)果趨勢(shì)完全相同。通過(guò)上述曲線可以明顯看出,當(dāng)閥門(mén)所處環(huán)境溫度較低、操作速度過(guò)快時(shí),彈簧腔的壓差將會(huì)大于350 kPa,從而導(dǎo)致安全閥打開(kāi),膨脹液因此泄漏到海水環(huán)境中。當(dāng)重復(fù)操作多次以后,在關(guān)閉閥門(mén)時(shí),蓄能器中可能出現(xiàn)無(wú)膨脹液可以流回彈簧腔的情況,從而導(dǎo)致液壓鎖住。一旦閥門(mén)在水下被液壓鎖住,以后就再也無(wú)法對(duì)閥門(mén)進(jìn)行關(guān)閉操作了,由此給海洋油氣田的安全操作帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。

        通過(guò)以上理論計(jì)算和模擬分析,可以得到以下幾種可供參考的解決閥門(mén)失效的方法:第一,增加水下閥門(mén)的操作時(shí)間,從而使膨脹液有充足的時(shí)間在蓄能器和彈簧腔之間流動(dòng),這可通過(guò)在液壓控制單元處增加節(jié)流閥的方式,來(lái)控制液壓油進(jìn)入彈簧腔的時(shí)間。第二,加快膨脹液在彈簧腔和蓄能器之間的流動(dòng)速度,這可通過(guò)增大彈簧腔與蓄能器之間連接管的管徑或者增加蓄能器數(shù)量來(lái)達(dá)到此目的。第三,盡量選用在低溫下具有較小黏度的膨脹液,以降低流動(dòng)阻力。第四,要在模擬真實(shí)工作環(huán)境的情況下,對(duì)閥門(mén)樣機(jī)做不低于100次的快開(kāi)測(cè)試,以保證膨脹液不會(huì)通過(guò)安全閥泄漏[7]。

        4 結(jié)論

        (1)液控水下閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的相對(duì)壓力與操作時(shí)間成反比,操作時(shí)間越長(zhǎng),流體在液壓管內(nèi)流動(dòng)的速度越小,由其引起的阻力也越小。同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的相對(duì)壓力與環(huán)境溫度成反比,環(huán)境溫度越低,其流體的運(yùn)動(dòng)黏度越大,由其引起的沿程阻力和局部阻力也越大。

        (2)當(dāng)閥門(mén)所處環(huán)境溫度較低、操作速度過(guò)快時(shí),安全閥會(huì)打開(kāi),從而導(dǎo)致膨脹液泄漏到海水環(huán)境中去。當(dāng)上述操作重復(fù)多次以后,關(guān)閉閥門(mén)時(shí)可能導(dǎo)致蓄能器中無(wú)膨脹液可以流回彈簧腔,由此形成液壓鎖,引起閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障。

        (3)可以通過(guò)增加水下閥門(mén)的操作時(shí)間、增大彈簧腔與蓄能器之間連接管的管徑、增加蓄能器數(shù)量、選用低溫下黏度較小的膨脹液等措施,以避免液控水下閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生失效。

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