節(jié)流閥閥芯振動失效分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

賈 林，艾志久，王 彪，鄧 莉，胡文禮

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都610500；2.新疆油田公司 陸梁油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依834000） ①

在油田鉆井中，節(jié)流閥是井控管匯中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能關(guān)系到井控作業(yè)安全。在實(shí)施油氣井壓力控制技術(shù)時，借助節(jié)流閥開啟和關(guān)閉維持一定的套壓，將井底壓力變化穩(wěn)定在一個窄小的范圍內(nèi)［1－2］。目前，多數(shù)油田使用的節(jié)流閥是針形閥，即錐形閥，經(jīng)常出現(xiàn)閥體沖蝕破壞、噪聲大、閥桿振動等問題，嚴(yán)重的會造成閥座刺穿、閥桿斷裂。針對節(jié)流閥的研究［3］，國內(nèi)外許多學(xué)者多是基于節(jié)流閥內(nèi)部流場分析、節(jié)流閥防刺短節(jié)特性研究、閥體結(jié)構(gòu)的有限元分析、節(jié)流閥閥芯的沖蝕研究，對節(jié)流閥閥芯進(jìn)行改變開度的振動分析很少，而閥芯的振動失效將嚴(yán)重影響節(jié)流閥的節(jié)流效果。

本文對不同開度條件下節(jié)流閥閥芯的振動進(jìn)行分析，比較了錐形閥芯和楔形閥芯的動力學(xué)特性。楔形閥芯的振動位移較小，工作性能更穩(wěn)定、可靠，避免了高壓流體沖擊下閥芯的斷裂現(xiàn)象發(fā)生。因此，在井控節(jié)流管匯中應(yīng)優(yōu)先采用楔形節(jié)流閥。

1 問題分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在現(xiàn)有節(jié)流管匯中，節(jié)流閥的針形閥芯易發(fā)生如圖1所示的斷裂問題，斷裂位置在閥芯根部。分析斷裂原因，閥芯因高速流體沖擊而受單向不穩(wěn)定變應(yīng)力，發(fā)生疲勞斷裂。

為解決上述問題，將如圖2所示原有的針形閥芯結(jié)構(gòu)改成了如圖3所示的楔形閥芯結(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、一端支撐的簡支梁結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了閥芯結(jié)構(gòu)在單向不穩(wěn)定變應(yīng)力沖擊條件下的抗疲勞性能。

圖1 針形節(jié)流閥閥芯的斷裂位置

圖2 針形閥芯節(jié)流閥

圖3 楔形閥芯節(jié)流閥

2 流固耦合分析理論

2.1 流體控制方程

流體流動遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。如果流體中有混合的其他成分，系統(tǒng)還要遵循組分守恒定律。對于一般的可壓縮牛頓流體，守恒定律通過如下控制方程描述［4］，這里沒有考慮能量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程為

動量守恒方程為

式中：t為時間；ff為體積力矢量；ρf為流體密度；v為流體速度矢量；τf為剪切力張量。

式中：p為流體壓力；μ為動力黏度；I為單位矩陣；e為速度應(yīng)力張量。

式中，v是流體速度矢量；vT是速度散度。

2.2 固體控制方程

固體部分的守恒方程可以由牛頓第二定律導(dǎo)出［3］，即

式中：ρs為固體密度；σs為柯西應(yīng)力張量；fs為體積力矢量；ds為固體域當(dāng)?shù)丶铀俣仁噶俊?/p>

2.3 流固耦合方程

流固耦合遵循最基本的守恒原則，所以在流固交界面處，應(yīng)滿足流體與固體應(yīng)力（τ）、位移（d）、熱流量（q）、溫度（T）、物質(zhì)的量（n）等變量的相等或守恒，即滿足如下4個方程［3］：

式中：下標(biāo)f表示流體，下標(biāo)s表示固體。

3 有限元模型

3.1 建立有限元計(jì)算域

節(jié)流閥閥芯振動明顯，對流場運(yùn)動具有一定影響，因此采用雙向流固耦合方式進(jìn)行計(jì)算。為節(jié)約計(jì)算時間，流固耦合計(jì)算模型只針對節(jié)流閥內(nèi)部流體域與閥芯固體域，如圖4所示。

圖4 節(jié)流閥流固耦合計(jì)算域

為了保障在非相似網(wǎng)格之間準(zhǔn)確傳遞耦合數(shù)據(jù)，要求耦合交界面上的網(wǎng)格類型和尺寸最大限度滿足相同。因此在研究節(jié)流閥流固耦合分析時，針對流體域和固體域結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜的特點(diǎn)，采用了基于八叉樹方法的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方法。同時在耦合交界面上生成邊界層網(wǎng)格，確保耦合數(shù)據(jù)傳遞精度。如圖5所示為防沖刺節(jié)流管匯流固耦合計(jì)算域的網(wǎng)格離散化模型。

圖5 節(jié)流閥流固耦合計(jì)算域網(wǎng)格模型

3.2 流固耦合邊界

流固耦合計(jì)算域施加的邊界條件分為流體計(jì)算域、固體計(jì)算域上的邊界條件，及流固耦合交界面等。含氣量50%時流體沖蝕最嚴(yán)重，因此在流固耦合中采用此含氣量。

流體性質(zhì)：在控壓過程中，將從井筒返回的鉆井液視為均相，由于鉆井液性質(zhì)為非牛頓流體，因此，簡化為賓漢流體模式計(jì)算，其參數(shù)如表1所示。

表1 鉆井液參數(shù)

1） 流體域邊界條件 進(jìn)口邊界：采用壓力進(jìn)口，設(shè)定進(jìn)口邊界壓力為60 MPa；出口邊界：采用質(zhì)量流量出口，設(shè)定為15 kg/s。

2） 固體域邊界條件 固體計(jì)算域內(nèi)需要將結(jié)構(gòu)自由度完全約束，閥芯圓柱面采用完全約束徑向和切向自由度，端面約束x方向自由度。

3） 固體計(jì)算域接觸面 接觸面即是流體域與固體域交界面。

4） 流固耦合交界面 耦合交界面設(shè)定過程中要求固體域和流體域上對應(yīng)的邊界網(wǎng)格可以變形，同時可以通過交界面進(jìn)行載荷傳遞。

4 閥芯計(jì)算結(jié)果分析

閥芯動力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析主要是針對節(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6是開度為20%情況下，針形閥芯結(jié)構(gòu)與楔形閥芯的振動位移云圖，可知閥芯頂端變形位移最大，變形量向閥芯根部逐漸減小。

圖6 開度20%時閥芯的振動位移云圖

閥的開度對閥芯振動位移的影響如圖7。可以看出：隨著閥開度的增加，閥的振動位移在減少；針形閥芯的位移遠(yuǎn)大于楔形閥芯；振動位移越大，其變形就大，更容易斷裂。

圖7 2種閥芯在不同開度下的振動位移曲線

5 結(jié)論

1） 數(shù)值模擬結(jié)果表明，針形節(jié)流閥芯的振動位移數(shù)值是楔形閥芯的6～10倍，因此容易發(fā)生振動疲勞斷裂。

2） 為了提高井控節(jié)流閥的使用壽命，應(yīng)采用楔形閥芯，并對閥的結(jié)構(gòu)做相應(yīng)改進(jìn)。

3） 閥的開度越小，閥芯的振動就越明顯。在使用中應(yīng)盡量增大閥的開度。

［1］ 王國榮，王德貴，劉清友，等.一種井控節(jié)流閥防刺短節(jié)的特性分析［J］.石油機(jī)械，2011，39（11）：10－11.

［2］ 魏存祥，滕 龍，王勇剛，等.固定節(jié)流閥流場數(shù)值模擬研究［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（5）：47－50.

［3］ 劉 干.節(jié)流閥結(jié)構(gòu)研究與流場數(shù)值模擬分析［D］.成都：西南石油大學(xué)，2003.

［4］ 宋學(xué)官，蔡 林，張 華.流固耦合分析與工程實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.