節流閥芯流場受力分析及結構優化

邢大偉，柴希偉

（1.中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司，河南新鄉453000；2.西南石油大學，四川成都610000）

節流閥芯流場受力分析及結構優化

邢大偉*1，柴希偉2

（1.中石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司，河南新鄉453000；2.西南石油大學，四川成都610000）

節流閥是壓井節流管匯中的核心設備，現場應用中錐形節流閥常因結構不合理導致振動斷裂而失效，給壓井帶來了很大的安全隱患。以楔形閥為核心分析其在高壓流場中的受力情況，并得出計算軸向液壓推力和橫向推力公式。同時，采用雙向流固耦合計算方法，對楔形節流閥芯和錐形閥芯在流體沖擊載荷作用下位移變化值進行對比分析，驗證楔形閥芯替代錐形閥芯的可行性。最后，對楔形閥芯進行結構優化設計，改善閥芯的壓降特性。從而，滿足現場使用要求。

節流閥；力學分析；流場分析；優化設計

節流閥是壓井管匯的核心部件。壓井施工中，節流閥是為了提高環空流動阻力而在循環通路末端人為設置的一個流動障礙，其作用是控制流量，用于保持整個油氣生產系統的壓力，防止溢流甚至井噴［1］。

油田普遍使用錐形節流閥。在高壓油氣井壓井過程中，節流閥工作條件十分惡劣，流量大、工作壓力高，錐形閥芯常因結構不合理導致震動疲勞破壞和流體沖蝕引起管匯刺漏，甚至造成閥桿斷裂，閥座刺穿。因此，確保節流壓井工藝安全，節流管匯結構改進與優化將起到巨大的推動作用。

本文主要以楔形閥為核心分析其在高壓流場中的受力情況，并采用雙向流固耦合計算方法對比分析兩種閥芯的位移變化值，驗證楔形閥芯替代錐形閥芯的可行性。最后，對楔形閥芯進行結構優化設計，獲得最佳結構。從而，解決閥芯斷裂現象，延長節流閥的使用壽命，對油氣田節流壓井意義重大。

1　節流閥閥芯受力分析

節流閥在流場中承受2種分力：軸向液壓推力和橫向推力。經過調研發現，錐形閥芯斷裂位置通常在閥芯根部，原因是閥芯因高速流體沖擊受不穩定變應力條件發生疲勞斷裂。可見，決定閥芯壽命的關鍵力是橫向推力。由于高壓流體的不穩定性，流體由四周流過錐形閥芯時，對其橫向推力必然難以達到平衡，產生不穩定變應力，發生斷裂疲勞。為解決上述問題，將原有錐形閥芯改成楔形閥芯結構，從力學原理上將一端固定的懸臂梁結構改成了一端固定、一端支撐的簡支梁結構，增強了閥芯結構在不穩定變應力沖擊條件下的抗疲勞特性。

楔形節流閥的幾何受力模型如圖1所示。

圖1　錐形節流閥芯的幾何受力模型

作用在楔形閥芯上的液壓推力利用流動液體的動量方程直接求出總作用力，即所謂控制體積法［2-4］。

式中：d0、d1、d2——閥桿直徑、閥出口直徑、倒角處直徑；

P1、P2——進口壓力、出口壓力；

x──閥芯開啟高度；

υ1──流過閥芯的流體速度；

ρ──流體的密度；

q──流體的質量流量；

由于高壓流體的不穩定性，作用在錐形閥的橫向推力很難精確地計算獲得。但是，可以從材料力學的角度出發定性的比較楔形閥與錐形閥，驗證楔形閥芯的合理性。橫向力可以簡化為作用在閥桿和閥芯上的均布載荷。簡化模型如圖2所示。

圖2　節流閥閥芯彎曲變形簡化模型

上述模型為一端固定、一端支撐的簡支梁結構，A處表示為閥桿固定在閥體上，B表示閥座對楔形閥芯的支撐。通過分析上述簡支梁結構，得出撓曲線方程和轉角方程［5］。而錐形閥的簡化模型為一端固定的懸臂梁。表格1分別表示2種模型的撓曲線方程，轉角及最大撓度。

表1　簡化模型在載荷作用下的變形

從表1中可以清楚看到，在相同載荷作用下，錐形閥芯簡化模型的轉角和最大撓度都高于楔形閥芯。盡管將閥芯簡單的視為梁模型，導致橫向力的計算誤差較大，但是我們可以定性地驗證了楔形閥芯替代錐形閥新的可行性。

2　不同開度時節流閥芯震動分析

2.1流固耦合計算模型

節流閥閥芯震動明顯對流場運動有一定影響，因此采用雙向流固耦合方式進行計算［6-8］。為節約計算時間，流固耦合計算模型只針對節流閥內部流體域與閥芯固體域，如圖3所示。

圖3　節流閥流固耦合計算模型

2.2結果分析

計算結果分析主要是針對節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4是不同開度情況下，針形閥芯結構變形位移云圖。在不同開度情況下，閥芯頂端變形位移最大，變形量向閥芯根部逐漸減小。開度20%時，最大變形位移0.24401mm；開度40%時，最大變形位移0.23113mm；開度60%時，最大變形位移0.22035mm；開度80%時，最大變形位移0.19244mm。針形閥芯最大變形位移量隨著開度增加而減小。

圖5是不同開度情況下，楔形閥芯結構變形位移云圖。在不同開度情況下，閥芯頂端變形位移最大，變形量向閥芯根部逐漸減小。開度20%時，最大變形位移0.0382mm；開度40%時，最大變形位移0.025163mm；開度60%時，最大變形位移0.02237mm；開度80%時，最大變形位移0.013899mm。楔形閥芯最大變形位移量隨著開度增加而減小。

在相同情況下，針形閥芯變形位移是楔形閥芯的6～10倍，震動幅度遠大于楔形閥芯，發生疲勞斷裂的可能性高于楔形閥芯。因此，為提高節流閥使用壽命，采用楔形閥芯替換針形閥芯的方法是可行的。

3　閥芯斜面改進

對閥芯的改進即是使閥芯與閥座之間的流道改變，根據原節流閥壓降這個特點，對閥芯的結構改進方案是：增大節流閥在小開度時的流道面積，減小節流閥在大開度時的流道面積。如圖6所示，對閥芯楔面兩端進行參數l和n設置，模擬參數變化時不同開度下的壓降值。

圖4　針形閥芯結構變形位移云圖

圖5　針形閥芯結構變形位移云圖

圖6　閥芯改進方案

圖7　閥芯新結構

由于閥芯改進結構參數n的存在，使得節流閥內部流體域在閥芯關閉時存在斷點（流體域突變），因此需對閥芯結構再次進行結構優化。

由于在閥芯進程控制上，一般是以開度5%或者10%（行程2.5或5mm）為單位，而閥芯行程總長是50mm。因此對閥芯結構的優化思路是：從閥芯型面末端作一斜面，在兩斜面交接處倒角Rn（mm），優化后結構如圖7所示。

與原結構壓降特性進行比較如圖8所示。

通過新閥芯結構與原閥芯結構壓降特性對比可以看出，通過結構改進及優化后的2種閥芯結構的壓降特性的特點是：從閥芯開度10%到開度20%之間壓降迅速降到10MPa，在此后的行程范圍內，壓降隨開度的變化幾乎呈線性關系。

與原閥芯結構壓降特性相比，新閥芯結構在符合控壓鉆井工藝需要上，不僅增大了節流閥的有效可調節行程，而且大大提高壓降特性線性度，使節流閥能可調性大幅度提高。

圖8　新結構與原結構壓降特性對比

4　結論

（1）使閥芯結構發生疲勞斷裂的關鍵因素是橫向推力，斷裂位置易發生在閥芯根部。

（2）在相同情況下，針形閥變形位移是楔形閥的6～10倍，震動幅度遠大于楔形閥芯，發生斷裂的概率高于楔形閥芯。

（3）在井控工藝中壓降開度曲線不可能達到線性，但在控壓鉆井中只需要某一區間范圍內達到近似線性，通過此改進方案能夠達到這點要求。

［1］練章華.高壓節流閥流場分析及其結構改進［J］.石油機械，2004，32（9）：22-41.

［2］王德玉，劉清友，等.高壓節流閥的失效與受力分析［J］.天然氣工業，2005，25（6）：94-96.

［3］蘇爾黃.液壓流體力學［M］.北京：國防工業出版社，1979.

［4］何存興，張鐵華.液壓傳動與氣壓傳動［M］.湖北武漢：華中科技大學出版社，2000.

［5］蔣平.工程力學基礎（Ⅱ）材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［6］F H.J.Bungartz.Fluid-Structure Interaction-Modelling，Simulation，Optimization［M］.Springer，Berlin，Heidelberg，2006.

［7］Zhengshou Chen，Wu-Joan Kim.Numerical Simulation of Flexible Multi-Assembled Pipe Systems Subject to VIV.Proceedings of the Nineteenth（2009）International Offshore and Polar Engineering Conference Osaka，Japan，2009：21-26.

［8］Z.Ozdemira，M.Soulib，Y.M.Fahjanc.Application of Nonlinear Fluid-Structure Interaction Methods to Seismic Analysis of Anchored and Unanchored and Unanchored Tanks［J］.Engineering Structure，2010，32（2）：409-423.

TE927

A

1004-5716（2016）10-0067-04

2015-11-15

2015-11-17

邢大偉（1989-），男（漢族），河北滄州人，助理工程師，現從事鉆井現場施工技術工作。