帶壓開啟新型旋塞閥的結構設計及應力分析

宋若愚，喬軍平，黃可文，劉向陽，趙磊

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

本文設計一種帶壓開啟的新型旋塞閥，在簡單改動結構的基礎上，能夠在常規旋塞閥出現轉動失效的時候，形成新的流動通道，能夠順利實現壓井等流程，和常規旋塞閥相對比，消除卡死、關閉容易，能在內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旋塞閥容易失效的缺陷，有效確保了現場井控安全，在油田企業范圍內具有良好的應用前景。

1 常規旋塞閥和新型旋塞閥的結構和特點對比

1.1 常規旋塞閥的結構和特點

目前各大油田使用的常規旋塞閥基本類型相同，多為浮動式的結構設計，由閥本體、四開環、彈性擋圈、固定閥座、活動閥座、球體閥芯、旋鈕轉塊和波形彈簧等部件組成。

鉆進前，扭動旋鈕轉塊，開啟球體閥芯，當正常進行鉆進，該旋塞閥始終處于開啟狀態，鉆井液順暢的通過旋塞閥，當發現井噴危險時，即刻扭動旋鈕，將球體閥芯旋轉90°，在管內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，阻斷管內高壓井噴液體，將壓力封閉在管內，從而有效實現抑制井噴。該種旋塞閥存在較多優點，一是正常工作下開關迅捷容易，扭動旋鈕即可實現球體閥芯的開關閉合；二是一旦閉合后，金屬密封性良好，不易泄露；三是設計結構簡單，重量輕、體積小，節約制造成本。但是同時該種旋塞閥也存在突出的缺點：遇井噴危險時，在球體閥芯關閉后，管內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，雖然能夠實現阻止井噴流體的外噴，但是巨大的作用力形成的接觸應力容易導致球體閥芯產生變形，更為嚴重的是，如此巨大的接觸應力導致接觸面摩擦力陡增，當壓差超過20MPa時，人力已經難以扭動旋鈕開啟球體閥芯了，即產生旋塞閥轉動失效。如果旋鈕轉塊內的內六方孔經過長期使用產生嚴重的磨損，更是無法有效給予足夠的扭動力矩，高壓狀態下更難以開啟球體閥芯。

1.2 新型旋塞閥的結構和特點

結合常規旋塞閥容易出現的上述問題，本文設計了一種可以帶壓開啟的新型旋塞閥，其結構圖如圖1所示。

圖1 帶壓開啟新型旋塞閥結構示意圖

與常規旋塞閥的閥本體、四開環、彈性擋圈、固定閥座、活動閥座、球體閥芯、波形彈簧和旋鈕轉塊等部件是相同的，但是在活動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，而活動閥體則由一個固定限位銷卡在固定位置上。該閥的在鉆桿正常鉆進時的工作狀態和常規旋塞閥是一樣的，即在正常鉆進工作時，該種旋塞閥的球體閥體也同樣處于始終狀態，鉆井液也可以順暢的通過旋塞閥，而當發生井噴危險的時候，依然也是通過人工旋轉旋鈕，將球體閥芯旋轉90°，在管內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，抑制井噴的發生。

而在發生井噴危險、緊急關閉球體閥芯之后，逆時針旋轉固定限位銷，將銷旋出活動閥座的限位后，在內部壓差的作用下，上部高壓壓井液將球體閥芯連同活動閥體一同向下推動一段距離，使得這兩部分共同壓入空腔內，則封閉管內狀態被解除，在球體閥芯和活動閥體所在的空腔內，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流程。

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

因為該旋塞閥和常規的旋塞閥在閥內的結構上沒有過多的區別，最明顯的區別是該活動閥體是可以實現軸向上的移動，該種移動依靠活動閥體上的固定限位銷來限制移動位移，在活動閥座連同球體閥芯共同進入擴大的下部內腔，固定閥座端下部即出現新的流動通道，消除了在常規旋塞閥一側壓力下、閥座和球體緊密壓在一起，難以人工旋轉轉塊以消除旋塞閥失效的情況。該項結構設計的優勢在于：在較低加工成本的前提下，并不大幅度改變旋塞閥的結構，依靠一個擴大內腔、增加限位的結構，打通一個簡單的、新的回流通道，消除旋塞閥在高壓狀態下失效情況，以便能夠迅速開展壓井等相關井控工作。

2 主密封面間的接觸應力的理論分析

針對固定限位銷未拔出之前、旋塞閥轉動失效的情況，本文也針對固定閥座和球體閥芯之間的主密封面接觸應力進行了力學理論模型的研究。當閥體處于密封狀態時，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形面，根據受力平衡方程：

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，當管內井噴流體的壓力P確定數值后，只有α1和α2兩個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參數為：α1=38°，α2=46°，R為37.5mm，假設管內井噴流體壓力P為70MPa，經過公式(3-1)計算，得出球體閥芯和固定閥座接觸面之間的接觸應力σ為261MPa。

3 主密封面間的接觸應力數值分析

采用專業的應力分析軟件——ansys有限元分析軟件對球體閥芯與固定閥座開展接觸應力數值分析，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，查詢相關參數是彈性模量是206MPa，泊松比是0.3，密度是7850kg/m3。依據各類參數，在ANSYS里建模后直接實施裝配，因為旋塞閥的結構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行應力有限元分析。

按照接觸對中主從面的選取原則，本文選取設定固定閥座為主密封面，球體閥芯為從密封面，摩擦系數選取0.2。用三維實體單元對球體閥芯和固定閥座實體模型中應力集中、并且重要的關鍵部位實施網格細分，其中固定閥座共劃分860個單元，球體閥芯共劃分7014個單元。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的應力載荷，選用幅值曲線加載法，得出的接觸應力結果如圖3所示。

圖3 球體閥芯與固定閥座接觸應力云圖

從圖中可以看出最大應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力最大值為290.1MPa，與理論計算結果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力情況是可行的。

4 結語

（1）本文所設計的帶壓開啟新型旋塞閥通過簡單的結構改進，徹底避免了在高壓情況下球體閥芯轉動失效問題，并且通過形成新的流動通道，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）本文詳細研究并給出了球體閥芯和固定閥座的力學理論模型，使用公式計算出在高壓情況下，球體閥芯與固定閥座接觸面的接觸應力，同時使用ansys有限元分析軟件根據新型旋塞閥的參數建立有限元模型，得出了旋塞閥球體閥芯和固定閥座主密封面上的接觸應力。并通過力學理論模型的結果與ansys有限元軟件仿真的結果進行對比，結果較為接近，為分析高壓情況下旋塞閥各金屬密封接觸面的接觸應力問題提供了有效可靠的方法。