緊急卸荷閥的設計與研究

肖艷平，劉方，陳俊澤，詹良斌

（1.蘇州道森鉆采設備股份有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.長江大學機械結構強度與振動研究所，湖北 荊州 434023）

1 前言

緊急卸荷閥屬于壓裂作業配套裝置，通常安裝在高低壓管匯上部，為壓裂系統提供超壓保護。我國頁巖油儲量超過500 億噸、頁巖氣儲存量超過36 萬億立方米，緊急卸荷閥在未來相當長的時間內有這廣闊的市場。目前陸相頁巖油和頁巖氣尚處于起步階段，壓裂裝備的發展在未來具有廣闊的空間，其中緊急卸荷閥的研發設計是重要一環，亟需提高其性能和適用性。

為此，太原科技大學的武宗才對卸荷閥的工作機理進行了梳理推算出卸荷閥的動態特性方程，對卸荷閥系統進行了頻域分析和模態分析，得到了卸荷閥穩定裕度和固有頻率，采用遺傳算法提高了卸荷閥在實際應用中的動態特性，并通過試驗臺對卸荷閥進行了主要參數測試，對仿真的結果進行了驗證。Kento Kumagai 等人通過試驗的方式，對閥芯位移、空化程度和壓力的動態關系進行了實驗研究分析，提出了提升閥振動發生機理的假設，得到了空化現象會放大提升閥振動效果的結論。包括上述學者在內的眾多學者對卸荷閥的工作特性進行了大量研究，但關于緊急卸荷閥的開啟壓力精確化控制和密封性鮮有研究，且現有卸荷閥閥芯一般使用錐形結構，在閥芯內部安裝彈簧，結構較為復雜，制造和安裝成本高，且密封性較差，不能實現對開啟壓力的精確控制。

針對上述問題，本文設計出一種緊急卸荷閥，其中密封結構為鋼球與閥座之間經過配磨的金屬密封，等同于浮動球的密封效果，且在閥芯內安裝碟簧。通過設計計算、仿真分析、試驗測試可得緊急卸荷閥密封效果較好，整體強度滿足要求，且可實現開啟壓力值的精確設置，符合工程應用需求，對于新型緊急卸荷閥的結構設計具有重要意義。

2 結構型式與工作原理

本文所設計緊急卸荷閥結構如圖1 所示，由閥體、閥座、閥桿、鋼球、碟簧、調節螺母和一系列零部件組成。該緊急卸荷閥為2 寸140MPa 緊急卸荷閥，泄放壓力為123 ～125MPa。

圖1 緊急卸荷閥結構圖

鋼球與閥座之間形成球面對錐面的密封，通過壓套、閥蓋將閥座壓緊在閥體上，密封球由閥座和密封球經過配磨，實現金屬密封，實現等同于浮動球的密封效果。閥桿帶有放置碟簧的臺肩，材料為鑄造高鉛錫青銅，有很高的抗震性能。碟簧則提供一個初始的密封力。圖1為原始工作位狀態，此時，在碟簧的作用下，閥桿推動鋼球，使得鋼球與閥體形成密封。緊急卸荷閥通過由壬接口接入壓裂系統的高低壓管匯中，壓裂系統中的壓裂液壓力超過額定壓力時，壓裂液頂開卸荷單向閥閥芯使得管路中殘余高壓壓裂液經過卸荷流道連通卸荷腔實現卸荷。在碟簧上設置調節螺母，可根據需要精確調節緊急卸荷閥的工作壓力。

3 結構設計與分析

3.1 密封結構設計

本文所設計的緊急卸荷閥密封結構示意圖如圖2 所示，該緊急卸荷閥由鋼球與閥座之間形成球面對錐面的密封，通過壓套、閥蓋將閥座壓緊在閥體上，密封球由閥座和密封球經過配磨，實現等同于浮動球的密封效果。球閥的密封形式浮動球閥和其它閥門對比，有著品質輕、體型小、便捷和適用于各種管道施工的特征，并且密封性好，在使用中基本沒有介質泄漏。該緊急卸荷閥控制壓裂液卸荷通道開啟方式采用了鋼球與閥座間的金屬密封技術，更加安全可靠，通過板簧的作用，閥芯的開啟和關閉受到控制，同時與閥座密封配合，以達到精確控制介質壓力的目的。

圖2 密封結構示意圖

3.2 碟簧結構設計（圖3）

圖3 碟簧結構示意圖

碟簧的最小工作負荷：

碟簧的最大工作負荷：

式中，每組疊合碟簧中碟簧片數n=4；承載邊緣處的摩擦系數fR=0.03；碟簧錐面間的摩擦系數fM=0.01。

計算系數：

式中， 碟簧厚度t=3mm； 單個碟簧自由高度H0=4.1mm；碟簧外徑D=50mm；碟簧內徑d=25.4mm；直徑比C=D/d=1.9685；碟簧厚度t1=3mm。

計算應力：

式中，碟簧厚度t=3mm；無支撐面壓平時的變形量h0=H0-t=1.1mm；預壓變形量fz1=0.5mm; 碟簧組數I=4；單組碟簧預變形量：；直徑比；泊松比μ=0.3。

安全系數：

式中，碟簧材料屈服強度σy=1127MPa ；許用抗拉強度σy1=0.75y=845.25MPa ； 許用抗壓強度σy2=1.5y=1690.5MPa。

3.3 材料選擇

密封球與閥桿采用GCr15 高碳鉻軸承鋼，經過淬火、回火等工藝后有著優良的綜合性能，有較好的耐磨性。閥蓋和閥體采用4140 合金結構鋼，其強度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小。板簧采用50CrVA 彈簧鋼，具有良好的力學性能和工藝性能，淬透性較高等特點。緊急卸荷閥材料性能如表1 所示。

表1 緊急卸荷閥材料性能

4 結構強度數值模擬

利用有限元軟件對緊急卸荷閥閥體進行仿真分析，采用單元尺寸為5mm 的四面體網格進行網格劃分并對關鍵部位進行局部加密，設置4140 合金結構鋼材料屬性，對閥體的外表面施加固定約束，并根據設計要求對閥體內表面施加140MPa 壓力載荷（圖4）。

圖4 緊急卸荷閥閥體有限元模型

計算分析結果如圖5 所示， 最大應力為673.44MPa，位于閥體兩圓柱之間的相貫線位置，圓柱結構發生變化產生的相貫線位置產生應力集中。該最大應力小于材料的屈服應力930 ～1200MPa，故該零件是安全的。

圖5 緊急卸荷閥閥體應力云圖

5 結構模型實驗

（1）整體強度測試。將緊急卸荷閥接入測試設備從緊急卸荷閥的上游打壓，泵壓210MPa，保壓3min 后泄壓，再次升壓至210MPa，保壓15min，壓力變化小于3.45MPa 無泄漏和損壞，符合卸荷閥強度設計要求。（2）整體密封測試。從緊急卸荷閥下游打壓，升壓到140MPa,保壓15min 后泄壓，壓力變化小于3.45MPa，無可見泄漏。（3）系統開啟試驗。按裝配手冊調整調壓螺母的尺寸，從下游打壓125MPa，直到閥門開啟，測試開啟壓力在123 ～125MPa，符合相關設計要求（圖6）。

圖6 試驗測試圖

6 結語

本文針對緊急卸荷閥開展了結構設計、有限元分析及試驗驗證等研究，主要結論如下：

（1）該緊急卸荷閥控制壓裂液卸荷通道為直動式結構，采用了鋼球與閥體間的金屬密封技術，運用了相互錯開的蝶形彈簧結構，可提供更好的緩沖效果，實現快速精確地調節開啟壓力值。（2）該緊急卸荷閥閥體有限元仿真結果顯示，最大應力為673.44MPa，位于閥體兩圓柱之間的相貫線位置，這是由于該處結構發生變化形成結構尖角而產生應力集中，該最大應力小于材料的屈服應力930 ～1200MPa，滿足強度要求，驗證了閥體結構設計的正確性和有效性。（3）緊急卸荷閥現場試驗測試結果表明，整體強度壓力變化小于3.45MPa，無可見泄漏且閥芯開啟壓力在123 ～125MPa，符合相關設計要求，滿足現場工況的需要。