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  • 节流阀冲蚀性能仿真分析与试验研究
    来源:哲成阀门 笔者:哲成阀门贸易部 通告时间:2019-6-19 读书: 先后
      

          高压节流阀是原油和天然气开采中的关键井控装备, 用于调节由井底返回的钻井液压力, 并向井底提供方便的回压以平衡地层压力, 防止井涌井喷等问题的发生。高压节流阀的破坏会造成灾难性的结果, 从而对伊可靠性和特殊性的要求较高 。冲蚀磨损是高压节流阀的第一失效形式。A.C.等采取有限元体积法研究了固体颗粒对300 MW蒸汽涡轮机上喷嘴的冲蚀作用, 得出了冲蚀的影响因子有冲击角、视点速度和粒子直径等;S.H.等做了液体冲蚀引起管壁变薄的研讨 ;D.W.用金刚石来提高节流阀的耐冲蚀性能;L.N.对原油专用阀分别进行了模拟分析和试验研究

          吉林、川渝地区的燃气资源埋藏较深, 地面压力大, 年产量高。在挖掘过程中, 井控装置, 特别是105 MPa节流管汇在高压、高产、高固相之恶性工况条件下, 节流阀出现不同档次的冲蚀磨损, 引发安全隐患, 困难以满足井控安全要求。针对节流阀冲蚀磨损严重的困局, 要求开105 MPa节流阀耐冲蚀性能研究。本文选取了最新筒式节流阀、楔形节流阀、孔板节流阀进行了对待研究。

    1 冲蚀机理分析

    1) 节流阀材质特点。阀体材质为4130, HB197-235;阀芯材质均为碳化钨, HRA90-93。

    2) 节流阀冲蚀特点。电子显微镜观测下阀体切片, 出现微切削和锄沟;阀芯冲蚀坑两边形成凸起的唇片, 并呈波纹涟漪状。

    3) 冲蚀理论。概括分析确定, 微切削模型理论、锻造挤压理论能揭示岩屑冲蚀节流阀的所作所为。两套模型理论并非各自独立地概括拼凑, 而是相互补充, 副不同角度、不同之冲蚀阶段来阐述节流阀不同位置的冲蚀现象, 进而确立节流阀冲蚀磨损机理。

    根据节流阀冲蚀机理, 确认采用如下冲蚀计算模型 [11] :

    R e r o = n = 1 Ν m �B p n C ( d p n ) f ( α ) v p n b ( v p n ) A w a l l

    式中:Rero为冲蚀磨损速率, kg/ (m2・s) ;C (dpn) 为颗粒直径的函数, m;f (α) 为颗粒对靶面攻角的α函数, rad;b (vpn) 是颗粒相对于靶材面速度的函数, m/s;Awall节流阀内表面单位冲蚀面积, m2; m �B p n 为颗粒的质流量, kg/s;n表示最大加重材料颗粒数。

    2 虚假分析与试验研究

    对新星筒式节流阀、楔型节流阀、孔板型节流阀在混气重泥浆条件下分别进行动态模拟试验, 检察3种类型节流阀在实行节流压井时之可靠性、耐冲蚀性和对井控艺术与井控工艺要求的符合性、服务性, 为节流压井作业提供决策依据。

    1) 最新筒式节流阀。最新筒式阀芯采用圆柱形结构, 阀芯、阀座均为对称布局, 阀芯、阀座采用碳化钨合金, HRA92, 可提高抗冲蚀能力, 且可调换方向安装, 伊过流面积与开度如图1所示。

    2) 楔形节流阀。该阀是为了消灭针形节流阀易断裂而研制的, 阀芯采用楔形结构, 阀芯阀座同样采用碳化钨合金, HRA94, 伊过流面积与开度如图2所示。

    a 阀芯
    b 过流面积开度
     
    希冀1 最新筒式节流阀阀芯及过流面积-开度示意
     
    a 阀芯
    b 过流面积开度
    希冀2 楔形阀阀芯及过流面积-开度示意

    3) 孔板式节流阀。阀瓣的商品流通截面形状为扇形, 阀瓣分为上、副两部分。定点下阀瓣, 旋转上阀瓣, 可以调整流通面积, 落实对流量的左右和调剂, 阀芯阀座也采取碳化钨合金 [13,14] 、HRA92, 伊过流面积与开度如图3所示。

    a 阀芯
    b 过流面积开度
    希冀3 孔板式节流阀阀芯及过流面积-开度示意

    2.1 虚假分析

    根据3品种阀过流面积与开度示意图, 在保证最大过流面积一致的大前提下, 针对不同之阀芯位移值 (如表1所示) , 拓展了相同条件下新型筒式节流阀、楔形节流阀和孔板节流阀的流场和冲蚀有限元仿真分析。

    表面1 阀芯位置及过流面积


    节流阀类型
    最新筒式节流阀
    楔形节流阀
    孔板节流阀

    阀芯位置
    0.011 5 m
    0.069 39 m
    127.5°

    过流面积/ m 2
    0.000 225 3
    0.000 225 3
    0.000 225 4
     

          对于新型筒式节流阀, 鉴于圆柱形阀芯具有结构对称的性状, 伊流场较平稳, 过流脸部为对称环形, 流体流过节流面时, 流体冲蚀力减弱, 调减了对下游设备的冲蚀, 受力的集中区域为阀芯与阀座节流面最小的水域, 阀芯节流面段出现环状痕迹, 如图4所示。

    a  速度云图 
    b 冲蚀速度云图
     
    希冀4 最新筒式节流阀分析结果

          对楔形节流阀进行冲蚀数值模拟分析, 速度场分布如图5a所示, 能够在楔形阀的阀芯与阀座结合之席位存在应力集中区, 且下游变径处存在单侧高速线流, 从而会对阀芯部位及上游变径处形成冲蚀, 如图5所示。

    a 速度云图
    b 冲蚀速度云图
     
    5 楔形节流阀分析结果
     

          对孔板型节流阀进行冲蚀数值模拟分析, 速度场分布如图6a所示。副流场图中得以看到, 阀出口端流体分布不平衡, 介质经阀瓣后流动明显偏向一侧, 且沿壁面的车速较大, 会导致流体对单边冲蚀严重, 如图6所示。

    a 速度云图
     
    b 冲蚀速度云图
    希冀6 孔板型节流阀分析结果

    2.2 考试研究

    为检验仿真分析的准确性, 采取元坝12-1H井的停车场, 暌违对3种节流阀进行了现场冲蚀试验。考试设备主要有 F-1600H型泥浆泵1台、气密封检测车3台、105 MPa节流管汇、液气分离器、泥浆罐等。泥浆参数为:强度1.8 g/cm3, pH值11, 强度48 s , 固相含量35%, 含砂量0.20%。泵冲次80~110 min-1。氮气纯度99.9%, 排量2.2 m3/min。泥浆和氧气的混合比在1∶1~1∶2。

    采取F-1600H型泥浆泵和实地气密封检测车将气体和泥浆注入到节流管汇, 节流阀开度1/8, 控制压力和排量, 对节流阀及上游管道进行8 h的冲蚀试验, 如图7所示。

     
    希冀7 养殖场管汇及流程

    2.2.1 最新筒式节流阀试验分析

    在考试期间, 泵的一瞬最高压力为44 MPa, 陪同多次压力瞬时上升现象。鉴于冲击压力过大, 内外压差为10 MPa, 从而控制平均压力为30 MPa, 如图8所示。

    考试成功后, 拆阀进行反省, 在阀芯距离顶端约9.5 mm处有一环状冲蚀痕, 宽敞2.6 mm, 冲蚀处直径50.4 mm, 阀座无强烈蚀痕, 上风抗冲蚀短接无冲蚀痕迹, 与仿真分析结果一致, 如图9所示。

     

    希冀8 最新筒式阀冲蚀试验压力曲线

     希冀9 最新筒式阀冲蚀磨损示意

          该阀在考试过程中操作较灵活, 圆柱形阀芯大端部抗冲击能力强, 消除了震动断裂的风险;圆柱形结构对流体有很好的指引作用, 显然下降了对下游的冲蚀, 同时下游管道内采取了抗冲蚀合金套, 驯化了射入角, 大幅增长了耐冲蚀效果;考试过程中压力波动较大, 是出于大颗粒物质在过流脸部很小的情况下通过时造成的。

    2.2.2 楔形节流阀试验分析

          鉴于该阀结构的题目, 无法实现憋高压, 名将泵速提到最高, 泵压仍未能超过20MPa, 如图10所示。

           考试成功后, 拆阀进行反省, 阀芯楔形面大端端面处有微小冲蚀痕迹, 阀座无强烈蚀痕, 虽然采用了防冲蚀短接, 但是在下游发现半月形冲蚀痕迹, 大约3 cm2, 与仿真分析结果一致, 如图11所示。

     
    希冀10 楔形阀冲蚀试验压力曲线
    希冀11 楔形阀冲蚀磨损示意

          阀芯及阀座采用硬质合金, 耐冲蚀较好, 但由于设计缺陷, 对下游形成单侧冲蚀, 对下游冲蚀较严重。名将阀芯前端座在阀座上, 避免阀芯震动断裂, 抗震能力得到了增进。在开度较大的情况下, 压力较稳定。但是控压范围较窄, 决不能兑现截断。在终点工况下试验设备也无从实现高控压。楔形节流阀在压力稳定方面符合井控艺术要求, 不会造成很大的压力波动而对设备或地层造成损坏, 同时在可控的调压范围内, 调压平稳, 楔形节流阀在多数情况下符合井控艺术和井控工艺要求。

    2.2.3 孔板节流阀试验分析

    在考试过程中泵压多次从高压瞬时下降至4 MPa控制, 开关活动阀后压力又能升高至原压力。说到底一次压力下14 MPa降至4 MPa, 岁月为1 min。认为该阀损坏, 停止试验, 如图12所示。

     
    希冀12 孔板阀冲蚀试验压力曲线

          考试成功后, 拆阀进行反省, 节流阀阀芯及阀座无冲蚀痕迹, 阀座套底部及四周有显著的冲蚀痕迹, 蚀痕最深5 mm;上风短节与阀连接处有冲蚀痕迹, 蚀痕最深1 mm, 长10 mm, 冲蚀痕迹总长70 mm。与仿真分析结果一致, 如图13所示。

    希冀13 孔板阀冲蚀磨损示意

          该阀阀芯及阀座孔抗冲蚀能力强, 但阀座套底部, 上风短节抗冲蚀能力较弱。阀座与阀芯之间无法实现全密封, 生存空隙, 流体经过会产生冲蚀和震动;控压效果差, 且压力波动大, 从而该种孔板节流阀在具体利用过程中不符合井控艺术和工艺的要求。

    3 总结

          在混气流量2.2 m3/min, 泥浆密度1.8 g/cm3, 冲蚀时间8 h的考试工况下, 得到3种类型节流阀的冲蚀效果及压力曲线。剖析可知, 最新筒式节流阀的耐冲蚀能力最强。副耐冲蚀能力、节流压井可靠性、井控工艺要求3地方综合分析, 最新筒式节流阀的针对性能较楔形节流阀和孔板节流阀好, 更符合生产现场的急需。

    本文Tag: 节流阀、抗冲蚀、考试
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