浅议旋塞阀结构流道开度推导及其冲蚀速度分析

发布时间:2011-01-05  点击数:3264
    钻井过程中当遇到高压地层时,如果没有可靠的防喷系统就有可能发生井喷。无论是钻柱外井喷还是钻柱内井喷,都存在引发事故的潜在危险其后果是相当惨重的高温高压气井尤其是高含硫气井的井控安全性非常重要,比如2003年12月23日川东罗家16井发生井喷造成243人死亡、2142人中毒住院治疗、65000人被紧急疏散。就是因为没有使用内防喷工具所致。
    所谓钻柱内防喷系统就是由预防及处理钻柱内井喷的配套系列产品组成的系统。它主要由方钻杆上、下旋塞阀,新型钻杆回压阀,投入式止回阀和钻井液自动防喷阀等组成,有时也包含旁通阀。方钻杆旋塞阀是一种球阀两端有螺纹以便和钻柱连接。上旋塞阀装在水龙头和方钻杆之间,下旋塞阀装在方钻杆与钻杆之间,目的是防止钻井液喷溅,改善钻工工作条件,实现文明生产。旋塞阀可在发生井喷时作为应急使用的辅助钻井装置。方钻杆旋塞阀,特别是方钻杆下部旋塞阀,不仅承受钻柱所有的动、静载荷,而且还受到钻井液的腐蚀、H2S腐蚀以及钻井液的冲蚀磨损。国内外学者已用CFD有限元法对旋塞阀或节流阀这种变开度的结构进行了流场冲蚀速度研究。得到了一些实用方法和经验。
    同时,不少学者从旋塞阀失效机理、高压密封问题、强度问题以及旋塞阀通道结构设计问题等做了大量研究工作,取得了不少成果。但是,随着深井、超深井以及气体钻井等的迅速发展,旋塞阀的工作环境越来越恶劣,为此提出了内防喷器中新型旋塞阀结构及其失效机理研究,笔者将重点研究旋塞阀开度及其流体对旋塞阀冲蚀速度的影响。
一、旋塞阀结构及其开度推导
    旋塞阀结构总装图如图1所示。

    旋塞阀主要由上接头、上阀座、万向节、阀球、下阀座、固定环、下接头等组成。当阀球旋转一角度时,其过流面积减小,阀体内流场将随之发生变化,本节将详细推导旋塞阀开度与旋塞阀转角的关系。
    旋塞阀流道基本结构尺寸如图2所示。

    旋塞阀中间部分即为流道空间,流道随阀球的旋转而变化。旋塞阀流道的几何尺寸如表1所示。
表1旋塞阀流道基本尺寸

    图2中ABEF为阀心最大流体通道直径d1,球阀绕O点垂直于AOB平面旋转,当阀心上A点旋转至与阀体通道B点重合时,旋塞阀处于关闭状态,再继续旋转至90°时,也处于关闭状态,其详细的流道空间几何结构变化如图3所示。

    图3a为旋塞阀全开流道,其阴影部分即为流道空间。图3b是旋塞阀线绕O点旋转θ时的开度状态,阀心流道由ABEF位置旋转至A′B′E′F′位置,其过流流道变为GFF′A′AJIBB′E′EH,见图3b中的阴影部分。图3a中的过流面积为以AB为直径的圆面积,即最大过流面积,而任意开度时,图3b中过流面积为BC段和CA′段在BA上的投影面积之和。为了推导任意开度下的过流面积,笔者以球形阀阀心的中心为坐标原点,钻柱中心流道为Y坐标轴,垂直于钻柱中心流道方向为X坐标轴,如图3b所示。
    下面将求关键点的坐标。
    直线AB的方程为
                                   
    式中 R2———阀球半径,mm;
         R1———阀心流道半径,mm。
    点A′的坐标(xA′,yA′)
                       
    点B′的坐标(xB′,y′B)
 

                            
    式(2)和式(3)中
        α1=arccos(R1/R2)           (4)
        α2=π-2α1                         (5)
    将式(5)代入式(3)得

                    
    由点A′、B′的坐标可得直线A′B′的方程为

                      
    由于C点始终在直线AB上移动,其纵坐标yC可以用式(1)求得,即 
                               
    将式(8)代入式(7)可以得出C点的横坐标xC值,即

                          
    设h=|xC|,见图4,设阴影部分的面积为S1,则有
                   
                 
    S1即为BC段的垂直过流面积,而CA段的垂直过流面积S2根据几何关系推得,即
         S2=S1cosθ                 (12)
    因此任意开度下的总过流面积S=S1+S2=S1+S1cosθ,即
         S=S1(1+cosθ)            (13)
    式(13)中θ是阀心在全开位置时开始旋转的角度,即θ=0时阀全开,θ=α2时阀全关闭。
    开度是指旋塞阀开启的过流面积S与旋塞阀全开状态下的面积S0之比的百分数,即
                    
    根据式(10)、(13)、(14)可得
                      
    图4阴影部分过流面积示意图
    为了直观地分析开度与旋塞阀转角的关系,由式(1)~(15)和表1中的几何数据,可得图5中2种旋塞阀结构尺寸的开度与阀心旋转角的关系曲线。这2条曲线给出了旋塞阀转角与开度的数据关系,旋塞阀最初转角为0°时,其开度为100%,时旋塞阀处于全开状态,随着旋塞阀的转角增加,其开度随之减小。当旋转角增加到α2时,开度为零,即旋塞阀处于关闭状态。这2种旋塞阀开度为零时,Ø127mm(5英寸)旋塞阀的最小关闭转角为84.69°,Ø88.9mm(31/2英寸)旋塞阀的最小关闭转角为69.33°,也就是说旋塞阀转角还没有达到90°时,已经全部关闭。

    图5能直观地分析这2种结构旋塞阀转角与开度关系,通过回归拟合出如下所示旋塞阀转角与开度的经验公式。
    Ø127mm(5英寸)旋塞阀:x=1×10-4θ3-9.8×10-3θ2-1.1711θ+100.0            (16)
    Ø88.9mm(31/2英寸)旋塞阀:x=2.0×10-4θ3-0.0111θ2-1.5436θ+100.0          (17)
    根据公式(16)、(17)可计算出任意转角θ时,相对应的旋塞阀开度,也可以根据旋塞阀转角,在图5中查出相对应的开度。已知某一旋转角度,可以根据公式(16)、(17)计算出其对应的开度数值,因此式(16)、(17)为旋塞阀开度的调节经验公式。
二、旋塞阀开度与流速及对阀体的冲蚀分析
    为了分析旋塞阀开度与最大速度的关系,通过计算流体动力学(CFD)计算,将阀心内最大速度的值取出,速度与开度的变化关系曲线如图6所示。从图6可知,当开度小于20%时,Ø88.9mm(31/2英寸)结构阀心内的最大速度高达100m/s以上,而全开时,阀心内的最大速度仅为12.32m/s。当开度为80%时,阀心内的最大速度为20m/s左右,也就是说在小开度时(开度<20%),阀心下游速度将高达100m/s以上,是全开时速度的10倍以上。此速度将强烈地冲击、冲蚀阀体下游内壁面,造成旋塞阀的冲蚀损坏而早期报废。当旋塞阀开度调整到18%时,阀心两端的压力降为15.2MPa,远大于开度为65%时的0.5MPa,说明开度越小,压力损失越大。
 
    图7是开度为18%时,旋塞阀内的速度矢量和速度等值线分布。从图7可见,开度为18%时,阀心内和阀心出口出现了强烈的回流区,而其最高速度已达到107.93m/s,而开度为65%的阀心内最高速度才27.64m/s。说明开度越小阀心内的冲刷速度越高,对于延长阀心的寿命越不利。因此,在旋塞阀的开启过程中,应该尽量避开长时间小开度状态。另外对阀心下游的阀座应该采用耐冲蚀材料,以便延长其使用寿命。
    小开度主要发生在旋塞阀刚开启或者刚关闭的时刻,如果这2个过程保持时间较长,那么高速射流的时间就越长,越容易冲蚀阀体内壁面。因此,建议尽量缩短旋塞阀阀心开启或关闭的时间,不能长时间停留在小开度范围内工作。为了方便地计算出旋塞阀内开度与最大速度的关系,通过回归拟合,可得图6中Ø88.9mm(31/2英寸)旋塞阀的最大速度与开度的拟合公式为
    vmax=1×10-6x4 - 6×10-4x3+0.0854x2-6.0394x+189.11(18)
    同样的方法可得Ø127mm(5英寸)旋塞阀结构尺寸下,阀心开度与最大速度的关系曲线,见图6。由图可见,当开度<20%时,阀心内最大速度迅速增加,对阀体的损坏加剧,需要控制阀心的开启和关闭时间,以便延长阀体的整体寿命。其最大速度与开度的拟合关系表达式为
    vmax=1×10-9x6-2×10-6x5+3×10-4x4-0.0253x3+1.0134x2-21.086x+207.58   (19)

三、结论
    1、笔者推导出了旋塞阀开度与其结构尺寸的通用公式(15),只要给出旋塞阀转角θ,即可根据式(15)计算出其开度,为旋塞阀开度的调节提供了可操作的精确公式。
    2、出了Ø88.9mm(31/2英寸)和Ø127mm(15英寸)旋塞阀开度与其转角的回归拟合经验公式(17)、(16),为现场应用提供了简便的方法。
    3、通过旋塞阀开度与流场分析,得出开度必须大于20%,否则将会对阀体下游内壁面产生强烈地冲击、冲蚀,造成旋塞阀早期报废。
    4、尽量缩短旋塞阀阀心开启或关闭时间,不能使旋塞阀长时间停留在小开度范围内工作。
    5、公式(16)~(19)已在油田取得成功应用,对合理操作和控制旋塞阀的开度、结构改进以及延长阀体的整体寿命提供了重要理论依据,具有实际应用价值。

    参考资料
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