节流阀阀芯振动失效分析及结构改进

2013-05-04艾志久胡文礼

石油矿场机械 2013年4期

贾林，艾志久，王彪，邓莉，胡文礼

（1.西南石油大学机电工程学院，成都610500；2.新疆油田公司陆梁油田作业区，新疆克拉玛依834000） ①

在油田钻井中，节流阀是井控管汇中的关键设备，其性能关系到井控作业安全。在实施油气井压力控制技术时，借助节流阀开启和关闭维持一定的套压，将井底压力变化稳定在一个窄小的范围内［1－2］。目前，多数油田使用的节流阀是针形阀，即锥形阀，经常出现阀体冲蚀破坏、噪声大、阀杆振动等问题，严重的会造成阀座刺穿、阀杆断裂。针对节流阀的研究［3］，国内外许多学者多是基于节流阀内部流场分析、节流阀防刺短节特性研究、阀体结构的有限元分析、节流阀阀芯的冲蚀研究，对节流阀阀芯进行改变开度的振动分析很少，而阀芯的振动失效将严重影响节流阀的节流效果。

本文对不同开度条件下节流阀阀芯的振动进行分析，比较了锥形阀芯和楔形阀芯的动力学特性。楔形阀芯的振动位移较小，工作性能更稳定、可靠，避免了高压流体冲击下阀芯的断裂现象发生。因此，在井控节流管汇中应优先采用楔形节流阀。

1 问题分析及结构改进

在现有节流管汇中，节流阀的针形阀芯易发生如图1所示的断裂问题，断裂位置在阀芯根部。分析断裂原因，阀芯因高速流体冲击而受单向不稳定变应力，发生疲劳断裂。

为解决上述问题，将如图2所示原有的针形阀芯结构改成了如图3所示的楔形阀芯结构。从力学原理上将一端固定的悬臂梁结构改成了一端固定、一端支撑的简支梁结构，增强了阀芯结构在单向不稳定变应力冲击条件下的抗疲劳性能。

图1 针形节流阀阀芯的断裂位置

图2 针形阀芯节流阀

图3 楔形阀芯节流阀

2 流固耦合分析理论

2.1 流体控制方程

流体流动遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流体中有混合的其他成分，系统还要遵循组分守恒定律。对于一般的可压缩牛顿流体，守恒定律通过如下控制方程描述［4］，这里没有考虑能量守恒方程。

质量守恒方程为

动量守恒方程为

式中：t为时间；ff为体积力矢量；ρf为流体密度；v为流体速度矢量；τf为剪切力张量。

式中：p为流体压力；μ为动力黏度；I为单位矩阵；e为速度应力张量。

式中，v是流体速度矢量；vT是速度散度。

2.2 固体控制方程

固体部分的守恒方程可以由牛顿第二定律导出［3］，即

式中：ρs为固体密度；σs为柯西应力张量；fs为体积力矢量；ds为固体域当地加速度矢量。

2.3 流固耦合方程

流固耦合遵循最基本的守恒原则，所以在流固交界面处，应满足流体与固体应力（τ）、位移（d）、热流量（q）、温度（T）、物质的量（n）等变量的相等或守恒，即满足如下4个方程［3］：

式中：下标f表示流体，下标s表示固体。

3 有限元模型

3.1 建立有限元计算域

节流阀阀芯振动明显，对流场运动具有一定影响，因此采用双向流固耦合方式进行计算。为节约计算时间，流固耦合计算模型只针对节流阀内部流体域与阀芯固体域，如图4所示。

图4 节流阀流固耦合计算域

为了保障在非相似网格之间准确传递耦合数据，要求耦合交界面上的网格类型和尺寸最大限度满足相同。因此在研究节流阀流固耦合分析时，针对流体域和固体域结构均较为复杂的特点，采用了基于八叉树方法的非结构化网格生成方法。同时在耦合交界面上生成边界层网格，确保耦合数据传递精度。如图5所示为防冲刺节流管汇流固耦合计算域的网格离散化模型。