旋塞阀开启阻力矩优化与应用

王　欢，韩　敏，韩　玮，雷宽成

（1.中国石油物资采购中心，北京100010；2.长庆石化公司，陕西咸阳712000；3.长庆工程建设监理有限公司，西安710000；4.西安宇星石油机械新技术开发有限公司，西安710032）①

旋塞阀开启阻力矩优化与应用

王欢1，韩敏2，韩玮3，雷宽成4

（1.中国石油物资采购中心，北京100010；2.长庆石化公司，陕西咸阳712000；3.长庆工程建设监理有限公司，西安710000；4.西安宇星石油机械新技术开发有限公司，西安710032）①

针对现场应用中通径大、压力高情况下开启旋塞阀困难的问题，对常规旋塞阀的结构和受力状况进行了分析。通过结构改进降低了开启旋塞阀的阻力，归纳整理出旋塞阀设计的一些方法，为旋塞阀的结构设计提供参考。

旋塞阀；结构改进；阻力矩；优化

在油田钻井、修井过程中，液力循环管道、防喷放喷管道、压裂管线上必然会用到旋塞阀［1］，其目的是打开或关闭压力管路通道，但在现实应用中，存在管内压力较大时，开启旋塞阀很困难；旋塞阀通径越大，高压下打开就更为困难。为解决这一问题，有必要从常规旋塞阀结构方面进一步优化，找出减小摩擦力的办法。

1　常规旋塞阀的结构

不论钻井还是修井，常用的旋塞阀结构主要有单开关、单弹簧压缩型和单开关、多弹簧压缩型2种，如图1～2所示。

由图1～2可以看出：不考虑上下阀座外圆与接头主体之间的密封状况和阀体与上下球座锥面间的密封状况时，管路通断取决于阀体状态。阀体结构如图3所示，当阀体通孔垂直于旋塞阀轴线时，旋塞阀为关闭状态，当阀体通孔平行于旋塞阀轴线时，旋塞阀为打开状态。不论是单弹簧还是多弹簧，其作用是使上下球座把阀体夹紧，使三者之间存在预紧力。阀体外形为球形，上下阀座密封面为锥面，阀体与球座接触实际上是一个圆环线。为了确保密封可靠和转动可靠，阀体与球座密封圆直径一般大于阀体通径6～8 mm，阀体上的开关槽底面深度为8～10 mm。

图1　单开关、单弹簧压缩型旋塞阀结构

图2　单开关、多弹簧压缩型旋塞阀结构

图3　阀体结构

2　旋塞阀开关受力分析［25］

2.1 旋塞阀打开状态

如图4所示，阀体处于打开状态，此时阀体受到的外力有弹簧向右的推力F1、压力液在环形面积Ah内对上阀座向右的推力F2，该推力由上阀座传到阀体上；同时，阀体也受到下阀座对其的反作用力Ff1＝F1＋F2。

图4　旋塞阀打开状态受力分析

此时，若要关闭球阀，手柄转动的力矩为

式中：F1为弹簧的弹力，N，在压紧阀座的情况下，依经验F1最小为500 N；θ为阀体与阀座啮合圆与阀体中心线夹角，结合实践经验θ大约为45°，如图5所示；L为阀体与阀座啮合圆到阀体中心的名义力臂距，mm；p为液体压力，MPa；D1为阀座密封直径，mm，一般比阀体直径d大1 mm左右；D2为阀体与阀座啮合圆直径，mm，一般比阀体通径d1大6 mm左右。

则有

图5　阀体受力分析

由图3～4和设计经验，可以确定L与阀体通径之间的大体数学关系，即

由图3可知，将d≈2×（10＋4）＋（d1＋6）＝d1＋34带入式（4），则

则阀体处于打开状态时，转动阀体所需最小力矩为

2.2 旋塞阀关闭状态

如图6所示，在阀体关闭状态下，阀体受到向右的推力有弹簧的推力F′1、压力液在圆面积A＝πD21/4内对上阀座向右的推力F′2，该推力由上阀座传到阀体上；同时，阀体也受到下阀座对其的反作用力Ff2＝F′1＋F′2。

图6　旋塞阀关闭状态受力分析

此时，若要打开球阀，手柄转动的力矩为

在实际应用中，由于对旋塞阀外径大小有严格要求，特别是下井的旋塞阀，外径不能太大（例如：在139.7 mm（5英寸）套管中使用的旋塞阀，其最大外径一般不超过114 mm。）。由以上分析可知：影响旋塞阀结构大小的主要因素是阀体通径d1和压力级别p。所以，设计时首先确定阀体通径d1和工作压力参数p，然后再确定阀座最大外径D1、阀体直径d、啮合圆直径D2；在不考虑加工精度的情况下，要减小转动阀体的阻力矩，必须减小阀体两边受到的压力。

3　结构优化设计

由图3可知：d≈d1＋34，则有D1≈d1＋35。结合以上分析，可以得出在阀体关闭的情况下，转动阀体所需的力矩为

由以上分析可知：不论阀体在打开或关闭状态，在管道有液体压力的情况下，受到的力有弹簧的预紧力、液压力对上阀座向右的推力及下阀座对阀体向左的推力；液压力对上阀座向右推力的大小取决于在环形面积（D1和D2）上液体的轴向压力；在阀体通径d1一定的情况下，D2的大小就基本确定了，要减小液压力对上阀座向右推力的大小，就得减小D1。为了保证阀体能够装入主体内，阀体位置的D2表面上看无法减小，分析液体轴向环形压力，减小环形面积的推力其实质是在D1和D2之间是否能找到一个比D1小的密封面，该密封面直径D3介于D1和D2之间，使D3和D2之间形成的环形面积较小，从而减小上阀座对阀体施加的推力。

改进前，常规旋塞阀阀体两边的上下阀座外径方向的密封直径D1是一样的。通过结构设计的改进（如图7～8所示），将液体入口端的上阀座设计为台阶状，阀座外径方向的密封直径由原来的D1减小到D3，压力液作用的环形面积减小了，从而减小了阀体所受到的上阀座向右的推力F3，阀座对阀体向左的推力也就减小了。

图7　旋塞阀改进后结构（打开状态）

图8　结构优化后旋塞阀（关闭状态）

由图7可以看出：在阀体打开状态时，压力液对上阀体向右的推力环形面积，推力为F3＝A3p，阀体受到的下阀座反作用力为Ff＝F1＋F3，阀体受到的合力为F1＋F3＋Ff，则关闭阀体需要的力矩为

根据结构要求和试验，D3≈D2＋6≈d1＋12，结合前面的分析，优化后的旋塞阀在打开状态下，转动阀体需要的力矩为

由图8可以看出：在阀体关闭状态时，压力液对上阀座向右的推力面积，推力F′3＝ A′3p，阀体受到的下阀座反作用力Ff＝F1＋F′3，阀体受到的合力为F1＋F′3＋Ff，则打开阀体需要的力矩为

根据结构要求和试验，结合前文分析，优化后的旋塞阀在关闭状态下，转动阀体需要的力矩为

通过结构优化设计后进行试验，采用台阶设计的上阀座和双阀开关，阀体在高压下开启的阻力矩降低为原来的56%左右，解决了在高压液体作用下，阀体转动困难问题。另外，改进前常规的旋塞阀常采用单阀开关、单扳手，改进后设计为双阀开关、双扳手，将原来的1个开启力矩分为2个，解决了高压开启旋塞阀扳手易损的问题。

4　结论

1） 参数条件一定的情况下，要减小转动阀体的阻力矩，必须减小阀体两边受到的压力。

2） 将上阀座设计为台阶状，有效减小了液压力对阀座的压力，从而减小了阀体所受的接触压力，降低了开启阻力。旋塞阀改进后设计为双阀开关、双扳手结构，将原来的1个开启力矩分为2个，解决了高压开启旋塞阀困难的问题。

3） 结构设计改进后，采用新结构设计，阀体在高压下开启的阻力矩降低为原来的56%左右。

4） 考虑减小摩擦因数，可以通过提高阀体与阀座表面间强化镀层的自润滑性能，对阀体与阀座表面进行耐腐蚀处理等手段来降低开启旋塞阀的阻力。

［1］ 谢娟，王德玉，李才良，等.方钻杆旋塞阀的失效与受力分析［J］.石油矿场机械，2007，36（12）：49-51.

［2］ 张继升，董斌，李悦钦，等，方钻杆旋塞阀密封设计［J］.钻采工艺，2007，30（5）：105-107.

［3］ 李斌，樊思成，方钻杆旋塞阀转动失效的理论分析与仿真［J］.机电产品开发与创新，2010，23（3）：40-42.

［4］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［5］ 徐芝纶.弹性力学［M］.北京：高等教育出版社，1990.

Optimization and Application to Reduce Resistance to Open Kelly Valve

WANGHuan1，HANMin2，HANWei3，LEI Kuancheng4
（1.China Petroleum Materials Corporation，Beijing 100010，China；2.Changqing Petrochemical Company，Xianyang 712000，China；3.Changqing Engineering Construction Supervision Co.，Ltd.，Xi’an 710000，China；4.Xi’an Yuxing Petroleum Machinery of New Technique Development Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China）

Aiming at the problems that kelly values were opened difficultly when kelly valves which have large diameter were operated under high pressure.Structure and forces of the switch were analyzed for the conventional kelly valve.Through structural design and structural improve-ments，the kelly valves’opening resistance was reduced，and the principles of designing the kelly valve were summed up.That has a certain reference value to the structural design of the valve.

kelly value；structure improvement；reduce resistance

TE927

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.022

1001-3482（2015）07-0088-04

①2015-01-29

王 欢（1983-），女，四川乐山人，工程师，主要从事石油设备采购工作，E-mail：wangh2006＠cnpc.com.cn。