采气用笼套式节流阀阀芯尺寸和节流开度研究

冯素敬，张建权，王 裴，金祖国，李怡东

(上海神开石油设备有限公司，上海 201114)

采气用笼套式节流阀阀芯尺寸和节流开度研究

冯素敬，张建权，王 裴，金祖国，李怡东

(上海神开石油设备有限公司，上海 201114)

笼套式节流阀具有多孔道的特点，可改善通过的高压高速天然气流场的分布，进而降低振动和噪声，在采气生产中广泛使用。分析了笼套式节流阀在气田开采中的常见故障及失效原理。根据流量与压力值的关系计算出阀芯的推荐尺寸。通过有限元软件分析了产出流量相同时，不同阀芯尺寸、节流开度对节流阀阀芯的速度场和压力场的影响。两种方法得到的结论相同，可指导笼套式节流阀的阀芯选型。

笼套式节流阀；阀芯；冲蚀；节流开度；有限元分析

在石油天然气开采过程中，井下高压气体被输送到中心处理厂前，需要把井下气体降压至输送管道允许压力值。节流阀作为关键调节设备具有2个主要功能：①对井口产出的石油天然气进行节流降压，控制井口的压力，从而满足地面输送设备对产出流体压力的要求；②控制石油天然气的产量，保持井底压力稳定，从而达到保护油气井的目的。

常用的节流阀按照结构型式不同，一般可分为固定式、针式、孔板式和笼套式等。笼套式节流阀具有多孔道的特点，可改善通过的高压高速天然气流场的分布，进而降低振动和噪声，在采气生产中广泛使用。但是，在高压、高产的情况下，天然气对节流阀的破坏十分严重。在塔里木油田克拉作业区，井场早期使用荷兰某公司制造的外笼套式节流阀，使用一段时间后阀芯严重冲损，不得不更换节流阀；在中原油田普光气田，主体工程HH级采气树早期使用的是美国某公司制造的笼套式节流阀，后出现多起因阀芯冲损、折断而引起的失效故障；节流管汇系统中的节流阀阀芯冲损的现象更是普遍存在。现场应用经验表明，笼套式节流阀的阀芯是影响其性能的关键部件。

1 节流阀阀芯失效原因分析

根据节流阀的工作特点，阀芯失效的主要原因为冲蚀磨损、冲蚀、负压及涡流[1]。图1所示为笼套式节流阀阀芯冲损实例。

a 阀芯冲损、破裂(塔里木油田克拉作业区)

b 阀芯冲损、折断(中原普光气田)

冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象，是由多相流动介质冲击材料表面造成的[2-3]。在采气生产中，高压、高速的天然气中可能存在一些杂质，会对节流阀产生剧烈的冲蚀，导致节流阀的通流能力增大。熔覆层在低角度冲蚀情况下，以微切削为主，在高角度冲蚀下，挤压成片机理居主导地位，都会严重影响节流阀的使用寿命。由于节流阀内部流场比较复杂，在特定区域还会产生负压和涡流，导致巨大的冲蚀力，破坏其组织结构[4-6]。

节流阀通道内通过的高压、高速流(气)体，会对节流阀的阀芯产生很大的冲击。为保证节流阀的使用性能和寿命，在节流阀的设计过程中应主要考虑：

1) 材料。决定材料抗低角度冲蚀磨损性能的主要因素是材料的硬度和强度，抗高角度冲蚀磨损能力取决于材料的韧性，设计中阀芯应选用耐冲刷材料。

2) 阀芯结构。优化结构，应尽量减小高速流体对阀芯的冲击作用。

3) 最大节流口径。现在一般认为节流口径大，产品应用范围广，实际上是不合理的，因为使用过大的节流口径可能引起因调节产量或控制压力造成的过度节流现象，从而导致人为的流速增大，使阀芯冲损概率提高，出现早期失效甚至使用寿命降低的现象。

本文的研究对象是笼套式节流阀，设计选用的阀芯材料为耐磨、耐冲刷的硬质合金YG8或陶瓷，阀芯结构设计已确定，因此主要研究阀芯尺寸和节流开度对笼套式节流阀性能的影响。

2 节流阀阀芯尺寸计算

笼套式节流阀内部结构如图2所示，阀芯固定在下阀座上，圆周分布有很多小的流道孔。操作阀杆带动上阀座移动，改变阀芯与上阀座之间的相对位置，从而来改变阀芯上的流体通道面积，控制通过节流阀的流体流量及节流阀上、下游的压力差。

1—阀体；2—下阀座；3—阀芯；4—上阀座；5—阀杆。

流体流经节流阀孔板时，流量值与压力值存在一定的关系：

(1)

式中：Q为通过流体的流量，m3/s；α为试验修正系数(无量纲)；d为通流孔直径，m；g为重力加速度，m/s2；p1为节流前压力，Pa；p2为节流后压力，Pa；ρ为流体密度，kg/m3。

节流阀的通流孔径由阀芯尺寸和节流开度共同决定，长期在小开度下运行会大幅降低节流阀的寿命，应尽量让节流阀在最大开度上工作[7]。用户在制定采购合同时，时常忽略笼套式节流阀的使用参数，在确定节流阀最大节流口径时选择较大值，目的是为在日后井况发生变化时方便调节，因此大口径节流阀普遍存在于油气田的初期应用中，这样就为天然气开采中节流阀的早期失效埋下隐患。

对于笼套式节流阀，流体在节流前后的过程可视为流体经过一个小孔的节流过程。以中原油田普光气田某生产井为例：前期预估天然气产量40×104～100×104m3/d，井口关井压力为35～45 MPa，井口流动温度为40～61 ℃，连接天然气输送管道压力约为10 MPa。取流量系数α=0.65，p1=45 MPa，p2=10 MPa，Q=100×104m3/d，ρ=0.67 kg/m3，计算得通流孔径d=47.1 mm，即在该预估工况下，笼套式节流阀可选择2#阀芯；在实际生产中该生产井的产量为30×104m3/d，实际关井压力为45 MPa，重新计算得到通流孔径d=25.8 mm，即在该实际工况下，笼套式节流阀可选择1#阀芯。

3 节流阀阀芯流场的有限元分析

3.1 建立模型

为进一步研究在生产井口工况确定的情况下，阀芯尺寸对笼套式节流阀使用性能和寿命的影响，本文对3种不同尺寸的阀芯进行流场分析，即，最大节流通径为ø25.4 mm (1 英寸)、ø38.1 mm(1.5英寸)和ø50.8 mm(2英寸)3种阀芯，其结构如图3所示。

a 最大节流通径ø25.4 mm (1 英寸)

b 最大节流通径ø38.1 mm(1.5英寸)

c 最大节流通径ø50.8 mm(2英寸)

为研究笼套式节流阀在流量一定时，流体对不同尺寸阀芯的冲损情况，假设最大节流通径ø25.4 mm (1 英寸)阀芯的节流开度为全开(100%)(以下称为Ⅰ号阀芯)，为保证流量相同，最大节流通径ø38.1 mm(1.5英寸)阀芯的节流开度为44.4%(以下称为Ⅱ号阀芯)，最大节流通径ø50.8 mm(2英寸)阀芯的节流开度为25%(以下称为Ⅲ号阀芯)，分别建立3种尺寸阀芯内部流体的几何模型，如图4所示。

a Ⅰ号阀芯(节流开度100%)

b Ⅱ号阀芯(节流开度44.4%)

c Ⅲ号阀芯(节流开度2.5%)

将建立的几何模型分别导入ICEM-CFD前处理器建立有限元模型，并对其进行网格划分。按照局部网格划分加密的原则，对节流阀芯小孔部位，按照大、中、小不同的孔径将流体模型进行适当的网格加密，如图5所示。

图5 3种尺寸阀芯内部流体的有限元模型

在实际生产中，通过节流阀的高压、高流量天然气中含有部分固态或液态状杂质，这些杂质会随高速气流运动对阀芯造成冲击，由于天然气为主要影响源，为便于分析作如下假设：

1) 不考虑重力影响。

2) 整个流场为可逆绝热系统。

3) 气体为单相流，不考虑天然气中杂质的影响。

4) 节流过程为稳定流动。

5) 节流过程无相态之间的转化[8]。

在开采过程中，天然气的流动是一种复杂的湍流流动，本文采用标准k-ε模型作为其封闭方程，得到流体在节流阀内流动所满足的控制方程[9]。节流阀内的流体密度ρ=0.67 kg/m3，动力黏度μ=1.789×10-5Pa·s，质量流量Q=2.3 kg/s，比热比γ=1.3，进口压力为pi=45 MPa，流体温度ti=60 ℃，进口湍流参数设定为进口湍流强度和水力直径；出口假设所有变量的扩散通量为零，背压为po=0 MPa，目标质量流量为Qo=2.3 kg/s，流体温度to=30 ℃。其中：①湍流强度T=0.16Re-1/8，其中Re为雷诺数；对高雷诺数的计算，湍流强度在1%～5%，本文为高雷诺数计算，取湍流强度T=5%；②水力直径分别对应进、出口直径，进口取Di=0.078 m，出口取Do=0.050 8 m。

3.2 流场分析结果

采用Fluent软件对节流阀内部流场进行仿真分析，可得出阀芯尺寸、节流开度对阀芯的速度场和压力场的影响。

3.2.1 速度场

图6为3种不同尺寸阀芯内部流体的速度场云图，由图可看出，流体的最高速度都出现在节流阀阀芯节流孔处。

a Ⅰ号阀芯(节流开度100%)

b Ⅱ号阀芯(节流开度44.4%)

c Ⅲ号阀芯(节流开度25%)

为进一步分析流速对阀芯的影响，从处理结果中提取了节流孔处的流速矢量图，如图7所示，流体的最高速度都出现在节流阀阀芯节流孔处。

图7 不同尺寸阀芯的节流孔处流速矢量图

提取3种不同尺寸阀芯节流孔处的速度，并将阀芯的节流孔按照大、中、小不同孔径区分开，如表1。

从表1可以看出，在节流开度不同，确保流量相同的情况下，Ⅰ号节流阀内通过流体的最大流速最小，Ⅲ号节流阀内通过流体的最大流速最大。对比3种不同尺寸的阀芯的流体速度可知，Ⅰ号节流阀芯的大、中、小孔通过流体的速度比较均衡，而Ⅱ号和Ⅲ号节流阀芯大、中、小孔通过流体的速度相差较大。对于同种材料的阀芯，Ⅱ号和Ⅲ号阀芯的小孔部位会先于其他部位损坏，进而影响笼套式节流阀的使用寿命。Ⅰ号阀芯各孔通过流体速度相当，最大化地延长笼套式节流阀的使用寿命，是比较理想的使用情况。对比3种情况下的节流开度，开度越大，节流阀各孔速度分布越趋向均衡。因此，建议在笼套式节流阀使用时，在满足工作流量要求的前提下，应保证其开度尽可能大，可以通过减小最大口径来实现。

表1 节流阀内流体相应的速度参数

3.2.2 压力场

流体在经过节流阀芯的节流孔后会形成涡流，导致阀芯后端产生一定的负压[10]。为研究流体压力对阀芯性能的影响，从处理结果中提取了节流阀内部流体的压力场进行分析，高压天然气经过节流孔后出现了比较明显的压降，表2列出了3种节流阀阀芯内部的压力数据。

表2 不同尺寸阀芯的内部流体压力参数

从表2中压力数据可知，Ⅰ号节流阀芯的负压值最小，Ⅱ号和Ⅲ号节流阀芯的负压值都比较大。在结构设计时，应考虑阀芯出口端的引导角，减小涡流对节流阀的冲损。

综上所述，在前文设定的实际工况下，笼套式节流阀选择Ⅰ号阀芯是较为合理的。

3 结论

1) 根据生产流量与压力值的关系计算出节流阀阀芯的大概尺寸。在此基础上，通过有限元软件分析了阀芯尺寸、节流开度对阀芯的速度场和压力场的影响，两种方式得出相同结论。按照分析结果更换阀芯尺寸后，节流阀在油田现场使用良好。塔里木油田克拉作业区使用的笼套式节流阀实际最大节流口径减小后使用良好，使用寿命有了较大提升；中原油田普光气田主体工程节流阀最大节流口径从50.8 mm减小到25.4 mm，经长期生产没有出现早期失效的现象。

2) 据此推荐笼套式节流阀阀芯的选型方法：应尽量让节流阀在较大开度上工作，当实际工况发生变化时，应通过实际压力、流量和期望的压差来估算过流面积和阀芯尺寸，选择较为合理的阀芯尺寸；也可根据预估值选取几种相对接近的阀芯尺寸进行模拟仿真，进一步确定适当尺寸。

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Study on Valve Core Size and Opening Degree of Sleeve Choke Used in Gas Production

FENG Sujing，ZHANG Jianquan，WANG Pei，JIN Zuguo，LI Yidong

(ShanghaiShenkaiPetroleumEquipmentCo.，Ltd.，Shanghai201114，China)

Sleeve choke has multi-holes in its valve core，so it can improve the distribution of high-speed & high-pressure natural gas stream through the choke.Sleeve choke is widely used in gas production wells for reducing vibration and noise when gas stream passes.In this paper，occurrence and theory of choke valve’s failure are summarized，a recommended size of valve core is calculated according to the relationship formula of gas flow rate and pressure value，the influences of valve core size and opening degree on velocity field and pressure field of valve core when gas flow rate is fixed，are analyzed by FEA based on the recommended valve core size.The two methods give out the similar conclusion，so the study can effectively guide the selection of core size.

sleeve choke；valve core；erosion；opening degree；FEA

1001-3482(2017)01-0048-06

2016-07-20 作者简介：冯素敬(1984-)，女，河北保定人，工程师，主要从事陆地及海洋油气钻采设备的研发和制造工作，E-mail：fsj10@163.com。

TE933.9

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.012