页岩气压裂用超高压阀门的设计计算

李人望 刘旭辉

摘 要：文章主要介绍页岩气压裂用超高压20000PSI阀门的设计，从设计标准、产品应用及理论计算上逐步阐述设计的要点，使相关设计人员对产品的设计有一定的认识，为其提供设计参考。

关键词：页岩气；阀门；20000PSI；设计计算

中图分类号：TE37 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0100-02

Abstract： This paper mainly introduces the design of super high pressure 20000PSI valve for shale gas pressure crack， and expounds the main points of design step by step from the design standard， product application and theoretical calculation， so that the related designers have a certain understanding of the product design and provide the design reference for it.

Keywords： shale gas； valve， 20000PSI； design calculation

超高压大口径阀门应用于页岩气压裂施工作业的井口装置设备上，主要功能是连接压裂油管头与压裂羊角头，相比普通API 6A阀门，具有大口径、耐超高压、密封可靠的特点。相关行业规范API 6A和GB 25513上的具体规定有限，不足以指导产品实际设计，本文从结构、材料、计算上分别予以重点讲述。

1 结构

阀门的内外部结构见图1，在井场的安装位置见图2：

1.液压缸；2.阀盖；3.阀杆；4.支撑板；5.阀体；6.阀座；

7.阀板；8.尾盖；9.尾杆

2 材料

按照API 6A《井口装置和采油树设备规范》，悬挂器的材料需要符合规范要求，见图1，对于DD/EE/FF/级别的悬挂器选择材料时一定要考虑材料是否符合NACE MR0175的要求，碳钢和低合金钢要考虑硬度要求，不锈钢需要考虑H2S分压，比如：AISI 4140 110K低合金钢不能用于DD级别，硬度超过了HRC22；17-4PH不锈钢材料不能用于EE级别、H2S分压超过1.5psi的场合。

除标准之外，通常在压裂作业时，需要进行酸化作业。强酸作业不属于上述标准，根据现场使用经验及为了加强使用寿命，材料的选用修改为：本体关键密封部位堆焊镍基Inconel 625耐腐合金，阀板及阀座的金属密封面进行超音速喷涂碳化钨硬质合金，并作表面抛光处理；阀杆及尾杆選用318双相不锈钢，以保证强度的同时保证强耐腐蚀性。

3 设计计算

5-1/8″ 20000PSI（138Mpa）液动平板闸阀，用于超高压页岩气压裂用，主要材料选用为：壳体材质AISI 4130，屈服强度75K；阀板材质为马氏体不锈钢 AISI 410ss，屈服强度75K。

阀门的设计计算，最主要的是下列项次：

（1）密封面宽度确认；

（2）阀板厚度校核；

（3）阀体强度校核；

（4）阀杆有效直径计算；

（5）阀杆螺纹校核；

（6）阀板及阀杆螺母T型接头强度校核；

（7）阀杆细长比验算；

（8）液压缸内径及强度校核；

（9）液压缸缸盖厚度计算及连接螺柱强度校核；

（10）中法兰螺栓强度校核；

（11）阀盖厚度校核。

本文章仅挑选阀板厚度及阀体强度进行计算展示，具体计算步骤如下：

3.1 阀板厚度计算

阀板的材质为AISI 410，金属密封面喷涂碳化钨，结构为平行密封面。抗拉强度为：？滓b？叟655MPa；屈服强度为：？滓s？叟517MPa；布式硬度：HB：207～235

阀板的计算厚度为：

DMP：密封面平均直径，取162.98mm，设计给定；？自：泊松比，AISI 410为0.28，为材料属性；P：工作压力，138MPa （20000Psi）；〈？滓W〉：许用弯曲应力〈？滓W〉==344.67Mpa；C： 腐蚀余量，取1mm

阀板的实际厚度SB为88.9mm，大计算厚度S/B，即阀板厚度符合要求。

3.2 阀体强度计算

阀体的材质为AISI 4130，抗拉强度为：？滓b？叟655MPa；屈服强度为：？滓s？叟517MPa；布式硬度：HB：207～235；额定工作压力：138Mpa；强度试压压力：207Mpa；

根据API 6A《井口装置和采油树设备规范》要求，静液压试验时的最大一次总体薄膜应力强度St为：

St=？滓y=×517=430.83MPa

根据API 6A《井口装置和采油树设备规范》要求，额定工作压力下的设计一次薄膜应力强度Sm为：

St=？滓y=×517=344.67MPa

根据ASME Ⅷ《压力容器建造规则》，总体一次薄膜应力强度为：

S/t=+=+=256.43

其中：P为强度试验压力，取207Mpa，为设计给定；R为危险截面处壳体内半径，取157.4mm，为设计给定；t为危险截面处壳体厚度，取213.05mm，为设计给定。

危险截面外内半径之比：Y===2.35

根据ASME Ⅷ《压力容器建造规则》，额定压力下最大应力强度为：

总体一次薄膜计算应力和额定压力下最大应力强度，均小于API6A规范规定的数值，壳体设计满足要求。

4 结束语

超高压大口径闸阀是页岩气压裂施工中不可或缺的重要设备。页岩气压裂作业时，不同的施工方法，对阀门的要求不完全一样，如酸化作业时，阀门的耐酸等级需要提升；丛井作业时，施工周期较长，阀门密封脂则应选择高粘度，防冻性等。通过科学合理的设计，使产品更好的满足现场使用要求。

参考文献：

[1]刘洪林，王莉，王红岩，等.中国页岩气勘探开发适用技术探讨[J].油气井测试，2009，08.

[2]吴汉川，刘伯修.非常规天然气勘探开发中压裂装备的研制[J].石油天然气学报，2011，06（33）.

[3]孙晓迎，潘咏，李树林.压裂设备关键零件有限元分析[J].科技创新与应用，2017，24.