节流阀阀芯振动失效分析及结构改进

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。

图5 节流阀流固耦合计算域网格模型

3.2 流固耦合边界

流固耦合计算域施加的边界条件分为流体计算域、固体计算域上的边界条件，及流固耦合交界面等。含气量50%时流体冲蚀最严重，因此在流固耦合中采用此含气量。

流体性质：在控压过程中，将从井筒返回的钻井液视为均相，由于钻井液性质为非牛顿流体，因此，简化为宾汉流体模式计算，其参数如表1所示。

表1 钻井液参数

1） 流体域边界条件 进口边界：采用压力进口，设定进口边界压力为60 MPa；出口边界：采用质量流量出口，设定为15 kg/s。

2） 固体域边界条件 固体计算域内需要将结构自由度完全约束，阀芯圆柱面采用完全约束径向和切向自由度，端面约束x方向自由度。

3） 固体计算域接触面 接触面即是流体域与固体域交界面。

4） 流固耦合交界面 耦合交界面设定过程中要求固体域和流体域上对应的边界网格可以变形，同时可以通过交界面进行载荷传递。

4 阀芯计算结果分析

阀芯动力学计算结果分析主要是针对节流阀针形阀芯与楔形阀芯在流体冲击载荷作用下位移变化情况。图6是开度为20%情况下，针形阀芯结构与楔形阀芯的振动位移云图，可知阀芯顶端变形位移最大，变形量向阀芯根部逐渐减小。

图6 开度20%时阀芯的振动位移云图

阀的开度对阀芯振动位移的影响如图7。可以看出：随着阀开度的增加，阀的振动位移在减少；针形阀芯的位移远大于楔形阀芯；振动位移越大，其变形就大，更容易断裂。

图7 2种阀芯在不同开度下的振动位移曲线

5 结论

1） 数值模拟结果表明，针形节流阀芯的振动位移数值是楔形阀芯的6～10倍，因此容易发生振动疲劳断裂。

2） 为了提高井控节流阀的使用寿命，应采用楔形阀芯，并对阀的结构做相应改进。

3） 阀的开度越小，阀芯的振动就越明显。在使用中应尽量增大阀的开度。

［1］ 王国荣，王德贵，刘清友，等.一种井控节流阀防刺短节的特性分析［J］.石油机械，2011，39（11）：10－11.

［2］ 魏存祥，滕 龙，王勇刚，等.固定节流阀流场数值模拟研究［J］.石油矿场机械，2008，37（5）：47－50.

［3］ 刘 干.节流阀结构研究与流场数值模拟分析［D］.成都：西南石油大学，2003.

［4］ 宋学官，蔡 林，张 华.流固耦合分析与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.