楔形節流閥流場分析與優化設計

節流閥的應用在壓井過程中，為了提高循環路徑的透空性，在循環路徑的末端手動調整了節流閥的流量障礙。當液體通過節流閥時，會產生相應的流量阻力，并將液體傳輸到井底，以彌補不足的井底壓力。而當節流閥應用在節流管匯,其作用是控制流量,用于保持整個油氣生產系統的壓力;節流閥還可用于加熱器旁通管的循環,降低和控制天然氣的壓力。塔里木油田普遍使用的節流閥是錐形閥。應用表明,現場錐形閥在使用中常出現許多對油氣田生產不利的現象,如噪聲大和閥桿振動,嚴重的會造成閥桿斷裂,閥座刺穿。目前采用的壓力控制技術及節流系統已不適應現有油井開發和集輸的需要。針對上述情況,筆者對錐形和楔形節流閥進行了流場分析,對楔形節流閥進行了結構優化設計,并得到了最佳結構(由2段斜面組成)的楔形節流閥。主流閥理論1.不同流量系的數值流量系數流量系數是衡量閥門流通能力的指標。流量系數計算的一般形式為C=Qρ/Δp?????√(1)C=Qρ/Δp(1)式中C——流量系數,m2;Q——體積流量,m3/s;ρ——流體密度,kg/m3;Δp——閥門的壓力損失,Pa。流量系數值越大說明流體流過閥門時的壓力損失越小。流量系數隨閥門尺寸、型式、結構而變化。對于同樣結構的閥門,流體流過閥門的方向不同,流量系數值也有變化。這種變化一般是由于壓力恢復不同而造成的。閥門內部的幾何形狀不同,流量系數的曲線也不同。2.局部壓力損失p流體通過彎管和截面突變的地方時,會有擾動、攪拌,形成氣穴、漩渦和尾流,或使流體質點相互撞擊,產生較大的能量損耗。局部壓力損失Δp與流體的動能直接相關,它可以表達成Δp=ξρv222(2)Δp=ξρv222(2)式中ξ——流阻系數;ρ——流體密度;v2——局部阻力下游處的平均流速。sdd噴前計算1.cfd計算模型的建立因為筆者研究節流閥的各種結構都是一些變化復雜的結構,具有很大的橫向壓力梯度和強的二次流,流動呈很強的三維性,所以必須生成符合實際流動情況的三維結構模型。因此,筆者用Pro/E軟件建立各種閥的CAD模型,將該模型存為STL格式文件,然后轉入Phoenics-CFD軟件中建立CFD計算流體動力學模型。在錐形閥的結構中,錐形閥頂角為45°。入口與出口的主流道直徑分別為77.8mm和50mm。筆者對不同的閥心行程,亦即不同的閥門開度進行了流場分析。2.計算解決方案在Phoenics-CFD軟件中,紊流模型選擇標準兩方程k-ε模型,固壁邊界條件采用無滑移條件和壁面函數法條件。3.閥腔內流場變化取出一種開度(行程)為17mm的流場計算結果進行討論。從圖1a可以看到壓力的分布:在入口處壓力較高,隨著流入閥口,壓力逐漸降低。在閥心錐面過流截面最小處,壓力為最小;流入下閥腔的擴大腔后,出現流動重新附壁的地方,這里流動壓力有所增加,壓力有所恢復。在閥心的錐面起始端,流體向下轉彎,由于慣性,閥心錐面這一段上流體有脫離之勢,因而導致壓力有所降低。從圖1b可以看出,在錐閥的閥腔內的流動主要有兩部分,一部分為主流,另一部分是局部旋轉流動。在起始段,速度矢量幾乎是平行的,說明流體在這一段是平穩的。當流進閥口時,流線開始收縮,速度的大小和方向也開始發生變化。下閥腔正對來流的壁面此處的速度箭頭要長些,即速度值高于其它地方,這就是使下閥腔殼體被沖蝕損壞的流場原因。從錐形閥口噴出的流體經過一段長度后,會發生重新附壁現象。從圖1c可以看出在錐閥的流場中,處于來流管徑中間區域的流體質點直接流入閥口進入下閥腔,而還有大部分質點卻繞流到閥心背面或側面才進入閥口,正是由于這些質點的流動方向發生了急劇變化,因此造成了嚴重的能量損失。一般來說,氣蝕現象出現在主流體和相對停滯的流體周圍之間的高紊流交界面上。所以在錐形閥的設計中應避免由于尖銳的突出物而引起的高速流區。采用倒角形式能較好避免氣蝕現象。在錐形閥流場中,存在分離流動和再附壁現象,這可引起能量損失和噪聲。從力學角度看,因為錐形閥是懸臂梁,在高頻振動下,容易產生疲勞斷裂。因此,下面對具有簡支梁性質的楔形閥進行分析。sdc中楔形閥的cfd計算分析1.cfd模型分析由于錐形閥容易發生斷裂失效等事故。所以在錐形閥結構分析的基礎上,對圖2中的3種楔形閥結構進行改進設計。圖3是圖2b的三維CFD模型。筆者僅將閥心端面為弧面的情況作為實例來分析研究,其CFD模型結構見圖3。同樣,該模型是用Pro/E軟件建立的,模型數據格式存為STL文件,然后轉入Phoenics-CFD軟件中進行流場分析。其網格劃分、邊界條件以及求解控制與前面錐形閥一樣,這里不再贅述。2.流量對流場的影響與前面錐形閥的計算一樣,在一定的流量下,對于不同開度的楔形閥進行了計算,得出各行程段(不同開度)所對應楔形閥的過流面積、濕周、當量直徑以及壓降、流阻系數,見表1。通過對表1的分析,得出在一定的流量下,各行程段所對應的壓降與行程的關系曲線如圖4所示。取開度(行程)為12mm的流場計算結果進行分析。從圖5可以看出,在上閥腔內速度矢量線基本平行,說明流動比較穩定,在收縮閥口處速度最大;而在下閥腔內,速度值較大的矢量線處于腔的中間位置,且基本平行于殼體,這可減輕對殼體的沖蝕;在靠近下閥腔壁面的地方,流體發生反射并有漩渦產生。分析流線形式,發現流線基本上是沿閥心的弧形斜面進入下閥腔,說明流體流動的方向與閥心的結構形式基本一致,也就是閥心的結構對流體流向起引導作用,這對改進閥心的結構有重要指導作用。閥座殼體被刺穿的原因楔形閥的一般結構如圖2a所示。其閥心為一斜面切割圓柱閥心而形成。該種形狀的節流閥是現在油田普遍采用的形式。從力學角度來看,相當于一個簡支梁。因為其閥心下端緊貼閥座,這樣閥心的振動很小,或很難發生振動。因而楔形節流閥在操作過程中的穩定性好,在現場得到廣泛應用。但在現場也發現,該種形式的節流閥容易發生閥座殼體被刺穿的事故。通過研究發現,閥座殼體被刺穿的原因主要有2個:一是材料,即閥座材料的抗腐蝕性能差,對泥漿等介質的腐蝕性抵抗力不強;其次是流場。通過流場分析可知,流體微粒以高速、高壓沖向閥座殼體,不斷地擊打和剝蝕殼體表面,導致殼體表面形成裂紋,進而被刺穿。由于殼體有被刺穿的潛在危險,所以對斜面楔形閥心的結構形式進行了改進(如圖2b所示)。這一結構基本與斜面形式一致,只是將斜面改成了弧面,即正對流體流進的楔形面是一個弧形面。其目的就是引導流體的流向,使高速流體質點不直接沖向殼體。通過大量的流場分析可知,在某些行程段,該結構壓力會出現陡變,因此要對弧面型楔形閥進行進一步的改進。為了獲得更合理的流場分布,筆者提出用2個斜面段組成閥心的楔形面,如圖2c所示。從圖上可以看出,該楔形閥閥心是由兩段斜面組成,其中下端斜面與殼體中軸線平行,即與殼體表面平行,其目的是避免殼體壁面受到流體的直接沖擊。大量的流場分析結果表明,該結構為最佳。油田應用證明,其壽命是錐形閥結構的5～7倍。液氯鋼質分子(1)流體流進突然變化的區域要比流進逐漸變化的區域產生的流動阻力大,在節流閥的設計及安裝中應多一些突然劇變的流道。當然,在足夠大的流道面積下,形成的流動阻力越大越好。(2)對閥體部件如閥腔、閥心等的沖蝕主要來自那些高速撞擊閥體部件的液體質點,即徑直沖向殼體的那些質點。應盡量使閥心端面切線方向與殼體中軸線平行,即在閥心末端有一段平行于殼體中軸線的平面段。(3)錐形閥相當于一個懸臂梁,在高壓高速流體的沖擊下,易產生振動和疲勞破壞,而楔形閥在流場與結構場兩方面較好,推薦使用楔形閥