梁志彬，溫 虎，陳功川，楊 丹

(1.西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500;2.西南石油大學電信工程學院，四川 成都 610500;3.四川鹽業(yè)地質鉆井大隊，四川 自貢 643000)

1 引言

隨著鉆井和井控技術的發(fā)展，內防噴工具越來越得到人們的重視，方鉆桿旋塞閥作為防噴工具中核心的部件，近些年尤其受到人們的重視。方鉆桿旋塞閥分為上旋塞閥和下旋塞閥，上旋塞閥安裝在水龍頭和方鉆桿之間，下旋塞裝在方鉆桿與鉆桿之間，是一種防止鉆井液噴濺、改善鉆工工作條件、阻止井噴事故發(fā)生的鉆柱內防噴工具，在工程實踐中已得到廣泛應用。但是目前國內生產的旋塞閥多為整體浮動式結構，旋塞閥中最主要的密封形式為閥座和閥芯之間的金屬接觸密封，在遇到井噴高壓流體時，閥芯關閉后再開啟時轉動困難，從而導致旋塞閥轉動失效，主要原因是在井噴高壓流體作用下球形閥芯變形和旋塞閥主密封面間的接觸壓力過大，從而導致轉動摩擦力矩過大［1］。因此在保證旋塞閥主密封面能密封的情況下減小井噴時球形閥芯和閥座接觸面之間的接觸應力，減小球形閥芯的變形是十分必要的。筆者針對旋塞閥容易發(fā)生轉動失效的問題設計了一種新的旋塞閥結構，稱之為雙閥座止動式旋塞閥，有效減小了旋塞閥關閉時閥座和球形閥芯之間的接觸應力，并通過建立球形閥芯和閥座接觸的力學模型和Ansys有限元分析軟件對閥座和閥芯之間的接觸應力進行了理論計算和有限元分析。

2 旋塞閥結構分析［2－6］

2.1 常用的旋塞閥結構

目前常用的旋塞閥結構基本相同，為整體浮動式結構，主要由閥本體、分半環(huán)、擋圈、上下閥座、球形閥芯、旋鈕和波形彈簧組成，如圖1所示。正常鉆進時，方鉆桿旋塞閥處于開啟狀態(tài)，圖1所示位置，鉆井液可順利通過旋塞閥，當發(fā)生井噴時，通過旋鈕將球形閥芯繞其軸線旋轉90°，在井噴流體的壓力和彈簧力的共同作用下，閥座和球形閥芯的接觸面接觸并壓緊形成金屬密封，從而截斷井噴流體，防止井噴。

該結構的優(yōu)點:①啟閉迅速方便，只需將球形閥芯轉動90°即可;②結構簡單緊湊;③體積小，質量較輕，密封性能較好。該結構的缺點在于當遇到井噴閥芯關閉時，在井噴流體壓力和彈簧力的共同作用下推動下閥座和球形閥芯均往上產生小的位移，同時在閥芯和上下閥座的接觸面上均產生較大的接觸應力，使球形閥芯和上下閥座的接觸面均能密封井噴流體，井噴流體不能進入球形閥芯的內腔，因此球形閥芯受外力較大，容易發(fā)生變形，且與上下閥座的接觸面上接觸應力較大，導致球形閥芯轉動力矩較大，重新開啟旋塞閥很困難，發(fā)生轉動失效。

圖1 常用旋塞閥結構示意圖

2.2 雙閥座止動式浮動旋塞閥

針對常用旋塞閥結構容易發(fā)生轉動失效和球形閥芯變形的問題，這里提出了一種新的旋塞閥結構，即雙閥座止動式旋塞閥，其結構如圖2所示，主要由閥本體、分半環(huán)、擋圈、彈簧壓蓋、上閥座、下閥座、球形閥芯、波形彈簧和旋鈕組成。該結構的工作原理與目前常用的旋塞閥相同，正常鉆進時，方鉆桿旋塞閥處于開啟狀態(tài)，如圖2所示位置，鉆井液可順利通過旋塞閥，當發(fā)生井噴時，通過旋鈕將球形閥芯繞其軸線旋轉90°，在井噴流體的壓力的作用下，上閥座和球形閥芯的接觸面接觸形成金屬接觸密封，從而截斷井噴流體，防止井噴。

圖2 雙閥座止動式浮動旋塞閥結構示意圖

該結構除具備常用旋塞閥的優(yōu)點外，還具有在遇到井噴時，球形閥芯關閉后，可減小球形閥芯受到的井噴流體的壓力，減小球形閥芯變形，方便閥芯開啟的優(yōu)點。其結構與目前常用的旋塞閥結構相比，在上、下閥座均安裝了波形彈簧，且在上、下閥座上均安裝了阻止上、下閥座向球形閥芯方向移動的擋圈8和12。當遇到井噴時，轉動旋塞閥球形閥芯，球形閥芯在高壓流體壓力作用下，球形閥芯和上閥座壓縮波形彈簧6向上移動，而下閥座在擋圈12的限制下，不能向上移動，因此在下閥座和球形閥芯之間就會產生一個小的間隙，高壓流體便可通過這個間隙進入球形閥芯內腔，從而可平衡掉球形閥芯外部的一部分壓力，減小了球形閥芯和上閥座之間的接觸應力，同時也減少了球形閥芯變形，方便轉動，容易開啟;同樣當高壓流體從旋塞閥上部進入旋塞閥時，在井噴高壓流體壓力作用下，球形閥芯推動下閥座壓縮波形彈簧13往下移動，而上閥座在擋圈8的作用下不能向下移動，從而在上閥座和球形閥芯之間產生一個小的間隙，高壓流體通過此間隙進入球形閥芯內部，平衡掉球形閥芯外部的一部分壓力，如圖3所示。

圖3 球形閥芯工作示意圖

3 主密封面間的接觸應力的理論分析［7－8］

對雙閥座止動式旋塞閥進行主密封面間的接觸應力的理論分析。閥球受力如圖4所示，閥座與閥球的接觸面為球上一環(huán)形面，由受力平衡方程:

式中:σ為閥座與球形閥芯接觸面間的接觸壓力;R為閥球的半徑;P為井噴流體的壓力;α1、α2分別為閥球中心與閥座和閥球接觸表面上、下邊線的連線與旋塞閥中心線的夾角。

圖4 球形閥芯受力示意

由上式可看出，當井噴流體的壓力P確定后，閥座與閥球接觸面間的接觸壓力σ只與α1和α2有關。以本文設計的旋塞閥為例，α1=39.42°，α2=49.46°，R=60 mm，此時井噴壓力為70 MPa，帶入式(1)得閥座與閥球接觸面間的接觸應力σ為232 MPa。

4 主密封面間的接觸數值分析［9］

影響轉動力矩的摩擦力主要是由閥球與上閥座之間的主密封面間的接觸正壓力產生的，故只需對主密封面間的接觸對進行有限元數值分析。接觸問題是一種高度非線性問題ANSYS在解決接觸、大變形等復雜的非線性問題方面有很大的優(yōu)勢。

有限元分析步驟:閥芯及上閥座的材料均取42 CrMnMo，其彈性模量為 206 MPa，泊松比為 0.3，密度7850 kg/m3。根據尺寸在ANSYS里直接建模并裝配，基于結構和載荷的對稱性，只取模型的1/2的進行分析。根據接觸對中主從面選擇原則，本文選上閥座為主面，閥芯為從面，摩擦系數取0.1。用三維實體單元對旋塞閥的球形閥芯和上閥座實體模型進行網格劃分，并對應力集中和關鍵的部位進行網格細劃，共劃分64300個單元。由于只取模型的1/2，因此在對稱面上施加對稱約束邊界條件，根據實際工況在上閥座的底面施加固定約束。載荷為70 MPa，采用幅值曲線加載方式，分析結果如圖5、6所示。

圖5 應變云圖

圖6 接觸面上的壓力分布

由上述云圖5、6分析得知:雙閥座止動式浮動旋塞閥工作時最大應變發(fā)生在閥球上部中心部位，最大彈性變形量為0.124 mm;球形閥芯與閥座接觸面上的接觸應力在200～300 MPa之間，與理論計算結果相符，只有在接觸面邊緣少數區(qū)域由于存在應力集中，接觸應力較大，最大接觸應力為613 MPa，仍小于材料的屈服極限785 MPa。

5 結論

(1)雙閥座止動式旋塞閥通過結構上的改進，改善了球形閥芯井噴時在高壓井噴流體作用下的受力情況，減小了球形閥芯的變形，減小了旋塞閥發(fā)生轉動失效的可能性。

(2)建立了球形閥芯和閥座的力學分析模型，使用理論公式計算了高壓下旋塞閥閥芯與閥座密封接觸應力，另根據雙閥座止動式浮動旋塞閥的結構尺寸建立有限元分析模型，使用ANSYS軟件進行了旋塞閥主密封面的接觸分析，得到了主密封面的接觸應力。通過把理論計算值與仿真結果進行對比，發(fā)現了兩者的誤差在允許范圍之內，從而建立了一套利用有限元來分析高壓旋塞閥金屬密封接觸應力問題的方法。

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