王　歡，韓　敏，韓　瑋，雷寬成

（1.中國石油物資采購中心，北京100010；2.長慶石化公司，陜西咸陽712000；3.長慶工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，西安710000；4.西安宇星石油機械新技術(shù)開發(fā)有限公司，西安710032）①

旋塞閥開啟阻力矩優(yōu)化與應(yīng)用

王歡1，韓敏2，韓瑋3，雷寬成4

（1.中國石油物資采購中心，北京100010；2.長慶石化公司，陜西咸陽712000；3.長慶工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，西安710000；4.西安宇星石油機械新技術(shù)開發(fā)有限公司，西安710032）①

針對現(xiàn)場應(yīng)用中通徑大、壓力高情況下開啟旋塞閥困難的問題，對常規(guī)旋塞閥的結(jié)構(gòu)和受力狀況進行了分析。通過結(jié)構(gòu)改進降低了開啟旋塞閥的阻力，歸納整理出旋塞閥設(shè)計的一些方法，為旋塞閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

旋塞閥；結(jié)構(gòu)改進；阻力矩；優(yōu)化

在油田鉆井、修井過程中，液力循環(huán)管道、防噴放噴管道、壓裂管線上必然會用到旋塞閥［1］，其目的是打開或關(guān)閉壓力管路通道，但在現(xiàn)實應(yīng)用中，存在管內(nèi)壓力較大時，開啟旋塞閥很困難；旋塞閥通徑越大，高壓下打開就更為困難。為解決這一問題，有必要從常規(guī)旋塞閥結(jié)構(gòu)方面進一步優(yōu)化，找出減小摩擦力的辦法。

1　常規(guī)旋塞閥的結(jié)構(gòu)

不論鉆井還是修井，常用的旋塞閥結(jié)構(gòu)主要有單開關(guān)、單彈簧壓縮型和單開關(guān)、多彈簧壓縮型2種，如圖1～2所示。

由圖1～2可以看出：不考慮上下閥座外圓與接頭主體之間的密封狀況和閥體與上下球座錐面間的密封狀況時，管路通斷取決于閥體狀態(tài)。閥體結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)閥體通孔垂直于旋塞閥軸線時，旋塞閥為關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)閥體通孔平行于旋塞閥軸線時，旋塞閥為打開狀態(tài)。不論是單彈簧還是多彈簧，其作用是使上下球座把閥體夾緊，使三者之間存在預(yù)緊力。閥體外形為球形，上下閥座密封面為錐面，閥體與球座接觸實際上是一個圓環(huán)線。為了確保密封可靠和轉(zhuǎn)動可靠，閥體與球座密封圓直徑一般大于閥體通徑6～8 mm，閥體上的開關(guān)槽底面深度為8～10 mm。

圖1　單開關(guān)、單彈簧壓縮型旋塞閥結(jié)構(gòu)

圖2　單開關(guān)、多彈簧壓縮型旋塞閥結(jié)構(gòu)

圖3　閥體結(jié)構(gòu)

2　旋塞閥開關(guān)受力分析［25］

2.1 旋塞閥打開狀態(tài)

如圖4所示，閥體處于打開狀態(tài)，此時閥體受到的外力有彈簧向右的推力F1、壓力液在環(huán)形面積Ah內(nèi)對上閥座向右的推力F2，該推力由上閥座傳到閥體上；同時，閥體也受到下閥座對其的反作用力Ff1＝F1＋F2。

圖4　旋塞閥打開狀態(tài)受力分析

此時，若要關(guān)閉球閥，手柄轉(zhuǎn)動的力矩為

式中：F1為彈簧的彈力，N，在壓緊閥座的情況下，依經(jīng)驗F1最小為500 N；θ為閥體與閥座嚙合圓與閥體中心線夾角，結(jié)合實踐經(jīng)驗θ大約為45°，如圖5所示；L為閥體與閥座嚙合圓到閥體中心的名義力臂距，mm；p為液體壓力，MPa；D1為閥座密封直徑，mm，一般比閥體直徑d大1 mm左右；D2為閥體與閥座嚙合圓直徑，mm，一般比閥體通徑d1大6 mm左右。

則有

圖5　閥體受力分析

由圖3～4和設(shè)計經(jīng)驗，可以確定L與閥體通徑之間的大體數(shù)學(xué)關(guān)系，即

由圖3可知，將d≈2×（10＋4）＋（d1＋6）＝d1＋34帶入式（4），則

則閥體處于打開狀態(tài)時，轉(zhuǎn)動閥體所需最小力矩為

2.2 旋塞閥關(guān)閉狀態(tài)

如圖6所示，在閥體關(guān)閉狀態(tài)下，閥體受到向右的推力有彈簧的推力F′1、壓力液在圓面積A＝πD21/4內(nèi)對上閥座向右的推力F′2，該推力由上閥座傳到閥體上；同時，閥體也受到下閥座對其的反作用力Ff2＝F′1＋F′2。

圖6　旋塞閥關(guān)閉狀態(tài)受力分析

此時，若要打開球閥，手柄轉(zhuǎn)動的力矩為

在實際應(yīng)用中，由于對旋塞閥外徑大小有嚴(yán)格要求，特別是下井的旋塞閥，外徑不能太大（例如：在139.7 mm（5英寸）套管中使用的旋塞閥，其最大外徑一般不超過114 mm。）。由以上分析可知：影響旋塞閥結(jié)構(gòu)大小的主要因素是閥體通徑d1和壓力級別p。所以，設(shè)計時首先確定閥體通徑d1和工作壓力參數(shù)p，然后再確定閥座最大外徑D1、閥體直徑d、嚙合圓直徑D2；在不考慮加工精度的情況下，要減小轉(zhuǎn)動閥體的阻力矩，必須減小閥體兩邊受到的壓力。

3　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

由圖3可知：d≈d1＋34，則有D1≈d1＋35。結(jié)合以上分析，可以得出在閥體關(guān)閉的情況下，轉(zhuǎn)動閥體所需的力矩為

由以上分析可知：不論閥體在打開或關(guān)閉狀態(tài)，在管道有液體壓力的情況下，受到的力有彈簧的預(yù)緊力、液壓力對上閥座向右的推力及下閥座對閥體向左的推力；液壓力對上閥座向右推力的大小取決于在環(huán)形面積（D1和D2）上液體的軸向壓力；在閥體通徑d1一定的情況下，D2的大小就基本確定了，要減小液壓力對上閥座向右推力的大小，就得減小D1。為了保證閥體能夠裝入主體內(nèi)，閥體位置的D2表面上看無法減小，分析液體軸向環(huán)形壓力，減小環(huán)形面積的推力其實質(zhì)是在D1和D2之間是否能找到一個比D1小的密封面，該密封面直徑D3介于D1和D2之間，使D3和D2之間形成的環(huán)形面積較小，從而減小上閥座對閥體施加的推力。

改進前，常規(guī)旋塞閥閥體兩邊的上下閥座外徑方向的密封直徑D1是一樣的。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進（如圖7～8所示），將液體入口端的上閥座設(shè)計為臺階狀，閥座外徑方向的密封直徑由原來的D1減小到D3，壓力液作用的環(huán)形面積減小了，從而減小了閥體所受到的上閥座向右的推力F3，閥座對閥體向左的推力也就減小了。

圖7　旋塞閥改進后結(jié)構(gòu)（打開狀態(tài)）

圖8　結(jié)構(gòu)優(yōu)化后旋塞閥（關(guān)閉狀態(tài)）

由圖7可以看出：在閥體打開狀態(tài)時，壓力液對上閥體向右的推力環(huán)形面積，推力為F3＝A3p，閥體受到的下閥座反作用力為Ff＝F1＋F3，閥體受到的合力為F1＋F3＋Ff，則關(guān)閉閥體需要的力矩為

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求和試驗，D3≈D2＋6≈d1＋12，結(jié)合前面的分析，優(yōu)化后的旋塞閥在打開狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動閥體需要的力矩為

由圖8可以看出：在閥體關(guān)閉狀態(tài)時，壓力液對上閥座向右的推力面積，推力F′3＝ A′3p，閥體受到的下閥座反作用力Ff＝F1＋F′3，閥體受到的合力為F1＋F′3＋Ff，則打開閥體需要的力矩為

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求和試驗，結(jié)合前文分析，優(yōu)化后的旋塞閥在關(guān)閉狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動閥體需要的力矩為

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后進行試驗，采用臺階設(shè)計的上閥座和雙閥開關(guān)，閥體在高壓下開啟的阻力矩降低為原來的56%左右，解決了在高壓液體作用下，閥體轉(zhuǎn)動困難問題。另外，改進前常規(guī)的旋塞閥常采用單閥開關(guān)、單扳手，改進后設(shè)計為雙閥開關(guān)、雙扳手，將原來的1個開啟力矩分為2個，解決了高壓開啟旋塞閥扳手易損的問題。

4　結(jié)論

1） 參數(shù)條件一定的情況下，要減小轉(zhuǎn)動閥體的阻力矩，必須減小閥體兩邊受到的壓力。

2） 將上閥座設(shè)計為臺階狀，有效減小了液壓力對閥座的壓力，從而減小了閥體所受的接觸壓力，降低了開啟阻力。旋塞閥改進后設(shè)計為雙閥開關(guān)、雙扳手結(jié)構(gòu)，將原來的1個開啟力矩分為2個，解決了高壓開啟旋塞閥困難的問題。

3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計改進后，采用新結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥體在高壓下開啟的阻力矩降低為原來的56%左右。

4） 考慮減小摩擦因數(shù)，可以通過提高閥體與閥座表面間強化鍍層的自潤滑性能，對閥體與閥座表面進行耐腐蝕處理等手段來降低開啟旋塞閥的阻力。

［1］ 謝娟，王德玉，李才良，等.方鉆桿旋塞閥的失效與受力分析［J］.石油礦場機械，2007，36（12）：49-51.

［2］ 張繼升，董斌，李悅欽，等，方鉆桿旋塞閥密封設(shè)計［J］.鉆采工藝，2007，30（5）：105-107.

［3］ 李斌，樊思成，方鉆桿旋塞閥轉(zhuǎn)動失效的理論分析與仿真［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（3）：40-42.

［4］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［5］ 徐芝綸.彈性力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1990.

Optimization and Application to Reduce Resistance to Open Kelly Valve

WANGHuan1，HANMin2，HANWei3，LEI Kuancheng4
（1.China Petroleum Materials Corporation，Beijing 100010，China；2.Changqing Petrochemical Company，Xianyang 712000，China；3.Changqing Engineering Construction Supervision Co.，Ltd.，Xi’an 710000，China；4.Xi’an Yuxing Petroleum Machinery of New Technique Development Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China）

Aiming at the problems that kelly values were opened difficultly when kelly valves which have large diameter were operated under high pressure.Structure and forces of the switch were analyzed for the conventional kelly valve.Through structural design and structural improve-ments，the kelly valves’opening resistance was reduced，and the principles of designing the kelly valve were summed up.That has a certain reference value to the structural design of the valve.

kelly value；structure improvement；reduce resistance

TE927

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.022

1001-3482（2015）07-0088-04

①2015-01-29

王 歡（1983-），女，四川樂山人，工程師，主要從事石油設(shè)備采購工作，E-mail：wangh2006＠cnpc.com.cn。