馮素敬，張建權(quán)，王 裴，金祖國，李怡東

(上海神開石油設(shè)備有限公司，上海 201114)

采氣用籠套式節(jié)流閥閥芯尺寸和節(jié)流開度研究

馮素敬，張建權(quán)，王 裴，金祖國，李怡東

(上海神開石油設(shè)備有限公司，上海 201114)

籠套式節(jié)流閥具有多孔道的特點(diǎn)，可改善通過的高壓高速天然氣流場的分布，進(jìn)而降低振動和噪聲，在采氣生產(chǎn)中廣泛使用。分析了籠套式節(jié)流閥在氣田開采中的常見故障及失效原理。根據(jù)流量與壓力值的關(guān)系計(jì)算出閥芯的推薦尺寸。通過有限元軟件分析了產(chǎn)出流量相同時(shí)，不同閥芯尺寸、節(jié)流開度對節(jié)流閥閥芯的速度場和壓力場的影響。兩種方法得到的結(jié)論相同，可指導(dǎo)籠套式節(jié)流閥的閥芯選型。

籠套式節(jié)流閥；閥芯；沖蝕；節(jié)流開度；有限元分析

在石油天然氣開采過程中，井下高壓氣體被輸送到中心處理廠前，需要把井下氣體降壓至輸送管道允許壓力值。節(jié)流閥作為關(guān)鍵調(diào)節(jié)設(shè)備具有2個(gè)主要功能：①對井口產(chǎn)出的石油天然氣進(jìn)行節(jié)流降壓，控制井口的壓力，從而滿足地面輸送設(shè)備對產(chǎn)出流體壓力的要求；②控制石油天然氣的產(chǎn)量，保持井底壓力穩(wěn)定，從而達(dá)到保護(hù)油氣井的目的。

常用的節(jié)流閥按照結(jié)構(gòu)型式不同，一般可分為固定式、針式、孔板式和籠套式等?；\套式節(jié)流閥具有多孔道的特點(diǎn)，可改善通過的高壓高速天然氣流場的分布，進(jìn)而降低振動和噪聲，在采氣生產(chǎn)中廣泛使用。但是，在高壓、高產(chǎn)的情況下，天然氣對節(jié)流閥的破壞十分嚴(yán)重。在塔里木油田克拉作業(yè)區(qū)，井場早期使用荷蘭某公司制造的外籠套式節(jié)流閥，使用一段時(shí)間后閥芯嚴(yán)重沖損，不得不更換節(jié)流閥；在中原油田普光氣田，主體工程HH級采氣樹早期使用的是美國某公司制造的籠套式節(jié)流閥，后出現(xiàn)多起因閥芯沖損、折斷而引起的失效故障；節(jié)流管匯系統(tǒng)中的節(jié)流閥閥芯沖損的現(xiàn)象更是普遍存在?，F(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，籠套式節(jié)流閥的閥芯是影響其性能的關(guān)鍵部件。

1 節(jié)流閥閥芯失效原因分析

根據(jù)節(jié)流閥的工作特點(diǎn)，閥芯失效的主要原因?yàn)闆_蝕磨損、沖蝕、負(fù)壓及渦流[1]。圖1所示為籠套式節(jié)流閥閥芯沖損實(shí)例。

a 閥芯沖損、破裂(塔里木油田克拉作業(yè)區(qū))

b 閥芯沖損、折斷(中原普光氣田)

沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊時(shí)表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象，是由多相流動介質(zhì)沖擊材料表面造成的[2-3]。在采氣生產(chǎn)中，高壓、高速的天然氣中可能存在一些雜質(zhì)，會對節(jié)流閥產(chǎn)生劇烈的沖蝕，導(dǎo)致節(jié)流閥的通流能力增大。熔覆層在低角度沖蝕情況下，以微切削為主，在高角度沖蝕下，擠壓成片機(jī)理居主導(dǎo)地位，都會嚴(yán)重影響節(jié)流閥的使用壽命。由于節(jié)流閥內(nèi)部流場比較復(fù)雜，在特定區(qū)域還會產(chǎn)生負(fù)壓和渦流，導(dǎo)致巨大的沖蝕力，破壞其組織結(jié)構(gòu)[4-6]。

節(jié)流閥通道內(nèi)通過的高壓、高速流(氣)體，會對節(jié)流閥的閥芯產(chǎn)生很大的沖擊。為保證節(jié)流閥的使用性能和壽命，在節(jié)流閥的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)主要考慮：

1) 材料。決定材料抗低角度沖蝕磨損性能的主要因素是材料的硬度和強(qiáng)度，抗高角度沖蝕磨損能力取決于材料的韌性，設(shè)計(jì)中閥芯應(yīng)選用耐沖刷材料。

2) 閥芯結(jié)構(gòu)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量減小高速流體對閥芯的沖擊作用。

3) 最大節(jié)流口徑?，F(xiàn)在一般認(rèn)為節(jié)流口徑大，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣，實(shí)際上是不合理的，因?yàn)槭褂眠^大的節(jié)流口徑可能引起因調(diào)節(jié)產(chǎn)量或控制壓力造成的過度節(jié)流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致人為的流速增大，使閥芯沖損概率提高，出現(xiàn)早期失效甚至使用壽命降低的現(xiàn)象。

本文的研究對象是籠套式節(jié)流閥，設(shè)計(jì)選用的閥芯材料為耐磨、耐沖刷的硬質(zhì)合金YG8或陶瓷，閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已確定，因此主要研究閥芯尺寸和節(jié)流開度對籠套式節(jié)流閥性能的影響。

2 節(jié)流閥閥芯尺寸計(jì)算

籠套式節(jié)流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，閥芯固定在下閥座上，圓周分布有很多小的流道孔。操作閥桿帶動上閥座移動，改變閥芯與上閥座之間的相對位置，從而來改變閥芯上的流體通道面積，控制通過節(jié)流閥的流體流量及節(jié)流閥上、下游的壓力差。

1—閥體；2—下閥座；3—閥芯；4—上閥座；5—閥桿。

流體流經(jīng)節(jié)流閥孔板時(shí)，流量值與壓力值存在一定的關(guān)系：

(1)

式中：Q為通過流體的流量，m3/s；α為試驗(yàn)修正系數(shù)(無量綱)；d為通流孔直徑，m；g為重力加速度，m/s2；p1為節(jié)流前壓力，Pa；p2為節(jié)流后壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3。

節(jié)流閥的通流孔徑由閥芯尺寸和節(jié)流開度共同決定，長期在小開度下運(yùn)行會大幅降低節(jié)流閥的壽命，應(yīng)盡量讓節(jié)流閥在最大開度上工作[7]。用戶在制定采購合同時(shí)，時(shí)常忽略籠套式節(jié)流閥的使用參數(shù)，在確定節(jié)流閥最大節(jié)流口徑時(shí)選擇較大值，目的是為在日后井況發(fā)生變化時(shí)方便調(diào)節(jié)，因此大口徑節(jié)流閥普遍存在于油氣田的初期應(yīng)用中，這樣就為天然氣開采中節(jié)流閥的早期失效埋下隱患。

對于籠套式節(jié)流閥，流體在節(jié)流前后的過程可視為流體經(jīng)過一個(gè)小孔的節(jié)流過程。以中原油田普光氣田某生產(chǎn)井為例：前期預(yù)估天然氣產(chǎn)量40×104～100×104m3/d，井口關(guān)井壓力為35～45 MPa，井口流動溫度為40～61 ℃，連接天然氣輸送管道壓力約為10 MPa。取流量系數(shù)α=0.65，p1=45 MPa，p2=10 MPa，Q=100×104m3/d，ρ=0.67 kg/m3，計(jì)算得通流孔徑d=47.1 mm，即在該預(yù)估工況下，籠套式節(jié)流閥可選擇2#閥芯；在實(shí)際生產(chǎn)中該生產(chǎn)井的產(chǎn)量為30×104m3/d，實(shí)際關(guān)井壓力為45 MPa，重新計(jì)算得到通流孔徑d=25.8 mm，即在該實(shí)際工況下，籠套式節(jié)流閥可選擇1#閥芯。

3 節(jié)流閥閥芯流場的有限元分析

3.1 建立模型

為進(jìn)一步研究在生產(chǎn)井口工況確定的情況下，閥芯尺寸對籠套式節(jié)流閥使用性能和壽命的影響，本文對3種不同尺寸的閥芯進(jìn)行流場分析，即，最大節(jié)流通徑為?25.4 mm (1 英寸)、?38.1 mm(1.5英寸)和?50.8 mm(2英寸)3種閥芯，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

a 最大節(jié)流通徑?25.4 mm (1 英寸)

b 最大節(jié)流通徑?38.1 mm(1.5英寸)

c 最大節(jié)流通徑?50.8 mm(2英寸)

為研究籠套式節(jié)流閥在流量一定時(shí)，流體對不同尺寸閥芯的沖損情況，假設(shè)最大節(jié)流通徑?25.4 mm (1 英寸)閥芯的節(jié)流開度為全開(100%)(以下稱為Ⅰ號閥芯)，為保證流量相同，最大節(jié)流通徑?38.1 mm(1.5英寸)閥芯的節(jié)流開度為44.4%(以下稱為Ⅱ號閥芯)，最大節(jié)流通徑?50.8 mm(2英寸)閥芯的節(jié)流開度為25%(以下稱為Ⅲ號閥芯)，分別建立3種尺寸閥芯內(nèi)部流體的幾何模型，如圖4所示。

a Ⅰ號閥芯(節(jié)流開度100%)

b Ⅱ號閥芯(節(jié)流開度44.4%)

c Ⅲ號閥芯(節(jié)流開度2.5%)

將建立的幾何模型分別導(dǎo)入ICEM-CFD前處理器建立有限元模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。按照局部網(wǎng)格劃分加密的原則，對節(jié)流閥芯小孔部位，按照大、中、小不同的孔徑將流體模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密，如圖5所示。

圖5 3種尺寸閥芯內(nèi)部流體的有限元模型

在實(shí)際生產(chǎn)中，通過節(jié)流閥的高壓、高流量天然氣中含有部分固態(tài)或液態(tài)狀雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會隨高速氣流運(yùn)動對閥芯造成沖擊，由于天然氣為主要影響源，為便于分析作如下假設(shè)：

1) 不考慮重力影響。

2) 整個(gè)流場為可逆絕熱系統(tǒng)。

3) 氣體為單相流，不考慮天然氣中雜質(zhì)的影響。

4) 節(jié)流過程為穩(wěn)定流動。

5) 節(jié)流過程無相態(tài)之間的轉(zhuǎn)化[8]。

在開采過程中，天然氣的流動是一種復(fù)雜的湍流流動，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為其封閉方程，得到流體在節(jié)流閥內(nèi)流動所滿足的控制方程[9]。節(jié)流閥內(nèi)的流體密度ρ=0.67 kg/m3，動力黏度μ=1.789×10-5Pa·s，質(zhì)量流量Q=2.3 kg/s，比熱比γ=1.3，進(jìn)口壓力為pi=45 MPa，流體溫度ti=60 ℃，進(jìn)口湍流參數(shù)設(shè)定為進(jìn)口湍流強(qiáng)度和水力直徑；出口假設(shè)所有變量的擴(kuò)散通量為零，背壓為po=0 MPa，目標(biāo)質(zhì)量流量為Qo=2.3 kg/s，流體溫度to=30 ℃。其中：①湍流強(qiáng)度T=0.16Re-1/8，其中Re為雷諾數(shù)；對高雷諾數(shù)的計(jì)算，湍流強(qiáng)度在1%～5%，本文為高雷諾數(shù)計(jì)算，取湍流強(qiáng)度T=5%；②水力直徑分別對應(yīng)進(jìn)、出口直徑，進(jìn)口取Di=0.078 m，出口取Do=0.050 8 m。

3.2 流場分析結(jié)果

采用Fluent軟件對節(jié)流閥內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，可得出閥芯尺寸、節(jié)流開度對閥芯的速度場和壓力場的影響。

3.2.1 速度場

圖6為3種不同尺寸閥芯內(nèi)部流體的速度場云圖，由圖可看出，流體的最高速度都出現(xiàn)在節(jié)流閥閥芯節(jié)流孔處。

a Ⅰ號閥芯(節(jié)流開度100%)

b Ⅱ號閥芯(節(jié)流開度44.4%)

c Ⅲ號閥芯(節(jié)流開度25%)

為進(jìn)一步分析流速對閥芯的影響，從處理結(jié)果中提取了節(jié)流孔處的流速矢量圖，如圖7所示，流體的最高速度都出現(xiàn)在節(jié)流閥閥芯節(jié)流孔處。

圖7 不同尺寸閥芯的節(jié)流孔處流速矢量圖

提取3種不同尺寸閥芯節(jié)流孔處的速度，并將閥芯的節(jié)流孔按照大、中、小不同孔徑區(qū)分開，如表1。

從表1可以看出，在節(jié)流開度不同，確保流量相同的情況下，Ⅰ號節(jié)流閥內(nèi)通過流體的最大流速最小，Ⅲ號節(jié)流閥內(nèi)通過流體的最大流速最大。對比3種不同尺寸的閥芯的流體速度可知，Ⅰ號節(jié)流閥芯的大、中、小孔通過流體的速度比較均衡，而Ⅱ號和Ⅲ號節(jié)流閥芯大、中、小孔通過流體的速度相差較大。對于同種材料的閥芯，Ⅱ號和Ⅲ號閥芯的小孔部位會先于其他部位損壞，進(jìn)而影響籠套式節(jié)流閥的使用壽命。Ⅰ號閥芯各孔通過流體速度相當(dāng)，最大化地延長籠套式節(jié)流閥的使用壽命，是比較理想的使用情況。對比3種情況下的節(jié)流開度，開度越大，節(jié)流閥各孔速度分布越趨向均衡。因此，建議在籠套式節(jié)流閥使用時(shí)，在滿足工作流量要求的前提下，應(yīng)保證其開度盡可能大，可以通過減小最大口徑來實(shí)現(xiàn)。

表1 節(jié)流閥內(nèi)流體相應(yīng)的速度參數(shù)

3.2.2 壓力場

流體在經(jīng)過節(jié)流閥芯的節(jié)流孔后會形成渦流，導(dǎo)致閥芯后端產(chǎn)生一定的負(fù)壓[10]。為研究流體壓力對閥芯性能的影響，從處理結(jié)果中提取了節(jié)流閥內(nèi)部流體的壓力場進(jìn)行分析，高壓天然氣經(jīng)過節(jié)流孔后出現(xiàn)了比較明顯的壓降，表2列出了3種節(jié)流閥閥芯內(nèi)部的壓力數(shù)據(jù)。

表2 不同尺寸閥芯的內(nèi)部流體壓力參數(shù)

從表2中壓力數(shù)據(jù)可知，Ⅰ號節(jié)流閥芯的負(fù)壓值最小，Ⅱ號和Ⅲ號節(jié)流閥芯的負(fù)壓值都比較大。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮閥芯出口端的引導(dǎo)角，減小渦流對節(jié)流閥的沖損。

綜上所述，在前文設(shè)定的實(shí)際工況下，籠套式節(jié)流閥選擇Ⅰ號閥芯是較為合理的。

3 結(jié)論

1) 根據(jù)生產(chǎn)流量與壓力值的關(guān)系計(jì)算出節(jié)流閥閥芯的大概尺寸。在此基礎(chǔ)上，通過有限元軟件分析了閥芯尺寸、節(jié)流開度對閥芯的速度場和壓力場的影響，兩種方式得出相同結(jié)論。按照分析結(jié)果更換閥芯尺寸后，節(jié)流閥在油田現(xiàn)場使用良好。塔里木油田克拉作業(yè)區(qū)使用的籠套式節(jié)流閥實(shí)際最大節(jié)流口徑減小后使用良好，使用壽命有了較大提升；中原油田普光氣田主體工程節(jié)流閥最大節(jié)流口徑從50.8 mm減小到25.4 mm，經(jīng)長期生產(chǎn)沒有出現(xiàn)早期失效的現(xiàn)象。

2) 據(jù)此推薦籠套式節(jié)流閥閥芯的選型方法：應(yīng)盡量讓節(jié)流閥在較大開度上工作，當(dāng)實(shí)際工況發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)通過實(shí)際壓力、流量和期望的壓差來估算過流面積和閥芯尺寸，選擇較為合理的閥芯尺寸；也可根據(jù)預(yù)估值選取幾種相對接近的閥芯尺寸進(jìn)行模擬仿真，進(jìn)一步確定適當(dāng)尺寸。

[1] 董剛.材料沖蝕行為及機(jī)理研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2004：1-2.

[2] 馬穎，任峻，李元東，等.沖蝕磨損研究的進(jìn)展[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31(1)：21-25.

[3] 劉萍萍，李銳欽，王亞麗，等.籠套式節(jié)流閥沖蝕磨損計(jì)算研究[J].石油機(jī)械，2011，39(4)：53-56.

[4] 戰(zhàn)曉溪，李悅欽，劉萍萍，等.籠套式控制節(jié)流閥失效機(jī)理研究[J].腐蝕與防護(hù)，2010(9)：718-722.

[5] 段雄.基于相對強(qiáng)度理論的磨料射流沖蝕判據(jù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(12)：51-53.

[6] 李振北，劉繪新，許文潮，等.節(jié)流管匯沖蝕磨損研究及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].石油機(jī)械，2012，40(10)：31-33.

[7] 汪旭東，秦德友，王勝雷.節(jié)流閥在塔里木油田應(yīng)用中的幾個(gè)問題[J].石油和化工設(shè)備，2011，14(7)：43-45.

[8] 劉清友，單代偉，陳麗霞.高壓井控錐閥流場數(shù)值模擬研究[J].石油礦場機(jī)械.2007，36(5)：24-27.

[9] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001：347-353.

[10] 付玉坤，劉炯，王娟，等.高壓井控楔形節(jié)流閥三維流場模擬及閥芯失效分析[J].石油礦場機(jī)械，2010，39(7)：5-8.

Study on Valve Core Size and Opening Degree of Sleeve Choke Used in Gas Production

FENG Sujing，ZHANG Jianquan，WANG Pei，JIN Zuguo，LI Yidong

(ShanghaiShenkaiPetroleumEquipmentCo.，Ltd.，Shanghai201114，China)

Sleeve choke has multi-holes in its valve core，so it can improve the distribution of high-speed & high-pressure natural gas stream through the choke.Sleeve choke is widely used in gas production wells for reducing vibration and noise when gas stream passes.In this paper，occurrence and theory of choke valve’s failure are summarized，a recommended size of valve core is calculated according to the relationship formula of gas flow rate and pressure value，the influences of valve core size and opening degree on velocity field and pressure field of valve core when gas flow rate is fixed，are analyzed by FEA based on the recommended valve core size.The two methods give out the similar conclusion，so the study can effectively guide the selection of core size.

sleeve choke；valve core；erosion；opening degree；FEA

1001-3482(2017)01-0048-06

2016-07-20 作者簡介：馮素敬(1984-)，女，河北保定人，工程師，主要從事陸地及海洋油氣鉆采設(shè)備的研發(fā)和制造工作，E-mail：fsj10@163.com。

TE933.9

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.012