廖文玲

摘要：采用SolidWorks建立DF65-105型單流閻流道模型.并基于CFD軟件仿真分析在不同開(kāi)度下流體介質(zhì)對(duì)單流閥的沖蝕影響，繼而對(duì)DF65-105型單流閻的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)果表明：當(dāng)單流閥的開(kāi)度在10%～80%范圍內(nèi)時(shí)，隨開(kāi)度的增加，單流閥壓降逐漸降低，但開(kāi)度為60%～80%時(shí)泥漿流體對(duì)單流閥殼體的沖蝕作用將大于開(kāi)度為10%～50%的情況;此外，當(dāng)單流閻的開(kāi)度為60%時(shí)，傾角為55。的結(jié)構(gòu)更有利于減輕泥漿對(duì)單流閥殼體的沖蝕作用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)瘟鏖y;CFD仿真：沖蝕：結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TE931文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-5383（2019）03-0001-05

在鉆井或井下注水作業(yè)過(guò)程中，單流閥通常安裝在高壓管匯上，當(dāng)向井底注入液體時(shí)，高壓的液體介質(zhì)從人口進(jìn)入單流閥。當(dāng)注水井停止注水或停鉆時(shí)，由于單流閥的單向流通工作機(jī)理，可以阻止高壓水逆流而引起砂埋井下工具現(xiàn)象，因此，單流閥的使用壽命對(duì)鉆井或注水作業(yè)的順利開(kāi)展具有重要意義。然而由于井下工作環(huán)境復(fù)雜，單流閥極易因閥口快速?zèng)_蝕等問(wèn)題而失效。結(jié)合實(shí)際工況參數(shù)，對(duì)單流閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)或?qū)υ袉瘟鏖y結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以減緩單流閥的失效速率、延長(zhǎng)其使用壽命是單流閥在設(shè)計(jì)研究時(shí)需要解決的重要問(wèn)題。

馮永江等針對(duì)彈簧式油井單流閥使用壽命短、操作不安全等問(wèn)題，研制出新型油井單流閥，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于彈簧式單流閥，新型單流閥使用壽命有較大提升。袁維漢等針對(duì)注水井口單流閥存在的缺陷，從耐壓程度、維修、過(guò)濾等方面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，新型高壓注水井單流閥可以較好解決老式單流閥易失效、截壓和不耐高壓等問(wèn)題。為滿足不連續(xù)油管不壓井作業(yè)的工況，雷德榮在參考現(xiàn)有球閥單流閥的基礎(chǔ)上對(duì)連續(xù)油管不壓井作業(yè)情況下注汽單流閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的單流閥能夠滿足相應(yīng)使用要求。黃建波等針對(duì)傳統(tǒng)單流閥使用壽命短、密封件容易失效等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙導(dǎo)向新型結(jié)構(gòu)單流閥，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，新型單流閥可靠性、穩(wěn)定性均有較大幅度提高，使用壽命也大大延長(zhǎng)。王磊等則針對(duì)大斜度偏空井單流閥進(jìn)行了設(shè)計(jì)。郭銳鋒針對(duì)特稠油開(kāi)采過(guò)程中涉及注水、注氣等作業(yè)要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的注水注氣單流閥，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明該單流閥能夠滿足注水、注氣等生產(chǎn)要求。王甲昌等針對(duì)鉆完井作業(yè)使用浮閥存在壽命短和失效率較高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種自衡式單流閥，以滿足碳酸鹽巖超深水平井完井管柱配置、壓裂、酸化等施工要求。而針對(duì)單流閥流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，程心平等為提高注水井單流閥的工作性能和使用壽命，結(jié)合CFD對(duì)單流閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到閥口傾角為30°、閥口開(kāi)度為0.8mm的最優(yōu)閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)。韓錫鵬等針對(duì)潛油泵機(jī)組中單流閥易出現(xiàn)沖蝕的問(wèn)題，在建立單流閥仿真模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用Fluent進(jìn)行流場(chǎng)分析，并基于此對(duì)單流閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后單流閥防沖蝕效果得到了明顯改善。

綜上所述，針對(duì)單流閥在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，研究人員開(kāi)展了大量研究工作以延長(zhǎng)單流閥使用壽命。但研究人員主要是結(jié)合實(shí)際工況而設(shè)計(jì)滿足一定要求的單流閥，所設(shè)計(jì)的單流閥并不具有普遍適用性。因此，本文從單流閥沖蝕磨損引起其失效的角度出發(fā)，以DF65-105單流閥（根據(jù)AP116C和APl6A標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)計(jì)）為研究對(duì)象，基于CFD流體仿真軟件分析單流閥在不同開(kāi)度下的沖蝕情況，并結(jié)合仿真分析結(jié)果對(duì)DF65-105單流閥流體通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為基于流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化而延長(zhǎng)單流閥使用壽命的深入研究提供基礎(chǔ)。

1模型的建立

1.1單流閥結(jié)構(gòu)

DF65-105型單流閥的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其主要由閥體、閥蓋、密封墊環(huán)、襯套、導(dǎo)向筒、閥芯、彈簧和閥座組成。如圖1所示，由于閥座與閥芯間的相互作用，在一定流體介質(zhì)壓力下.閥芯只能由如圖1中所示往上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到一定的開(kāi)度，而不能往下超過(guò)閥座所處的位置，繼而實(shí)現(xiàn)流體介質(zhì)的單向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于本文所研究的DF65-105型單流閥，其公稱直徑為65mm，工作壓力為105MPa。

1.2計(jì)算模型及邊界條件

由于本文主要研究流體介質(zhì)對(duì)單流閥沖蝕的影響，因此，對(duì)于圖1中的單流閥，可僅僅通過(guò)建立單流閥流道模型來(lái)進(jìn)行分析，如圖2所示，即為DF65-105單流閥的內(nèi)部流場(chǎng)示意圖。對(duì)于如圖2所示的單流閥的內(nèi)部流場(chǎng)，其出人口直徑均為D=65mm。

根據(jù)CFD軟件仿真分析的要求，對(duì)流動(dòng)參數(shù)變化較大的區(qū)域，如：閥口收縮段、流動(dòng)的換隙等地方，必須進(jìn)行適當(dāng)加密網(wǎng)格。因此，對(duì)于圖2所示的單流閥內(nèi)部流場(chǎng)，本文采用四面體網(wǎng)格劃分整個(gè)計(jì)算流域，并對(duì)閥芯周?chē)饔蛱幘W(wǎng)格進(jìn)行加密處理，共生成299947個(gè)網(wǎng)格，57708個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，生成的網(wǎng)格模型，如圖3所示。

在流體動(dòng)力學(xué)仿真分析中，邊界條件是仿真分析的重要因素。對(duì)于本文研究的單流閥，根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合：液體介質(zhì)流量為90.16m³/h、出口壓力為70Mpa，可計(jì)算得到單流閥人口流體的速度為7.55m/s，因此，仿真分析時(shí)，設(shè)計(jì)單流閥入口流體介質(zhì)的速度為7.55m/s、出口壓力為70Mpa。此外，由于本文計(jì)算域模擬的為泥漿，繼而選用的流體介質(zhì)密度與泥漿相同，為1100kg/m³，運(yùn)動(dòng)黏度為0.015kg/ms^-1。

1.3數(shù)學(xué)模型

模擬求解湍流流動(dòng)目前最基本和應(yīng)用最廣泛的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，它是在湍動(dòng)能k程的基礎(chǔ)上引入湍流耗散率ε的方程而形成的，因其計(jì)算穩(wěn)定性及可靠的計(jì)算精度而被廣泛應(yīng)用于工程流體和傳熱分析中。但標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程推導(dǎo)過(guò)程中假設(shè)湍流為各向同性的均勻湍流，在計(jì)算旋流等非均勻湍流問(wèn)題是存在較大的誤差且忽略了分析黏性所帶來(lái)的影響，僅適用于高雷諾數(shù)湍流運(yùn)動(dòng)。

針對(duì)單流閥閥芯處流體的湍流運(yùn)動(dòng)，考慮到標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型用于強(qiáng)旋流或有彎曲壁面的流動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)失真，因此應(yīng)用改進(jìn)后的RNGk-ε模型，RNGk-ε模型方程可表示為：

2結(jié)果與討論

不同開(kāi)度下所計(jì)算得到的單流閥壓降值，如表1所示。單流閥在不同開(kāi)度下的進(jìn)出口壓降變化規(guī)律，如圖4所示。

從圖4中可以看出.開(kāi)度在10%～20%時(shí).隨開(kāi)度的增加，壓降快速下降;開(kāi)度在20%～40%時(shí)，壓降基本保持不變;而當(dāng)開(kāi)度增加到40%～80%時(shí)，壓降隨開(kāi)度的增加又呈線性下降趨勢(shì)。因此，在整個(gè)不同開(kāi)度的范圍內(nèi)，開(kāi)度越小，閥芯對(duì)介質(zhì)的阻力越大，繼而閥前后產(chǎn)生的壓降越大，流體介質(zhì)的能耗損失也就越大。而不同開(kāi)度下泥漿流體介質(zhì)在單流閥流道內(nèi)的速度云圖，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在所分析的8種不同開(kāi)度下，整個(gè)流道區(qū)域內(nèi)，閥芯出口處傾斜流道的流體運(yùn)動(dòng)速度均大于其他區(qū)域的流體運(yùn)動(dòng)速度。而流體速度矢量分布圖，如圖6所示，泥漿流速越大，通過(guò)單流閥節(jié)流口后形成的高速流體沖向殼體的沖擊也就越大;由于泥漿中顆粒物質(zhì)的存在，對(duì)殼體產(chǎn)生的切削作用將很快擊穿殼體壁，使得單流閥失效。因此，從不同開(kāi)度下的速度云圖5可知，單流閥閥芯出口處傾斜區(qū)域的流道將是沖蝕最明顯的部分。此外，由圖5速度云圖也可知，當(dāng)開(kāi)度為60%～80%時(shí)，流體在流道內(nèi)局部區(qū)域的流速更大，且更靠近流道壁面，因此，當(dāng)單流閥的開(kāi)度為60%～80%時(shí)，流道內(nèi)流體對(duì)壁面的沖蝕將大于開(kāi)度為10%～50%的情況。

由圖5中速度云圖的分析已知：當(dāng)單流閥的開(kāi)度為60%～80%時(shí)，單流閥閥芯出口處傾斜流道內(nèi)壁面的沖蝕將大于開(kāi)度為10%-50%的情況。因此，為了對(duì)單流閥的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本文選擇開(kāi)度為60%時(shí)的情況來(lái)進(jìn)行研究。單流閥閥芯出口處傾斜流道角度分別為48、50、53和55°時(shí)流道內(nèi)泥漿的速度矢量圖，如圖7所示。

從圖7可知，當(dāng)單流閥閥芯出口處流道傾斜角度由48°增加至55°時(shí)，泥漿流動(dòng)方向在流道角度為55°時(shí)發(fā)生了明顯改變，泥漿流體在通過(guò)閥芯后，其流動(dòng)方向沿著單流閥末端表面的切線方向射出。繼而，當(dāng)流體流動(dòng)的切線方向與單流閥殼體的中軸線平行時(shí)，可減輕高速泥漿流體對(duì)單流閥殼體的沖蝕，延長(zhǎng)單流閥的使用壽命。此外，從流體運(yùn)動(dòng)的流線圖也可知，當(dāng)傾斜流道角度為55°時(shí)，流線基本是沿閥芯的弧形斜面進(jìn)入下閥腔，繼而表明流體流動(dòng)的方向與閥芯的結(jié)構(gòu)形式基本一致.閥芯的結(jié)構(gòu)對(duì)泥漿流體的流向起導(dǎo)向作用，因此，對(duì)閥芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有重要的指導(dǎo)作用。

所以，由圖7的結(jié)論可知，在對(duì)單流閥流道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不宜讓單流閥閥芯流人通道和流出通道拐彎過(guò)大，這樣可以盡可能減輕泥漿對(duì)單流閥的沖蝕磨損。

3結(jié)論

本文通過(guò)建立DF65-105型單流閥流道模型，并基于CFD軟件仿真分析了泥漿流體對(duì)單流閥沖蝕的影響，繼而在此基礎(chǔ)上對(duì)單流閥流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減輕泥漿對(duì)單流閥殼體的沖蝕作用、延長(zhǎng)其使用壽命，仿真研究結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）在10%～80%的開(kāi)度范圍內(nèi)，隨單流閥的開(kāi)度增加，對(duì)應(yīng)的泥漿流體壓降逐漸減小，但開(kāi)度為60%～80%時(shí)泥漿流體對(duì)單流閥殼體的沖蝕作用將大于開(kāi)度為10%50%的工況：

2）在單流閥的開(kāi)度為60%工況下，當(dāng)閥芯出口處的傾斜通道角度分別為48、50、53和55°時(shí)，55°的傾角結(jié)構(gòu)更有利于減輕泥漿對(duì)單流閥殼體的沖蝕作用。因此，對(duì)單流閥流道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免閥芯人口處流道和出口處流道拐彎過(guò)大。