高压节流阀冲蚀机理研究.pdf

第4 期 一 3 J． ． __ L lI 口 同 压节流阀冲蚀机理研究 李悦钦 ，李友 ，战晓溪 ，胡超。 ，邓阳 1 ． 西南石油大学 ，四川 成都 61 O 5 O 0 2 ． 中国石油塔 里木油田公司 ，新疆 库尔勒 8 41 0 0 0 [ 摘 要]对油嘴工况条件进行了研究，计算了油嘴工作过程中的临界速度和冲蚀速度，经比较得出了油嘴冲蚀的基本流 态，在此基础上，研究了油嘴的冲蚀机理，分析了油嘴冲蚀的冲蚀因素和冲蚀类型，描述了油嘴失效的机理。研究表明， 油嘴冲蚀从表面上分析主要存在气流冲刷效应和应力集中及振动作用两方面的影响。从根本机理上看，油嘴的冲蚀磨损率 随气流密度和冲蚀速度的增加而增大，并与冲蚀角的大小有密切关系；油嘴损坏是由于应力疲劳断裂和脆性断裂两种冲蚀 机理复合形成的冲蚀机理造成 的。 [ 关键词]油嘴；冲蚀；磨损；失效 塔 里木 油 田克 拉作 业 区是 西气 东 输工 程 的 主 要 能源 供 应 地 ，该 气 田在 我 国 国 民经 济 中起 着 重 要 作用 。 高压 节 流 阀 俗 称 油 嘴 是井 口的重 要装置， 由于克拉气 田井下压力大，产量 高，高 速气体对 油嘴 的冲蚀尤其是对笼芯和活塞 的破坏 相当严重， 目前油嘴装置技术 由国外垄 断，价格 昂贵 ，因此提 高油嘴 的使用寿命成为现 实而又紧 迫的课题。本文 旨在从机理上揭示油嘴冲蚀 的原 因，为延长油嘴寿命提供一定 的理论基础。 1 油嘴冲蚀现状 油嘴的工作原理利用 改变 阀 口流通截面积 的方法来控制流体流量 ，从而达到控制流体 的压 强 和速 度 的 目的 。它 的 设 计 原 则 是有 一 个 可 移 动 的圆柱形柱塞可在 内部上下移动或者使用一个 圆 柱 形 阀套 在 一 个 固定 的 有 出 口的 圆柱 形 壳 体 外 面 上 下移动 ，用这种移动来控 制壳体 内流体流 出管 口的面积 ，以此方式控制流速和通过油嘴两端 的 压 差 。 现场油嘴的冲蚀主要有以下特点 1 油嘴在工作过程 中，气流对油嘴入 口端 面 、内壁 、出口端面均有冲蚀作用 。研究发现油 嘴冲蚀磨损与 以往对各类材料 的冲蚀磨损相 比存 在 明显 的不 同 ，主 要 表现 在 沿轴 向冲 蚀 不 均 ，不 同厂家 的油嘴都存在沿轴 向冲蚀不均 的情况 。总 体而言 ，在轴 向方 向的笼芯表面上 ，小孔 的周 围 受冲蚀严重 ，无孔表面冲蚀相对较轻 ，冲蚀最严 重 的部位是活塞和笼芯的接触部位 附近 ，在此处 的冲蚀 由单个f L N 径 向冲蚀逐渐扩大为两个-T L I] ． 径 向连通 ，进而形成径 向局部 出现凹槽 ，最后径 向出现整圈凹槽，甚至会 出现在此处油嘴断裂的 情 况 。 2 沿径 向孔径长度冲蚀不均。在沿着孔径 方 向上 ，笼芯表面和小孔 内部 的冲蚀相差甚大 ， 在 小孔 内部 表 面 受 到 的冲 蚀 较 小 ，但 在 气孔 的进 气和 出气端 口上有明显损坏 ，这是因为油嘴工作 过程 中气体进入油嘴小孔 时，气体与笼芯表面 的 冲蚀角接近 9 0 。，属于高角冲蚀 。但气体进入小 孔 内壁后 ，气体运动方 向与孔壁 的冲击角很 小， d f L 内壁所承受的是低角冲蚀 ，油嘴的不同部位 同时受 到不 同角度 的冲 蚀 。 3 变截面 时气体加速运动，高压气体在运 动到油嘴部位时 ，由于结构 的变化，在 笼芯 的小 孔处和笼芯与活塞的接触面 附近 ，气体 的运动状 态发生急剧变化，在气体进入d -T L 后会有一个突 然加速 的过程，而在笼芯和活塞接触面上 ，由于 结构 的影响，导致气流运动状态变化很大 ，气流 状 态紊 乱 ，加 剧 了气体 的冲蚀 作用 。 2油嘴 的机理 2 ． 1 油嘴损坏表层现象分析 油嘴冲蚀从表面上分析主要存在气流冲刷效 应和应力集中及振动作用两方面的影响。 天然气气流冲刷效应 从笼套式节流 阀的工 作原理来看 ，节流 阀调节井下天然气流体 的流量 是依靠节流阀内笼套与活塞之间开启的大小来限 制井下天然气的流量。井下天然气 的压力在5 0 Mp a 左右 ，当节流阀开启很小时 ≤1 0 ％时 ，相当 于 笼 套 上 只有 最 下 面 一 组 圆 孔 开 启 ，其 他 的 圆孔 都被密封着 ，这 时井下 的高压天然气会对这组圆 孔产生强烈冲刷 ，由于天然气中含有冷凝水 ，因 作者简介李悦钦 1 9 5 6 一，男， 西南石油大学机电工程学院党 总支书记 ，副教授，从事计算机辅助设计、机械设备工程方向研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ． ， 2 一 ■ 技术交流 石 油 与 化 工 设 备 2 0 l O 年 第l 3 卷 此这个冲刷是含有液滴 的气体冲刷 ，其作用 比单 纯气体冲刷要厉害得 多。在天然气流体 的强烈冲 刷下 ，使节流 阀内笼套最下面一组圆孔 ，由外向 内被冲刷 出沟槽 、孔洞、甚至掉渣并产生裂纹 。 同时，还有大量的天然气流体从笼套 的其 它圆孔 进入节流 阀内，虽然这些圆孔都被活塞密封着 ， 但 由于笼套与活塞之间有一定的间隙，流入 的天 然气流体会选择易于流动 的地方通过，久而久之 就在笼套与活塞 的接合面上冲刷 出沟槽 。由于天 然气流体进入笼套后都往 出口方 向走，所 以在笼 套内表面与活塞外表面形成 的沟槽从形态上和很 多小溪汇成江河的形态是相似 的。当来 自笼套与 活塞之间天然气流体与直接从笼套最下面一组 圆 孔进入 的天 然气 流体汇合 时 ，会 在该处形 成湍 流 ，这 时天 然气 流 体 对 笼套 内表 面与 活 塞 外表 面 的冲刷作用就变得复杂了。冲刷不仅是轴 向的， 还有径 向的和周 向的 该处成为三 向应力的集中 处 ，这些冲刷作用使笼套 内表面形成许 多不规 则的坑和沟 ，也使活塞上产 生冲刷的坑和沟。冲 刷形成的坑和沟，会使该处湍流现象更加严重， 应力更加集 中；湍流 的加重 ，又会进一步造成更 严重的冲刷，形成恶性循环。 力 的作用 天然 气流 体 的冲刷 、湍流 的形 成 ，在使节流阀的笼套内表面与活塞表面产生许 多坑和 沟 的同时 ，也会 造成 该处 的严 重应力集 中。而且天然气流体的冲刷、湍流 的形成也会在 该处产生强烈 的振动。冲刷出的坑和沟形成 了许 多疲劳裂纹源 ，在振动载荷的作用下，笼套和活 塞产生多处疲劳裂纹并 向内扩展 ，当这些裂纹扩 展到一个 临界值时，油嘴的笼套结构就会有断裂 的危险。 2 ． 2油嘴冲蚀 内在机理分析 2 ． 2 ． 1 冲击速度影响 冲蚀流速 计算 高速气 体在 管 内流 动时 会 发 生冲 蚀 ，产 生 明显 冲 蚀 作用 的流 速称 为 冲 蚀 流 速 。根据A P I R P 1 4 E 给出的预测流体冲蚀磨损计算 临界冲蚀流速方程为 V e C ／ p m 。 1 式 中 p 混 合 物 密 度 ； C常 数 ， 1 0 0 - - 1 5 0 ，如果井筒流体很干净，不存在腐蚀和 无固体颗粒情况下，C可取1 5 0 。 正常生产过程 中，气体流速应该小于临界冲 饰 流 谈 ． 7 卜能 俘 茸 仕 冲 饰 影 响 帚 佴 存 I 流速断面最小的速度并不增加 ，只增加气体的密 度和上流压力P 大于下流压力P 约一倍 ，及P 2 ≤ O ． 5 4 6 P ，此时达到临界流速。 临界流 速 上游 压力 增加 ，流速不 变 声 速 ，产量 和流体 密度 增加 ；根据气 体 p 0 ． 5 6 6 ，可 以计算出V e 1 3 2 ～1 9 9 m ／ s ，而对于管径 6 3／ 8 ，油压5 3 ． 1 MP a ，流量1 0 0 1 0 4 m ／ d 时，流速 计算为3 ． 5 3 m／ s ，当1 5 ℃时声音在空气 中的传播速 度为3 4 0 m／ s ，温度每增加 1 ℃，流速增加0 ． 6 m／ s ， 6 0 ℃时3 6 7 m／ s 。 当气体流过笼套时，流速由v 增加到声速，同 时气体密度增加，此时冲蚀流速降低 ，气体流速 远大于现场气流速度，冲蚀发生。 通过计算可知气体流速远超过临界流速 ，故 油嘴发生冲蚀 ，材料发生冲蚀磨损存在一个冲击 速度的下限 门槛冲击速度 ，取决于粒子性能和材 料性质 ，低于这个速度 ，只发生弹性碰撞；高于 这个速度 时，材料冲蚀率与粒子冲击速度存在如 下关系 E 2 式 中v 为粒 子速度，n 为常数。因此可以计算 出油嘴在受到天然气冲蚀时的冲蚀率 。 2 ． 2 ． 2冲击角 冲击角是指靶材表面与入射粒子轨迹之间的 夹角，也可称为入射角或攻角 。材料的冲蚀率和 冲击角有密切关系 ，冲击角与冲蚀率的关系可表 达为 EA C O S s i n B s i n 。 c 3 其中E为冲蚀率，0 c 为冲击角， 、A 、 B，为 常数。 3油嘴冲蚀磨损类型 通过显微设施可 以得到油嘴冲蚀外貌的微观 图，如下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 期 李悦钦等高压节流阀冲蚀机理研究 ． 3 3一 油嘴 的磨损 属于 多 冲蚀 机 制并 存 的冲 蚀磨 损，即在相 同的冲蚀条件 下 ，不同的冲蚀机理存 在于同一油嘴 中。由图的微观特 性来看 ，油嘴 的 磨损机制除应力疲劳断裂 和脆性断裂冲蚀外 ，还 存 在着 由于 气体 对油 嘴 的切 入造 成 的微 切 削作 用。由于材料硬度较高，气体分子切入及其微切 削的能力较弱 ，油嘴冲蚀 磨损机制主要表现为应 力疲 劳断裂 和脆 性 断裂 。 3 ． 1 应力疲劳断裂冲蚀磨损模型 首先假设 1 应 力疲劳冲 蚀 的损伤 过程 是一 个 不 可逆 的耗 散过 程 ； 2忽 略低 速 冲 蚀 条件 下 的塑性 变形 及循 环残 余应 力 的影 响 ； 3 忽略气 体分子 自身 的碰撞能 4 油嘴在 低温 条件下工作 ，热损失能忽略。应力疲劳 断裂 冲蚀磨损模型 E , p V p 2 1 一 f e ， ] _ 4 E H， 为油嘴材料的弹性模量和硬度，0 ， 为冲 击 角 。 3 ． 2脆性断裂冲蚀磨损模型 高速气体对油嘴表面 的冲击 ，造成材料表层 形成横 向和径 向两种裂纹 。一 次或少数几次冲击 下，两种裂纹交叉影响导致材料脆性断裂冲蚀 。 脆 性 断裂 冲 蚀 磨损 率 为 F r 4- P 1 - V P2 一 s i n O 。 一 3 ／ 2 Ⅳ ／ 5 其 中 ， 为油嘴材料断裂韧度 。 3 _ 3微切削磨损模型 对 于油 嘴内壁而言 ，属于低角冲蚀 ，气流 的 法 向速度分量使得气体流向垂直撞击被冲蚀材料 的表面 ，同时在 切 向速 度 的作 用下 ，气 体沿 材 料 表 面 切 向 运 动 ～ 段 距 离 ，气 体 切 向速 度 分 量 c o s O 较大 ，高速气体将对油嘴产生切削 作用 ，从而剔除部分材料 造成微切削磨损 ，切 向 磨 损 量 即正 比于 这 部 分 体 积 。单颗 粒 造 成 的材 料 磨损率 为 r p 2 0 t a nO ,√ s in 0 6 由以上分析可 以看 出，油嘴 的冲蚀磨损率随 气流密度和 冲蚀速度 的增加而增大 ，且与冲蚀角 的大小有密切关系。在气流达 到节流 阀笼套表面 时 ，油 嘴冲 蚀属 于高 角冲 蚀 ，油 嘴存在 应 力疲 劳断裂 和脆 性断 裂两 种冲 蚀机 理 ，应 力疲 劳断 裂表明，在油嘴冲蚀时 ，油嘴材料碳化钨表现 出 一 定的金属塑性变形 ，在气流的不断冲击下 ，相 当于给笼套表面不断施加 了连续不断 的冲击交变 应 力，在达到冲蚀速度后，油嘴表面在力 的作用 下发生 了塑性变形 ，表现 为连续性刀割状 的沟壑 和 凹坑 ，使得笼套表面小孔处的过流面积变大， 同时 笼套和 活塞 表 面还 出现 断裂形 态 的坑状 结 构 ，说 明表面 的碳化钨材料还表现 出一定的脆性 材料性质 ，在气流 的冲蚀下造成材料直接脱落的 情况 ，符合脆性断裂机理的特征 ，在气流进入小 孔后 ，油嘴冲蚀属于低角冲蚀 ，微切削冲蚀起主 要 作用 ，但 由于碳化钨超 强的抗磨损能力 ，微切 削效果不 明显 ，冲蚀作用相对较 小，可见油嘴损 坏 是以应力疲劳断裂和脆性断裂两种冲蚀机理为 主 ，多种冲蚀机理并存的复合冲蚀。 4结语 本文研 究了油嘴 的基本损坏现状 ，计算了油 嘴失 效 的基 本条 件 ，分析 了油嘴 失效 的基本特 征，并对失效 的机理进行了较详细 的阐述 ，为提 高油嘴使用寿命的研究提供 了一定的理论基础。 ◆参考文献 【 1 ]张亚明． 朱 自勇． 克拉一 3 井笼套式 节流 阀柱塞套 断裂 原因 分 析． 2 0 0 8 [ 2 ]中国石油塔里木油田公司 克拉一 3 井油嘴柱塞断裂检修 总结 [ 3 ] 陈冠 国，褚秀萍 ，张宏亮 等． 关于冲蚀磨损 问题 [ J ] ． 河北 理 工学院学报． 1 9 9 7 ，1 9 4 ；2 8 ． 3 0 ． [ 4 】 刘莉莉，邓建新，赵军等． 喷嘴抗冲蚀磨损研究及梯度 模型设计[ J ] ． 机械强度． 2 0 0 5 ，2 7 6 ；8 6 0 8 6 3 ． [ 5 ] 吴望一． 流体力学[ M] ． 北京 北京大学出版社，1 9 8 2 ． 舷剥瑚 嘲曦修圊 车 嗽瞵 黧 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m