高压节流阀节流特征及流固耦合失效分析.pdf

F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 2， No ． 6， 2 01 4 文章编号 1 0 0 50 3 2 9 2 0 1 4 0 6 0 0 5 00 5 高压节流阀节流特征及流固耦合失效分析 刘清友 ， 包凯 ， 付玉坤 ， 李雨佳 1 ． 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学， 四川成都6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 西南石油大学 ， 四川成都6 1 0 5 0 0 摘要 p J J t l 东北地区高压裂缝性气藏开发钻井现场普遍使用的楔形节流阀为例， 分析开度与节流面积 、 节流压降、 流 体速度的关系， 并依据伯努利方程建立节流压降与开度、 流体密度、 进i Z l 流量的数学模型， 采用 w o r k b e n c h流固耦合数值 模拟方法， 对所述条件下的节流阀内部流场和阀芯应力分布对比分析。结果表明， 楔形节流阀节流能力随开度的增大迅 速减小， 随流体密度、 进口流量的增大而增大， 在一定开度下 ， 由于阀腔内流体的高速流动 ， 阀芯变径台阶面与轴销连接 孔位置处出现应力集中， 同时阀芯节流面附近有明显漩涡产生， 引起阀芯振动， 容易导致断裂失效 ； 当开度较小时， 节流 效果显著， 含固相颗粒的流体容易造成节流阀堵塞， 且高速流体对阀座冲刷引起刺漏 ， 该分析结果与现场节流阀失效情 况十分吻合。 关键词 节流阀； 节流特征； 流固耦合； 流场分析； 应力集中； 失效 中图分类号 T H1 3 7 ； T K 0 3 7 文献标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． O 1 1 Th r o t t l i n g Ch a r a c t e r i s t i c s a n d Fa i l u r e An a l y s i s o f I l i g h Pr e s s u r e Th r o t t l e Va l v e s b a s e d o n Fl u i d - s o l i d Co u p H n g L I U Q i n g ． y o u ， B A O K a i ， F U Y u ． k u n ， L I Y u - j i a 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f O i l a n d G a s R ese o i r G e o l o g y and E x p l o i t a t i o n ， S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Sou t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e rs i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； Ab s t r a c t T a k i n g a u s e d i n fi e l d o f f r a c t u r e d c o n t i n e n t a l h J s h p r e s s u r e g a s res e o i r d e v e l o p me n t i n t h e No r t h e ast e r n S i e h u a n w e d g e man u a l t h r o t t l e v alv e a s a n e x a mp l e， i n v e s t i g a t e d the r e l a ti o n s h i p am o n g t h r o t tl e a r e as ， p r e s s u r e d r o p， v e l o c i t y a n d t h r o t t l e o p e n i n g， a n d a l s o e s t a b l i s h ed ma the ma t i c al mo d e l w h i c h i s c o n c e r n ed w i t l l throt tl e o p e n i n g ， fl u i d d e n s i t y， i mp o r t e d fl o w a n d p r e s s u r e d r o p b ased o n b e rno ull i ’ S e q u a t i o n ． T h e d i s t rib u t i o n o f the fl o w fi e l d i n s i d e t h e thr o t tl e v alv e and the s p o o l s t r e s s d i s t ri b u t i o n u n d e r d i ff e r e n t c o n d i t i o n s a r e c o mp a r e d an d a n a l y z ed b y u s i n g the w o r k b e n c h fl u i d s t r u c t u r e i n t e r a c ti o n n u me ri c al s i mu l a ti o n me ed ． Th e r e s u l t s s u g g e s t t h a t the t h r o t t l i n g abi l i ty d e c rea s e s q u i c k l y w i t h t h e i n c rease o f t h e d e g r e e s o f o p e n i n g i n a d d i t i o n i t d e c r e a s e s t l I t h e i n c r e a s e o f fl u i d d e ns i t y a n d i mpo r t e d fl o w． Th e res ult s s u gge s t tha t i n a c e r t a i n d e g r e e o f o p e nin g ． b e c a u s e o f the h i g h s p e e d fl o w o f the v alv e c a v i t y fl u i d， the c o n n e c t i n g h o l e o f v alu e c o r e s t e p p e d s u r f a c e and p i n occ u r 8 s t r e s s c o n c e n t r a t i o n， a n d t h e w e d g e g u i d e s u rf a c e a p p e a r s o b v i o u s v o rte x g e n e r a t i o n w h i c h w i l l c a u s e the v alv e v i b r a t i o n l e a d i n g t o f r a c t u r e f a i l u r e ； Wh e n the d e g r e e s o f o p e n i n g i s s mall ， the throt tl i n g v alv e wo r k s e ffe c ti v e l y a n d c a u s e s o me p rob l e ms f r e q u e n tl y bec a u s e o f t h e h i g h p res s u re i mp a c t e ff e c ts of s o l i d p h a s e fl u i d s u c h as w e d g e f a c e s ass a s s i n a ti o n． b l o c k and 8 0 o n ． Th e r e s u l t s o f t h e a n aly s i s are v e r y c o n s i s t e n t w i t l I t h e fi e l d v alu e c o r e f a i l u r e s i t u a t i o n ． Ke y wo r d s t h r o t tl e v alv e s ； throt t l i n g c h a r a c t e ris t i c s ；fl u i d s o l i d c o u p l i n g；fl o w fi e l d analy s i s ； s t r e s s c o n c e n t r a t i o n； f a i l u r e 1引言 复杂地层钻探开发过程 中， 井控装备问题显 得越来越重要 。如川东北元坝地 区陆相裂缝性储 层连通性好、 压力体系复杂且敏感性强， 钻井过程 中常遇到地层压力超过 7 0 MP a甚至更高 的压力 ， 收稿 日期 2 0 1 31 01 0 基金项目 国家自 然科学基金重点项目“ 气体钻井技术基础研究” 5 1 1 3 4 0 0 4 3 2 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 2， No ． 6， 2 01 4 s i mu l a t i o n o f a h y d r o c y c l o n e f o r t h e s l u d g e s e p a r a t i o n i n r a t e r p u r i f y i n g p l a n t s a n d c a mp a r i s o n t l l e x p e r i me n t a l d a t e [ J ] ． Mi n e r a l s E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 1 7 5 6 3 7 1 ． [ 9 ] G r a d y S A， We s s o n G D， A b d u l l a b M，e t a1 ．P r e d i c a - t i o n o f 1 0 mm h y d r o e y e l o n e s e p a r a t i o n e ffi c i e n c y u s i n g c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c s [ J ] ． F i l t r a t i o n a n d S e p a - r a t i o n ， 2 0 0 3 ， 4 0 9 4 1 - 4 6 ． [ 1 O ] 邹宽， 杨茉， 曹玮， 等． 水力旋流器湍流流动的数值 模拟[ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 4， 2 5 1 1 2 7 1 2 9 ． [ 1 1 ] 王志斌 ， 陈文梅， 褚良银， 等． 旋流分离器中固体颗 粒随机轨道的数值模拟及分离特性分析[ J ] ． 机械 工程学报 ， 2 0 0 6， 4 2 6 3 4 - 3 9 ． [ 1 2 ] 曹晓娟， 顾伯勤． 旋流器内空气柱形成与发展及其 对分离的影响[ J ] ． 流体机械， 2 0 0 9 ， 3 7 1 2 8 - 3 3 ． [ 1 3 ] 余敏， 耿丽萍， 杨茉等． 水力旋流器参数对高炉污 泥分离的影响[ J ] ． 工程热物理学报， 2 0 0 5 ， 2 6 6 9 77- 97 9． [ 1 4 ] 梁政， 吴世辉， 任连城． 论水力旋流器流场数值模 拟中湍流模型的选择 [ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 7 ， 2 7 3 1 1 9 - 1 2 1 ． [ 1 5 ] 许研霞， 宋兴福， 吴亚洲 ， 等． 溢流 口结构对水力旋 流器性能影响的模拟分析[ J ] ． 华东理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 3 8 3 2 7 1 - 2 7 6 ． [ 1 6 ] 林棋 ， 娄晨． 基于差压式孔板流量计的缩经管段流 场数值研究[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 1 4 ， 3 1 2 2 9 3 7 ． [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 0 ] [ 2 1 ] [ 2 2 ] [ 2 3 ] 王云峰， 刘仁恒， 王金花 ， 等． 2种锥段结构的轴流 式旋流器 内的流场模拟 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 6 2 2 - 2 6 ． 翁建松， 刘根凡， 麦浚宇． 经向喷射规整旋流器 内 部流场研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 4 ， 4 2 4 1 1 - 1 6 ， 5 ． 王福军． 计算流体动力学分析c F D软件原理 与应用[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． Na r a s i m h a M， M a the w B， H O l tha m P N． L a r g e e d d y s i mu l a t i o n o f h y d r o c y c l o n e p r e d i c t i o n o f a i r - c o r e d i - a me t e r and s h a p e[ J ] ． I n t ． J ． M i n e r ． P r o c e s s ， 2 0 0 6 ， 8 0 1 1 - 1 4 ． Hs i e h K T ． A p h e n o me n o l o g i c a l mo d e l o f t h e h y d r o c y c l o n e [ D] ． S a l t L a k e C i t y U n i v e r s i t y o f U t a h ， 1 9 8 8 ． W a n g B， C h u K W ， Yu A B ． Nu me ri c a l s t u d y o f p a r t i c l e fl u i d fl o w i n a h y d r o c y c o l n e [ J ] ． I n d ． E n g ． C h e m． R e s ． ， 2 0 0 7 ， 4 6 1 3 4 6 9 5 -47 0 5 ． C u U i v an J C， Wi l l i a ms R A， Dy a k o ws k i T， e t a 1 ． N e w u n d e rst a n d i n g o f a h y d r o c y c l o n e fl o w fi e l d an d s e p a - r a ti o n me c h ani s m f r o m c o mp u tat i o n a l fl u i d d y n am i c s [ J ] ． Mi n e r E n g ， 2 0 0 4 ， 1 7 6 5 1 - 6 6 0 ． 作者简介 张悦刊 1 9 7 0一 ， 男 ， 博士研究 生 ， 研 究方 向为 固 液分离技术与装备。 通讯作者 刘培坤 1 9 7 1一 ， 男 ， 博士 ， 教授 ， 研究方 向为固液 分离技术与装备 ， 通讯地址 2 6 6 5 9 0山东青 岛市经济 技术开发 区 前湾港路 5 7 9号山东科技大学机 电学 院。 上接第 5 4页 [ 4 ] 王德玉， 刘清友， 何霞． 高压节流阀的失效与受力分 析[ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 5 ， 2 5 6 9 4 - 9 6 ． [ 5 ] 王云峰， 刘仁桓， 王金花， 等． 2种锥段结构的轴流 式旋流器内的流场模拟 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 6 3 0 - 3 4 ． [ 6 ] 柳国庆， 程宏杰， 李奇． 高灵敏度高压安全阀的设计 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 7 4 7 - 5 0 ． [ 7 ] 郭崇志， 朱寿林． 安全阀超压泄放瞬态动力学数值 模拟研究 [ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 2 ， 4 0 2 3 9 44 ． [ 8 ] 孙斌 ， 许安俊． 高压止回阀断裂失效分析 [ J ] ． 压力 容器， 2 0 1 2 ， 2 9 1 6 7 - 7 2 ． [ 9 ] 孔晓武， 阮晓芳． 先导式高速开关阀的优化设计与 动态仿真 [ J ] ． 机 电工程， 2 0 1 1 ， 2 8 7 7 8 9 - 7 9 2 ， 7 9 7 ． [ 1 0 ] 张圣峰， 徐兵， 刘伟， 等． L U D V多路阀中节流阀的 仿真分析[ J ] ． 机电工程， 2 0 1 1 ， 2 8 9 1 0 3 6 ． 1 0 3 9 ． [ 1 I ] 张祥来， 刘清友． 井控节流阀冲蚀机理及结构优化 [ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 8 ， 2 8 9 - 9 0 ． [ 1 2 ] 张建业， 伍藏原， 黄兰， 等． 异常高压气井井 口节流 阀开度控制方法研究[ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 1 0 ， 3 2 B 1 1 1 1 5 - 1 1 7 ． R e y n o l d s W c ． C o m p u t a t i o n o f t u r b u l e n t fl o w s [ J ] ． A n n u al R e v i e w o f F l u i d Me c h a n i c s ， 1 9 7 6 ， 8 1 1 8 3 - 2 0 8． 李兵， 何正嘉， 陈雪峰． A N S Y S Wo r k b e n c h设计、 仿 真与优化[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 8 ． L e e H H． F i n i t e E l e me n t S i mula t i o n s wi th AN S YS Wo r k b e n c h 1 4 [ M] ． S D C p u b l i c a t i o n s ， 2 0 1 2 ． 孔珑． 工程流体力学[ M] ． 北京 中国电力出版社， 1 9 92． 严宇， 张力 ， 张钊源． 节流阀失效的流固耦合分析 研究[ J ] ． 石油化工安全技术 ， 2 0 0 6， 2 2 2 4 4 4 7 ． 张传涛 ， 单代伟 ， 栾金堂 ， 等． 高压孔板式节流阀 流固耦合分析[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 0 3 7 ． 3 9． 作者简介 刘清友 1 9 6 5 一 ， 男 ， 长江学者特聘教授， 博士生 导师， 主要从事石油天然气装备、 油气井工程力学、 井下爬行器、 计算机仿真等方面的教学和科研工作 ， 通讯地址 6 1 0 5 0 0四川成 都市新都区新都大道8号 西南石油大学。 1 J 1 J 1 J] H 巧 “ r L rl r L r L