注气阀设计计算及有限元分析.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 1 期第 6 5 页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD EQUI PME NT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 0 0 1 0 0 6 5 - 0 3 注气 阀设计 计算及有 限元分析 程心平 ， 姚 智翔 ， 牛贵锋 中海油 能源 发展股份有限公 司 采油 技术 服务分公司 ， 天津 3 0 0 4 5 2 摘 要 对 注 气阀进行 了总体 设计 ， 用 S OL I D1 8 5单元 建 立 了阀和 阀座 的有 限元模 型 ， 分析 了 阀座 和 阀杆 的应 力和 变形 。 关键词 注 气阀 ； 设计 ； 有 限元 分析 中图分 类 号 T E 9 3 4 ． 4 0 2 文献 标识 码 B De s i g n Ca l c u l a t i o n o f S u c t i o n Va l v e a n d Fi n i t e El e me n t An a l y s i s CH ENG Xi n pi n g， YAO Zhi xi a ng， NI U Gui f e n g Oi l fi e l d Te c h n o l o g y S e r v i c e s Co ．， CNOOC En e r g y Te c h n o l o g y Se r v i c e s Co ． ， Lt d． ， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 2， Ch i n a Ab s t r a c t Suc t i o n v a l ve we r e de s i g ne d，SOI I D1 8 5 e l e me n t wa s us e d t o s e t u p t h e f i ni t e e l e me n t C AD软 件模 拟 的钳牙 板松 开状 态 ， 双 点划 线为 开 口 齿 轮 轮廓 ， 用 以检 验 油 管 是 否 能 够 顺 利 进 出钳 口。 图 4为开 口齿轮 与 坡 板旋 转 4 5 。 时滚 轮 随 之爬 坡 后 的夹 紧状态 ， 检 验 牙 板 是 否 能 够 夹 紧 油 管 。 由 图 3 ～ 4可 以证 明坡板 的设 计 计 算 是 正 确 可 靠 的 ， 系 统 设计能够保证松开时油管 自由进 出， 旋转后 油管被 牢靠 夹 紧 。 图 4钳 牙 板 夹 紧 状 态 模 拟 4 结 论 1 通过 分析 现 有 油 管 钳 的 问题 ， 提 出 了新 型 钳 口结构设 计 和坡 板 的设 计 方 法 ， 并 给 出 了安 全 可 靠的爬坡位置设计基准点和精确计算坡板 曲率半径 的方法 。 2 用 C AD软 件模 拟钳 牙 板松 开 与夹 紧 2个 位 置来 验证 计算 结 果 ， 该 方 法 比制做 作模 型验 证 的 办 法简单 实 用 ， 精 确 可靠 。 参 考 文 献 [ 1 ]张洪生 ， 于吴 ， 赵金 峰． 铁钻 工 的现状 与展 望E J ] ． 石 油矿 场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 1 2 1 6 ． E 2 ]王旱 洋 ， 于艳艳 ， 苗 长 山． 液压钳 对油 管螺 纹粘连 影响 的有 限元 分析及措施[ J ] ． 石 油矿场机 械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 8 1 8 21 ． [ 3 ] 王文智 ， 张根旺 ， 党兰焕 ， 等． 钻杆动力钳的设计缺 陷及 使用 中存 在 的问题 [ J ] ． 石 油矿 场机 械 ， 2 0 0 5 ， 3 4 1 95 96 ． [ 4 3 刘常福 ， 宋 开利 ， 张震海 ， 等． 自动化液压 动力 大钳 [ J ] ． 石 油 机 械 ， 2 0 0 2， 3 0 9 6 1 - 6 2 ． 收 稿 日期 2 0 0 9 0 7 0 6 作者 简介 程心平 1 9 6 8 一 ， 男 ， 山西汾阳人 ， 高级 工程 师 ， 1 9 9 0年毕 业于 西安石 油学 院矿机专 业 ， 长期从 事采油 工艺 和井 下工具开发研究 ， E ma i l c h e n g x p e n o o e ． c o m． c n 。 石 油 矿 场 机 械 2 O 1 O年 1 月 mo de I f or va l v e s t e m a nd v a l v e s e a t ，s t r e s s a nd de f o r m a t i O i l o f v a l v e s t e n i a n d v a l v e s e a t wa s a n a l y z e d． ． Ke y wo r ds s u c t i on v a l v e； d e s i g n； f i ni t e e l e me n t a na l y s i s 我国已开发的油气 田大部分进入中后期， 尽管 采取注水等一系列措施取得 了显著成效 ， 但近年来 在低渗 透油 田注水 开 发 中反 映 出注水 压 力 高 、 成本 高 、 渗透 率低 、 产能 低 等一 系 列 问题 ， 有 相 当一 部 分 原油在地 下开采 不 出 来 ， 剩 余 油 和 复杂 油 气藏 的开 采就显得 尤为 重 要 。为 了提 高 原 油采 收 率 ， 注气 ] 等采油 气工 艺技 术 得 到 越 来 越 多 的应 用 。由 于 气体 具有 易流动 、 降低 粘度 、 体 积 膨 胀 、 降 低界 面张 力 的作用 ， 注气适 用 的油藏种类 、 深度 和范 较 为广 泛 ， 且不受 地层温 度和矿 化度 的影 响 ， 闪此 在低渗 透 油藏 开发 中有 明显优势 。 注 气 阀的没计计 算足 注气 开发丁 艺 中的重要 内 容 。本 文进行 了注 气 阀结 构 设计 ． 并 对 阀杆 和 阀座 进行 了有限元 分析 。 l 结构 设 计 1 ． 1 总体 结构 注气 阀总体 结 构 如 图 1 ， 主要 由 阀 座 、 阀 杆 、 弹 簧、 铜套 、 下接头 5部分组成。注气 阀工作时 ， 由于 阀杆在 气体作 用下 与 下 接 头频 繁 接触 ， 阀杆 与 下 接 头之 间容易发 生磨 损 ， 影 响 注气 阀的 一 作 性 能 和使 用寿命 ， 所 以在 下接 头 与阀杆之 间设计 一个铜 套 ， 可 以对 阀杆和下 接头起 到很好 的缓 冲和保 护作用 。 1 2 3 4 1 ～ 阀座 J 接头 ； 2阀杆 ； 3 4，铜 套 ； 5 下 接 头 。、 、 图 1 沣气 阀结 构 1 ． 2基本参 数 最大工作压力 最高工作温度 注气 量 介质 1 l M Pa 2 0 0 ℃ 1 01 0 m0 ／ d 弱腐 蚀气体 1 ． 3 工作 原理 单向注气阀属于方向控制阀， 主要作用是控制 系统 中流体 的流动 方 向 ， 其工 作 原 理 是利 用 阀芯 和 阀体 之间 相 对 位 置 的 改 变来 实 现 通 道 的 接 通 或 断 开 ， 以满足 系统对 通道 的不 同要求 。 单 向注 气 阀与油管 相连 ， 一端 为公螺 纹 ， 一端 为 母螺纹 。气体通过油管进入到上接头 ， 使上接头 内 气压升高， 气压力使弹簧压缩 ， 阀芯被推开 ， 气体从 卜 接 头进 入到 下接 头 ， 通 过下接 头 注入 到 油管 。 1 ． 4 密 封面 在单 向注 气 阀密封 面堆焊 一层具有 特殊性 能 的 合金 ， 目的是提高注气 阀密封面的抗擦伤、 抗腐蚀、 抗冲蚀、 抗高温等综合性能， 该工艺不但可以降低成 本 ， 而且提高了注气阀的使用寿命 。 选 择 注气 阀密 封面 堆 焊材 料 ， 首 先应 满 足注 气 阀的使 用要求 ， 寿 命 长 ， 密 封性 能 好 ， 并 根据 注 气 阀 密 封 面的主要 失效 形 式 来 考虑 材 料 的综 合 性 能 、 工 艺性 、 加 工性 和经济 性 ； 其次要 根据使 用温度 、 压力 、 介质 以及 堆焊 材料 的焊 接工 艺 适 用性 ， 其 中材 料堆 焊 的抗裂性 是极 其重 要 的指 标 。 根据 注 气 阀 的设计 工 况 ， 在 阀杆 和 阀座 密封 面 处堆 焊钻基 D8 1 2合金 能 够满 足 密封 性 、 硬度 、 耐磨 性 等要 求 。 1 ． 5 弹 簧 钢 丝 直 径 d一 3 ． 5 mm， 弹 簧 内 径 D 一 2 3 ． 5 mm， 弹簧 中径 D。 一D d 2 7 mm， 切变模 量 G一8 1 0 MP a ， 弹簧工作 圈数 Y ／ 一9 ， 弹簧 刚度 O d ／ 8 D “ 8 ． 4 7 N／ mm。 2有限元分析 2 ． 1 阀座 2 ． 1 ． 1 有 限元模型 建模选用 S OL I D1 8 5单元 ， 征 阀座 内环面施加 的压 力为 1 】MP a 。阀座有 限元模 型如 图 2 。 S OI I D1 8 5单元用于构造三维固体结构 ， 通过 8 个节点 来定 义 ， 每 个节 点有 3个 沿 着 z 、 Y 、 z方 向平 移的 自由度。S OI I D1 8 5单元具有超 弹性 、 应力 钢 化 、 蠕变 、 大变 形 和大 应 变 能力 ， 还 可 采 用混 合 模式 模 拟几 乎不可 压缩 弹塑性 材料 和完全 不可压 缩超 弹 性材 料 。 3 9卷 1 程 心 ， 等 注气 设 汁 1 t ‘ 箅 及 有 限 元 分 析 6 7 2 闷 胯 几模 刷 2 ． 1 ． 2结 果 分 析 阀摩 的变形 图和心 力 云图如 图 3 ～4 ， 可 以看 f 『 1 ． 阀瘫 的 最 大变 形 为 O 。 0 0 1 1 7 mm， 最 大 心 力 为 l 7 ． 5 9 4 MP a ， 出现 阀座 内环 。 3 形 云 _ 鬻 I 6 ． 01 3 8． 9 0 8 l 3 5 6 1 3 ． 2 5 】 1 6 ．1 46 1 1 。 8 M 1 4 ． 6 9 9 1 5 9 ，4 4阎 膻 ，『 J 2 ． 2 阀杆 2 ． 2 ． 1 有 限 元 模 型 选用 S OL I D1 8 5单元 建 立 阀 杆 有 限 元 模 ， 在 阀杆 的各个 面施加 1 1 MP a的压 力 ， 只 取部 分 阀套 ， 主要 获得 阀杆 的应 力 以及 阀杆 和 阀套 的变形 。阀杆 有 限元 模 如 图 5 。 2 ． 2 ． 2结 果 分 析 阀杆 的变形 云图和 应力 云 如 6 ～7 ， 可 以看 出 ， 阀杆 的最 大 变 形 为 0 ． 0 0 3 5 5 6 i n 1 i 1 ， 最 大 应 力 为 1 2 ． 5 2 8 MP a ， 在 杆头 大 径 和杆 小 的连 接处 。 图 5 阀 补 彳 丁 冗 校 ， 图 6 变肜云 1 ． 3 9 2 3 结 论 4 ．1 6 c ． 96 9 ． 7 4 0 l 2 ．5 2 图 7 喇 心 力 云 图 1 注气 阀 为单 控制 阀。 2 阀座 的 最 大变 形 为 0 ． 0 0 1 1 7 rai n 。 最 大 应 力为 1 7 ． 5 9 4 MP a ， 出现在 阀序 内环 。 3 阀杆 的最 大变 形 为 0 ． 0 0 3 5 5 6 mm， 最 大应 力 为 1 2 ． 5 2 8 MP a ， 出现在 阀朴 与弹 簧接触 处 。 参 考 文 献 [ 1 ] 朱焕 刚 ， 李宗 清， 杨德京 ， 等． 井下气液分离及 阿注技术 研 究 状分析 [ J ] ． 油 矿 场机 械 。 2 0 0 7 ， 3 6 7 7 1 0． [ 2 ] 穆新龙 ． 不 同开发阶段 的 油藏描 述[ M] ． 北京 ， ￡ 油T 业 出版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 1 三 路趟 ， 徐兴 ． 基 于 AN S YS的割 缝筛 管 强度 分 析 [ J ] ．石 油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 4 4 1 4 3 ． [ 4 ] 陆培 义． 实用 汴气 阀 没计手册 [ K] ． 北 京 机械 业 出 版 社 ， 2 0 0 2 1] 1 7】1 1 8 ． [ 5 ] 胡 囤良． 有限元分 析 入门 与提高 [ M] ． 北 京 罔防 工、 【 f j j 版 社 。 2 0 0 9 2 5 2 ．