注氣閥設計計算及有限元分析

程心平,姚智翔,牛貴鋒

(中海油能源發展股份有限公司采油技術服務分公司,天津300452)

注氣閥設計計算及有限元分析

程心平,姚智翔,牛貴鋒

(中海油能源發展股份有限公司采油技術服務分公司,天津300452)

對注氣閥進行了總體設計,用SOLID185單元建立了閥和閥座的有限元模型,分析了閥座和閥桿的應力和變形。

注氣閥;設計;有限元分析

我國已開發的油氣田大部分進入中后期,盡管采取注水等一系列措施取得了顯著成效,但近年來在低滲透油田注水開發中反映出注水壓力高、成本高、滲透率低、產能低等一系列問題,有相當一部分原油在地下開采不出來,剩余油和復雜油氣藏的開采就顯得尤為重要。為了提高原油采收率,注氣[1]等采油(氣)工藝技術得到越來越多的應用。由于氣體具有易流動、降低粘度、體積膨脹、降低界面張力的作用,注氣適用的油藏種類、深度和范圍較為廣泛,且不受地層溫度和礦化度的影響,因此在低滲透油藏[2]開發中有明顯優勢。

注氣閥的設計計算是注氣開發工藝中的重要內容。本文進行了注氣閥結構設計,并對閥桿和閥座進行了有限元分析[3]。

1 結構設計

1.1 總體結構

注氣閥總體結構如圖1,主要由閥座、閥桿、彈簧、銅套、下接頭5部分組成。注氣閥工作時,由于閥桿在氣體作用下與下接頭頻繁接觸,閥桿與下接頭之間容易發生磨損,影響注氣閥的工作性能和使用壽命,所以在下接頭與閥桿之間設計一個銅套,可以對閥桿和下接頭起到很好的緩沖和保護作用。

圖1 注氣閥結構

1.2 基本參數

最大工作壓力 11 MPa

最高工作溫度 200℃

注氣量 10×104m3/d

介質 弱腐蝕氣體

1.3 工作原理

單向注氣閥屬于方向控制閥,主要作用是控制系統中流體的流動方向,其工作原理是利用閥芯和閥體之間相對位置的改變來實現通道的接通或斷開,以滿足系統對通道的不同要求。

單向注氣閥與油管相連,一端為公螺紋,一端為母螺紋。氣體通過油管進入到上接頭,使上接頭內氣壓升高,氣壓力使彈簧壓縮,閥芯被推開,氣體從上接頭進入到下接頭,通過下接頭注入到油管。

1.4 密封面

在單向注氣閥密封面堆焊一層具有特殊性能的合金,目的是提高注氣閥密封面的抗擦傷、抗腐蝕、抗沖蝕、抗高溫等綜合性能,該工藝不但可以降低成本,而且提高了注氣閥的使用壽命。

選擇注氣閥密封面堆焊材料,首先應滿足注氣閥的使用要求,壽命長,密封性能好,并根據注氣閥密封面的主要失效形式來考慮材料的綜合性能、工藝性、加工性和經濟性;其次要根據使用溫度、壓力、介質以及堆焊材料的焊接工藝適用性,其中材料堆焊的抗裂性是極其重要的指標。

根據注氣閥的設計工況,在閥桿和閥座密封面處堆焊鈷基D812合金能夠滿足密封性、硬度、耐磨性等要求。

1.5 彈簧[4]

鋼絲直徑 d=315 mm,彈簧內徑 D1=2315 mm,彈簧中徑D2=D1+d=27 mm,切變模量G=8 ×104MPa,彈簧工作圈數n=9,彈簧剛度λ=Gd4/ 8D32n=8147 N/mm。

2 有限元分析[5]

2.1 閥座

2.1.1 有限元模型

建模選用SOLID185單元,在閥座內環面施加的壓力為11 MPa。閥座有限元模型如圖2。

SOLID185單元用于構造三維固體結構,通過8個節點來定義,每個節點有3個沿著 x、y、z方向平移的自由度。SOLID185單元具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變能力,還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料。

圖2 閥座有限元模型

2.1.2 結果分析

閥座的變形云圖和應力云圖如圖3～4,可以看出,閥座的最大變形為0.001 17 mm,最大應力為17.594 MPa,出現在閥座內環。

圖3 閥座變形云圖

圖4 閥座應力云圖

2.2 閥桿

2.2.1 有限元模型

選用SOLID185單元建立閥桿有限元模型,在閥桿的各個面施加11 MPa的壓力,只取部分閥套,主要獲得閥桿的應力以及閥桿和閥套的變形。閥桿有限元模型如圖5。

2.2.2 結果分析

閥桿的變形云圖和應力云圖如圖6～7,可以看出,閥桿的最大變形為0.003 556 mm,最大應力為12.528 MPa,在桿頭(大徑)和桿(小徑)的連接處。

圖5 閥桿有限元模型

圖6 閥桿變形云圖

圖7 閥桿應力云圖

3 結論

1) 注氣閥為單向控制閥。

2) 閥座的最大變形為0.001 17 mm,最大應力為17.594 MPa,出現在閥座內環。

3) 閥桿的最大變形為0.003 556 mm,最大應力為12.528 MPa,出現在閥桿與彈簧接觸處。

[1] 朱煥剛,李宗清,楊德京,等.井下氣液分離及回注技術研究現狀分析[J].石油礦場機械,2007,36(7):7-10.

[2] 穆新龍.不同開發階段的油藏描述[M].北京:石油工業出版社,2000.

[3] 王路超,徐興平.基于ANSYS的割縫篩管強度分析[J].石油礦場機械,2007,36(4):41-43.

[4] 陸培文.實用注氣閥設計手冊[K].北京:機械工業出版社,2002:1 117-1 118.

[5] 胡國良.有限元分析入門與提高[M].北京:國防工業出版社,2009:2-52.

Design Calculation of Suction Valve and Finite Element Analysis

CHEN G Xin-ping,YAO Zhi-xiang,NIU Gui-feng
(Oilf ield Technology Services Co.,CNOOC Energy Technology&Services Co.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Suction valve were designed,SOLID185 element was used to set up the finite element model for valve stem and valve seat,stress and deformation of valve stem and valve seat was analyzed.

suction valve;design;finite element analysis

1001-3482(2010)01-0065-03

TE934.402

B

2009-07-06

程心平(1968-),男,山西汾陽人,高級工程師,1990年畢業于西安石油學院礦機專業,長期從事采油工藝和井下工具開發研究,E-mail:chengxp@cnooc.com.cn。