采氣用籠套式節流閥閥芯尺寸和節流開度研究

馮素敬，張建權，王 裴，金祖國，李怡東

(上海神開石油設備有限公司，上海 201114)

采氣用籠套式節流閥閥芯尺寸和節流開度研究

馮素敬，張建權，王 裴，金祖國，李怡東

(上海神開石油設備有限公司，上海 201114)

籠套式節流閥具有多孔道的特點，可改善通過的高壓高速天然氣流場的分布，進而降低振動和噪聲，在采氣生產中廣泛使用。分析了籠套式節流閥在氣田開采中的常見故障及失效原理。根據流量與壓力值的關系計算出閥芯的推薦尺寸。通過有限元軟件分析了產出流量相同時，不同閥芯尺寸、節流開度對節流閥閥芯的速度場和壓力場的影響。兩種方法得到的結論相同，可指導籠套式節流閥的閥芯選型。

籠套式節流閥；閥芯；沖蝕；節流開度；有限元分析

在石油天然氣開采過程中，井下高壓氣體被輸送到中心處理廠前，需要把井下氣體降壓至輸送管道允許壓力值。節流閥作為關鍵調節設備具有2個主要功能：①對井口產出的石油天然氣進行節流降壓，控制井口的壓力，從而滿足地面輸送設備對產出流體壓力的要求；②控制石油天然氣的產量，保持井底壓力穩定，從而達到保護油氣井的目的。

常用的節流閥按照結構型式不同，一般可分為固定式、針式、孔板式和籠套式等。籠套式節流閥具有多孔道的特點，可改善通過的高壓高速天然氣流場的分布，進而降低振動和噪聲，在采氣生產中廣泛使用。但是，在高壓、高產的情況下，天然氣對節流閥的破壞十分嚴重。在塔里木油田克拉作業區，井場早期使用荷蘭某公司制造的外籠套式節流閥，使用一段時間后閥芯嚴重沖損，不得不更換節流閥；在中原油田普光氣田，主體工程HH級采氣樹早期使用的是美國某公司制造的籠套式節流閥，后出現多起因閥芯沖損、折斷而引起的失效故障；節流管匯系統中的節流閥閥芯沖損的現象更是普遍存在。現場應用經驗表明，籠套式節流閥的閥芯是影響其性能的關鍵部件。

1 節流閥閥芯失效原因分析

根據節流閥的工作特點，閥芯失效的主要原因為沖蝕磨損、沖蝕、負壓及渦流[1]。圖1所示為籠套式節流閥閥芯沖損實例。

a 閥芯沖損、破裂(塔里木油田克拉作業區)

b 閥芯沖損、折斷(中原普光氣田)

沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊時表面出現破壞的一類磨損現象，是由多相流動介質沖擊材料表面造成的[2-3]。在采氣生產中，高壓、高速的天然氣中可能存在一些雜質，會對節流閥產生劇烈的沖蝕，導致節流閥的通流能力增大。熔覆層在低角度沖蝕情況下，以微切削為主，在高角度沖蝕下，擠壓成片機理居主導地位，都會嚴重影響節流閥的使用壽命。由于節流閥內部流場比較復雜，在特定區域還會產生負壓和渦流，導致巨大的沖蝕力，破壞其組織結構[4-6]。

節流閥通道內通過的高壓、高速流(氣)體，會對節流閥的閥芯產生很大的沖擊。為保證節流閥的使用性能和壽命，在節流閥的設計過程中應主要考慮：

1) 材料。決定材料抗低角度沖蝕磨損性能的主要因素是材料的硬度和強度，抗高角度沖蝕磨損能力取決于材料的韌性，設計中閥芯應選用耐沖刷材料。

2) 閥芯結構。優化結構，應盡量減小高速流體對閥芯的沖擊作用。

3) 最大節流口徑。現在一般認為節流口徑大，產品應用范圍廣，實際上是不合理的，因為使用過大的節流口徑可能引起因調節產量或控制壓力造成的過度節流現象，從而導致人為的流速增大，使閥芯沖損概率提高，出現早期失效甚至使用壽命降低的現象。

本文的研究對象是籠套式節流閥，設計選用的閥芯材料為耐磨、耐沖刷的硬質合金YG8或陶瓷，閥芯結構設計已確定，因此主要研究閥芯尺寸和節流開度對籠套式節流閥性能的影響。

2 節流閥閥芯尺寸計算

籠套式節流閥內部結構如圖2所示，閥芯固定在下閥座上，圓周分布有很多小的流道孔。操作閥桿帶動上閥座移動，改變閥芯與上閥座之間的相對位置，從而來改變閥芯上的流體通道面積，控制通過節流閥的流體流量及節流閥上、下游的壓力差。

1—閥體；2—下閥座；3—閥芯；4—上閥座；5—閥桿。

流體流經節流閥孔板時，流量值與壓力值存在一定的關系：

(1)

式中：Q為通過流體的流量，m3/s；α為試驗修正系數(無量綱)；d為通流孔直徑，m；g為重力加速度，m/s2；p1為節流前壓力，Pa；p2為節流后壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3。

節流閥的通流孔徑由閥芯尺寸和節流開度共同決定，長期在小開度下運行會大幅降低節流閥的壽命，應盡量讓節流閥在最大開度上工作[7]。用戶在制定采購合同時，時常忽略籠套式節流閥的使用參數，在確定節流閥最大節流口徑時選擇較大值，目的是為在日后井況發生變化時方便調節，因此大口徑節流閥普遍存在于油氣田的初期應用中，這樣就為天然氣開采中節流閥的早期失效埋下隱患。

對于籠套式節流閥，流體在節流前后的過程可視為流體經過一個小孔的節流過程。以中原油田普光氣田某生產井為例：前期預估天然氣產量40×104～100×104m3/d，井口關井壓力為35～45 MPa，井口流動溫度為40～61 ℃，連接天然氣輸送管道壓力約為10 MPa。取流量系數α=0.65，p1=45 MPa，p2=10 MPa，Q=100×104m3/d，ρ=0.67 kg/m3，計算得通流孔徑d=47.1 mm，即在該預估工況下，籠套式節流閥可選擇2#閥芯；在實際生產中該生產井的產量為30×104m3/d，實際關井壓力為45 MPa，重新計算得到通流孔徑d=25.8 mm，即在該實際工況下，籠套式節流閥可選擇1#閥芯。

3 節流閥閥芯流場的有限元分析

3.1 建立模型

為進一步研究在生產井口工況確定的情況下，閥芯尺寸對籠套式節流閥使用性能和壽命的影響，本文對3種不同尺寸的閥芯進行流場分析，即，最大節流通徑為?25.4 mm (1 英寸)、?38.1 mm(1.5英寸)和?50.8 mm(2英寸)3種閥芯，其結構如圖3所示。

a 最大節流通徑?25.4 mm (1 英寸)

b 最大節流通徑?38.1 mm(1.5英寸)

c 最大節流通徑?50.8 mm(2英寸)

為研究籠套式節流閥在流量一定時，流體對不同尺寸閥芯的沖損情況，假設最大節流通徑?25.4 mm (1 英寸)閥芯的節流開度為全開(100%)(以下稱為Ⅰ號閥芯)，為保證流量相同，最大節流通徑?38.1 mm(1.5英寸)閥芯的節流開度為44.4%(以下稱為Ⅱ號閥芯)，最大節流通徑?50.8 mm(2英寸)閥芯的節流開度為25%(以下稱為Ⅲ號閥芯)，分別建立3種尺寸閥芯內部流體的幾何模型，如圖4所示。

a Ⅰ號閥芯(節流開度100%)

b Ⅱ號閥芯(節流開度44.4%)

c Ⅲ號閥芯(節流開度2.5%)

將建立的幾何模型分別導入ICEM-CFD前處理器建立有限元模型，并對其進行網格劃分。按照局部網格劃分加密的原則，對節流閥芯小孔部位，按照大、中、小不同的孔徑將流體模型進行適當的網格加密，如圖5所示。

圖5 3種尺寸閥芯內部流體的有限元模型

在實際生產中，通過節流閥的高壓、高流量天然氣中含有部分固態或液態狀雜質，這些雜質會隨高速氣流運動對閥芯造成沖擊，由于天然氣為主要影響源，為便于分析作如下假設：

1) 不考慮重力影響。

2) 整個流場為可逆絕熱系統。

3) 氣體為單相流，不考慮天然氣中雜質的影響。

4) 節流過程為穩定流動。

5) 節流過程無相態之間的轉化[8]。

在開采過程中，天然氣的流動是一種復雜的湍流流動，本文采用標準k-ε模型作為其封閉方程，得到流體在節流閥內流動所滿足的控制方程[9]。節流閥內的流體密度ρ=0.67 kg/m3，動力黏度μ=1.789×10-5Pa·s，質量流量Q=2.3 kg/s，比熱比γ=1.3，進口壓力為pi=45 MPa，流體溫度ti=60 ℃，進口湍流參數設定為進口湍流強度和水力直徑；出口假設所有變量的擴散通量為零，背壓為po=0 MPa，目標質量流量為Qo=2.3 kg/s，流體溫度to=30 ℃。其中：①湍流強度T=0.16Re-1/8，其中Re為雷諾數；對高雷諾數的計算，湍流強度在1%～5%，本文為高雷諾數計算，取湍流強度T=5%；②水力直徑分別對應進、出口直徑，進口取Di=0.078 m，出口取Do=0.050 8 m。

3.2 流場分析結果

采用Fluent軟件對節流閥內部流場進行仿真分析，可得出閥芯尺寸、節流開度對閥芯的速度場和壓力場的影響。

3.2.1 速度場

圖6為3種不同尺寸閥芯內部流體的速度場云圖，由圖可看出，流體的最高速度都出現在節流閥閥芯節流孔處。

a Ⅰ號閥芯(節流開度100%)

b Ⅱ號閥芯(節流開度44.4%)

c Ⅲ號閥芯(節流開度25%)

為進一步分析流速對閥芯的影響，從處理結果中提取了節流孔處的流速矢量圖，如圖7所示，流體的最高速度都出現在節流閥閥芯節流孔處。

圖7 不同尺寸閥芯的節流孔處流速矢量圖

提取3種不同尺寸閥芯節流孔處的速度，并將閥芯的節流孔按照大、中、小不同孔徑區分開，如表1。

從表1可以看出，在節流開度不同，確保流量相同的情況下，Ⅰ號節流閥內通過流體的最大流速最小，Ⅲ號節流閥內通過流體的最大流速最大。對比3種不同尺寸的閥芯的流體速度可知，Ⅰ號節流閥芯的大、中、小孔通過流體的速度比較均衡，而Ⅱ號和Ⅲ號節流閥芯大、中、小孔通過流體的速度相差較大。對于同種材料的閥芯，Ⅱ號和Ⅲ號閥芯的小孔部位會先于其他部位損壞，進而影響籠套式節流閥的使用壽命。Ⅰ號閥芯各孔通過流體速度相當，最大化地延長籠套式節流閥的使用壽命，是比較理想的使用情況。對比3種情況下的節流開度，開度越大，節流閥各孔速度分布越趨向均衡。因此，建議在籠套式節流閥使用時，在滿足工作流量要求的前提下，應保證其開度盡可能大，可以通過減小最大口徑來實現。

表1 節流閥內流體相應的速度參數

3.2.2 壓力場

流體在經過節流閥芯的節流孔后會形成渦流，導致閥芯后端產生一定的負壓[10]。為研究流體壓力對閥芯性能的影響，從處理結果中提取了節流閥內部流體的壓力場進行分析，高壓天然氣經過節流孔后出現了比較明顯的壓降，表2列出了3種節流閥閥芯內部的壓力數據。

表2 不同尺寸閥芯的內部流體壓力參數

從表2中壓力數據可知，Ⅰ號節流閥芯的負壓值最小，Ⅱ號和Ⅲ號節流閥芯的負壓值都比較大。在結構設計時，應考慮閥芯出口端的引導角，減小渦流對節流閥的沖損。

綜上所述，在前文設定的實際工況下，籠套式節流閥選擇Ⅰ號閥芯是較為合理的。

3 結論

1) 根據生產流量與壓力值的關系計算出節流閥閥芯的大概尺寸。在此基礎上，通過有限元軟件分析了閥芯尺寸、節流開度對閥芯的速度場和壓力場的影響，兩種方式得出相同結論。按照分析結果更換閥芯尺寸后，節流閥在油田現場使用良好。塔里木油田克拉作業區使用的籠套式節流閥實際最大節流口徑減小后使用良好，使用壽命有了較大提升；中原油田普光氣田主體工程節流閥最大節流口徑從50.8 mm減小到25.4 mm，經長期生產沒有出現早期失效的現象。

2) 據此推薦籠套式節流閥閥芯的選型方法：應盡量讓節流閥在較大開度上工作，當實際工況發生變化時，應通過實際壓力、流量和期望的壓差來估算過流面積和閥芯尺寸，選擇較為合理的閥芯尺寸；也可根據預估值選取幾種相對接近的閥芯尺寸進行模擬仿真，進一步確定適當尺寸。

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Study on Valve Core Size and Opening Degree of Sleeve Choke Used in Gas Production

FENG Sujing，ZHANG Jianquan，WANG Pei，JIN Zuguo，LI Yidong

(ShanghaiShenkaiPetroleumEquipmentCo.，Ltd.，Shanghai201114，China)

Sleeve choke has multi-holes in its valve core，so it can improve the distribution of high-speed & high-pressure natural gas stream through the choke.Sleeve choke is widely used in gas production wells for reducing vibration and noise when gas stream passes.In this paper，occurrence and theory of choke valve’s failure are summarized，a recommended size of valve core is calculated according to the relationship formula of gas flow rate and pressure value，the influences of valve core size and opening degree on velocity field and pressure field of valve core when gas flow rate is fixed，are analyzed by FEA based on the recommended valve core size.The two methods give out the similar conclusion，so the study can effectively guide the selection of core size.

sleeve choke；valve core；erosion；opening degree；FEA

1001-3482(2017)01-0048-06

2016-07-20 作者簡介：馮素敬(1984-)，女，河北保定人，工程師，主要從事陸地及海洋油氣鉆采設備的研發和制造工作，E-mail：fsj10@163.com。

TE933.9

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.012