5 1/8—105 MPa新型防砂閘板閥的研制與應(yīng)用

楊瑋

文章編號(hào)：2095-6835（2017）10-0151-02

摘 要：為適應(yīng)高壓高含砂作業(yè)工況的需求，研制了105 MPa新型防砂閘板閥。該型防砂閘閥采用雙閥座密封結(jié)構(gòu)，設(shè)置防砂擋板及防砂隔環(huán)，能有效阻止高壓介質(zhì)中的砂礫進(jìn)入閥腔，保護(hù)了密封面，延長(zhǎng)了閘閥的使用壽命，可靠性高，降低了使用成本，能較好地滿足各類高含砂作業(yè)工況的需求。

關(guān)鍵詞：高含砂；防砂閘閥；雙閥座結(jié)構(gòu)；浮動(dòng)密封

中圖分類號(hào)：TE358+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.151

閘板閥在石油或天然氣鉆井、壓裂、試油試氣等作業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。在含砂量較大的施工作業(yè)中，常規(guī)閘板閥容易產(chǎn)生密封失效，砂礫進(jìn)入閥體腔中造成閥腔沉砂，增加了閥門(mén)維護(hù)頻率，降低了閥門(mén)的使用壽命，同時(shí)也嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和作業(yè)安全。閥腔進(jìn)砂是導(dǎo)致閘板閥關(guān)閉失效的主要原因，多發(fā)生于閘板閥關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，砂礫由閘板和閥座之間的間隙進(jìn)入閥腔，并堆積在閥腔底部，再次關(guān)閉時(shí)，閥板不能完全關(guān)閉，在高壓、高速、高沖蝕性流體通過(guò)時(shí)，形成孔徑節(jié)流效應(yīng)，造成閥座和閥板的快速?zèng)_蝕磨損，致使閥門(mén)密封失效。

為解決閘板閥密封失效及閥體腔塵砂問(wèn)題，延長(zhǎng)閘板閥的使用壽命，降低使用成本，保障施工安全，第四石油機(jī)械廠自主研制出了5 1/8-105 MPa等系列防砂閘板閥。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該型防砂閥主要由齒輪箱，軸承，閥桿，閥板，內(nèi)、外閥座，防紗隔環(huán)，擋砂板和閥體等部件組成。齒輪箱與閥桿之間通過(guò)螺紋傳動(dòng)，閥桿帶動(dòng)閥板上提或下放，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)。齒輪箱的使用使閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)比較省力。其中，內(nèi)、外閥座的自密封結(jié)構(gòu)，閥座與閥板之間的金屬浮動(dòng)密封，閥座與閥體之間的雙道密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該閥門(mén)防砂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.2 技術(shù)參數(shù)

該型防砂閥的主要技術(shù)參數(shù)如下：

額度工作壓力：15 000 psi（105 MPa）；

試驗(yàn)壓力：22 500 psi（158 MPa）；

公稱通徑：5 1/8（78 mm）；

性能等級(jí)：PR1；

產(chǎn)品規(guī)范等級(jí)：PSL3；

溫度級(jí)別：PU；

驅(qū)動(dòng)形式：暗桿手動(dòng)（齒輪箱式）；

端部連接形式：BX154 API 6A。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

閥板采用工作面平行設(shè)計(jì)，噴焊WC后拋光，閥板和閥桿之間通過(guò)燕尾槽連接，如圖2所示，使閥板能沿著導(dǎo)向方向左右平移，即實(shí)現(xiàn)閥板的浮動(dòng)。閥板和閥體內(nèi)腔之間對(duì)稱裝有內(nèi)閥座（閥座1）和外閥座（閥座2），如圖3所示，內(nèi)、外閥座之間采用雙道O形密封圈密封，內(nèi)閥座和閥板之間為金屬面密封，外閥座與閥體之間采用端面密封和活塞密封結(jié)構(gòu)，增加密封可靠性。內(nèi)、外閥座之間設(shè)置金屬防砂隔環(huán)，阻止砂礫進(jìn)入內(nèi)、外閥座之間的間隙，避免損壞閥座密封面。

裝有內(nèi)、外閥座

閥座下設(shè)有防砂擋板，在閥板運(yùn)動(dòng)方向形成相對(duì)封閉的閥板腔，即使有少量砂礫進(jìn)入閥體下腔，該擋板也可阻止砂礫堆積在閥板下方，避免影響閥板行程而導(dǎo)致閘板關(guān)閉失效。

現(xiàn)將工作狀態(tài)作如下分析。

1.3.1 閥開(kāi)

閥板孔與閥座、閥體孔處于同軸心狀態(tài)時(shí)閥門(mén)處于開(kāi)的狀態(tài)，流體導(dǎo)通。當(dāng)高壓介質(zhì)進(jìn)入內(nèi)、外閥座之間后將內(nèi)、外閥座向相反方向撐開(kāi)，使外閥座壓緊閥體，內(nèi)閥座壓緊閥板，密封面被壓緊后可以達(dá)到較好的密封效果。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)入外閥座和內(nèi)閥座之間的介質(zhì)壓力使閥前密封比壓大于必須比壓，使高壓介質(zhì)不能進(jìn)入閥腔，有效地實(shí)現(xiàn)了閥前密封。該密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了可靠的密封效果，同時(shí)還阻止了介質(zhì)中的砂礫進(jìn)入密封面和閥腔，實(shí)現(xiàn)較好的防砂效果。圖4所示為閥開(kāi)狀態(tài)。

1.3.2 閥關(guān)

閥板向下運(yùn)動(dòng)，閥板堵塞閥座、閥體孔，流體隔斷，閥板在介質(zhì)壓力作用下向右浮動(dòng)，右側(cè)內(nèi)、外閥座在閥板的擠壓下完成密封，同時(shí)上游內(nèi)、外閥座在高壓介質(zhì)作用下往相反方向張開(kāi)，分別壓緊閥體、閥板，形成有效密封。閥板的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和上游內(nèi)、外閥座的閥前密封，保證了關(guān)閥狀態(tài)下的密封和防砂效果。圖5所示為閥關(guān)狀態(tài)。

2 工業(yè)應(yīng)用

2016-04，我廠試制的5 1/8-105 MPa防砂閘閥在廠內(nèi)完成了各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

2016-06，以該型防砂閥為主要組成部件的頁(yè)巖氣井工廠壓裂用分流管匯在涪陵焦石壩焦頁(yè)45號(hào)平臺(tái)投入試用，在該平臺(tái)完成4口井施工，累計(jì)作業(yè)78段，使用時(shí)間202 h，施工最高壓力91 MPa，累計(jì)泵注151 700 m3壓裂液，總砂量4 680 m3。使用過(guò)程中，未出現(xiàn)閥腔大量沉砂導(dǎo)致閥門(mén)密封失效的現(xiàn)象。拆開(kāi)后檢查，閥腔內(nèi)雖有少量砂礫，但不影響閥門(mén)的正常使用及密封。從使用效果來(lái)看，該型閥門(mén)性能優(yōu)越，密封結(jié)構(gòu)合理，防砂效果好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠適應(yīng)各類高壓高含砂油氣田作業(yè)工況。

3 結(jié)論

該型防砂閘板閥的研制成功，解決了油氣鉆采及壓裂作業(yè)中常規(guī)閘板閥維護(hù)頻率高、使用壽命短的難題，降低了生產(chǎn)成本，提高了施工的安全性，保障了生產(chǎn)順利進(jìn)行。同時(shí)，該型防砂閥可替代同型號(hào)進(jìn)口產(chǎn)品，縮短供貨、配件供應(yīng)和維修周期，為我國(guó)頁(yè)巖氣及其他油氣資源開(kāi)發(fā)提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1]牛永春，邵增元，陳志華.暗桿式平行閘板閥閥桿密封分析[J].科技資訊，2013（16）：78-79.

〔編輯：劉曉芳〕