水下井口節流閥優化設計及應用

余朋偉，劉戰鋒，吳小雄，孔 瑞，王 偉，李同春，李瑞東

(1.西安石油大學，西安 710065；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；3.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

水下井口節流閥優化設計及應用

余朋偉1，2，3，劉戰鋒1，吳小雄2，3，孔 瑞3，王 偉3，李同春3，李瑞東3

(1.西安石油大學，西安 710065；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；3.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

隨著海洋石油裝備的發展，對井口節流閥的要求越來越高。井口節流閥在水下作業過程中，不僅要抵擋流體磨損和酸性介質的沖蝕作用對產品帶來的損壞，而且需要保證產品的可靠性和使用壽命。分析了常規節流閥失效的原因，提出了新的閥芯優化方案。在進行性能參數計算和基于CFD的流場分析后，關鍵部件選用新的防腐耐磨材料，并對優化后的閥芯進行了工業測試。結果表明，新型節流閥閥芯性能良好，壽命更長，成本更低，能有效地滿足深水作業需求。

水下井口；節流閥；閥芯；沖蝕；CFD

在油井作業過程中，存在井口高壓、井中含侵蝕性流體、夾帶砂粒以及其它深井雜質等復雜工況，使井口節流閥的性能迅速降低，頻繁更換或維修節流閥的傳統做法已無法滿足作業需求。隨著油氣開發從大陸轉向淺海乃至深海，對井口節流閥的防腐和周期內可靠性等提出了更高的要求。目前，國內節流閥閥芯大多數采用碳化鎢涂層工藝來增加其抗高壓流體沖蝕的性能，存在制造工藝困難，成品率低的問題；且傳統結構的閥芯結構在高壓環境中閥門開啟會產生較大流體沖蝕，多次開關后碳化鎢涂層容易脫落，造成閥芯密封失效。美國CCI公司、美國T3能源服務有限公司和加拿大MASTER FLO公司的井口節流閥性能優良，技術先進。 CCI公司最新研制的100DPC DRAD型井口節流閥，采用速度控制技術和高等級材料相結合，通過控制流體和固體顆粒速度，消除了流速過高引起的閥芯及閥體侵蝕、噪聲、振動和控制失效等問題，壽命比常規節流閥平均高出5倍[1-7]。筆者在傳統井口節流閥的基礎上，提出了新的閥芯解決方案，并進行了計算分析和試驗研究。

1 技術分析

1.1 常規節流閥

常規井口節流閥閥芯結構通常采用針型、孔式型、柱塞型3種結構，如圖1所示。圖1中深色區域表示磨損區。

這3種閥芯的壽命較低，內部受沖蝕較大，陸地上使用時失效案例很多，如圖2所示。失效的主要原因為：①常規井口節流閥閥芯的材料問題。閥芯材料通常采用碳化鎢涂層來提高閥芯抗沖蝕能力，但碳化鎢噴涂工藝水平還比較低，在多次高壓開合作業后出現涂層掉落，從而快速加劇磨損區域沖蝕，產生缺陷導致開合失效，嚴重時還會產生安全事故；②常規的閥芯流道結構對流體的降速能力不夠，導致閥芯在開啟初段流體對閥芯沖蝕速度過大，加快閥芯內件的磨損。

圖2 失效案例

1.2 籠套式閥芯結構

籠套式閥芯結構由滑套座、固定套筒、滑動套筒、內籠套、底座固定環、底座密封總成等組成，如圖3所示。工作時，高速流體進入籠套中央后自相撞擊，從而使能量消散；滑動套筒還可以將撞擊的流體向上引導，遠離出口，從而進一步釋放流體中的能量。由于流體運動到出口之前能量已經釋放，閥體的出口受到保護，不會磨損；同時，固定套筒將閥門主體和流體分離，從而進一步保護閥體不受磨損。這種控制和吸納功能使得該閥芯特別適用于高壓、高壓降及惡劣的液體和氣體環境中使用。

籠套式閥芯設計在使用過程中具有很好的關閉性能。流入的液體通過滑動套筒邊緣的角度折射，使其遠離內籠套底面，避免閥芯磨損。該閥芯可通過2對(或數對)噴嘴達到高精度的控制。較小的下部端口提供最初15%的控制范圍；較大的上部端口提供整體的控制，在整個運行范圍內實現最大的控制能力。

1—滑套座；2—固定套筒；3—滑動套筒；4—內籠套；5—底座固定環；6—底座密封總成。圖3 籠套式閥芯結構原理

1.2.2 計算分析

1) 節流閥流量系數CV。

該系數反映節流閥中流體的流通能力。

溫度在0～60 ℃時，節流閥流量系數CV為

2000年后，在食品加工過程中，補充某些原料中缺乏的營養素或特殊成份，開始成為食品企業逐漸重視的環節。

(1)

式中：Q為最大流量，m3/h；Gg為流體密度，kg/m3；p1為進口絕對壓力，Pa；p2為出口絕對壓力，Pa。

通過試驗，用傳感器測得流道內進、出口壓力和流量，計算出流量系數CV值，并繪制曲線。如圖4所示。

圖4 流量系數與閥門開度關系曲線

由圖4可以看出，該閥芯可提供等百分比的流量特性，閥芯具有較高的流通性。由于閥芯實現了流體速度整體控制，消除了局部高流速，減少了流向突變，從而降低閥體和部件的沖蝕。隨閥門開度的變化，壓力平穩上升，使閥桿等受力件隨開度的增加而壓力平穩，最大程度地減少了紊流和噪聲。曲線中較低部分的漸進式反應為關閉位置提供高控制精度，較高部分可以看出閥芯的整體容量，其高調節比使控制能力最大化。

2) 節流閥壓力恢復指數。

流體在受到抑制達到穩定之前壓力先下降的趨勢叫做頸縮效應。壓力下降值與壓力入口值之比為流體壓力恢復指數，該參數反映閥內流體的穩定性，直接影響節流閥使用壽命。值越大，則頸縮效應越小，內壁氣液沖蝕就越小，噪聲也越小，流通性就越好。與常規的3種閥芯對比，籠套式閥芯在整個控制開度內具有很高的值，明顯優于傳統閥芯。如圖5所示。

圖5 壓力恢復指數曲線

3) 流體分析。

假設持續供給應力為60MPa，在CFD環境下，籠套式閥芯和柱塞式閥芯在相同開度下的流場速度矢量如圖6所示。模型簡化后進行計算，得出籠套式閥芯內最大流速為76.5m/s，而柱塞式閥芯內最大流速為98.6m/s。籠套式閥芯結構對流體速度的緩和能力明顯優于傳統柱塞式閥芯。

圖6 流場速度矢量

1.3 新型節流閥

新型節流閥結構如圖7所示。節流閥閥芯采用了多孔籠套式結構，閥芯關鍵零件材料選用5CB，并具有深海執行控制機構。

1—閥體；2—下耐磨套；3—閥體密封；4—耐磨套；5—閥芯支撐；6—底座固定套筒密封總成；7—內籠套；8—固定套筒；9—滑動套筒；10—套筒座；11—閥桿；12—閥桿密封；13—閥蓋。圖7 新型節流閥結構示意

1.3.1 多孔籠套閥芯結構

針對水下采油樹應用在深水、高壓降流量的場合，閥芯采用多孔籠套式結構。內籠套設置大小不同，周向對稱，軸向排列的過流孔，將壓力抑制在多個小孔的對沖抵消上。通過初始高速流分解到不同方向，在內部形成渦流相互抵消，不僅大幅降低了閥芯內流速，也增加了整個節流閥對流量控制的精度，降低氣蝕，侵蝕和噪聲的產生。閥芯內籠套使用閥芯支撐和固定套筒固定，安裝閥門時可以輕松地將這些零件與固定套筒對中，各閥芯部件可以一起從閥體上拆下，不需要特殊工具，便于檢修。

1.3.2 閥芯材料

閥芯零部件是閥門的核心，決定閥門的性能，對于高壓降含硫化氫的海洋生產作業，材料在解決流體高速和高侵蝕問題中顯得至關重要。新研制的閥芯內籠套，固定套筒和滑動套筒均采用進口的5CB材料，替代了傳統的碳化鎢涂層。5CB材料是一種含5 %復合黏結碳化鎢合金，使用鈷、鎳、鉻等粘結劑來提高碳化鎢等級，能夠在抗磨損、抗腐蝕和抗沖擊3方面優化零件的材料性能，從而進一步提高閥芯壽命[9-11]。

1.3.3 深海執行控制機構

新型節流閥執行機構中閥桿及閥芯采用導向設計，保證良好的對中性；滑動套筒和套筒座獨特的壓力平衡流道設計使螺桿載荷降到最低。為了滿足海上鉆井平臺上的使用環境，采用了雙作用液動活塞執行器，該執行器使用特殊的密封方法與周圍環境隔離開來，防止受到腐蝕。節流閥在液壓作用下進行步進打開或關閉，實現精準控制開度；執行器內部彈簧可以在液動和電信號消失的時候提供故障關閉功能；同時也配置有ROV手動開合接口，以備ROV隨時打開或關閉閥門。

2 試驗

2.1 廠內泥漿磨損和腐蝕性測試

為了驗證產品的閥芯材料性能和結構可靠性，2016-06，在完成水下臥式采油樹國家項目試驗時，對該新型節流閥進行了泥漿磨損和腐蝕性試驗。

泥漿磨損試驗采取1%含砂泥漿進行循環，循環中調節進口壓力為30MPa，調節開度至流量 7.7L/s，閥內最高流速78m/s，且每小時開關3次，測試過程中每次關閉后密封正常。26h后測得磨損量為2.25g，優于國外某品牌的6%Co閥芯材料等效計算損耗4.35g。同時在該磨損工況下對柱塞型閥芯進行了磨損測試。磨損試驗對比如圖8所示。

圖8 磨損試驗對比

腐蝕性試驗：50℃環境下，籠套式閥芯浸泡在10%HCl、H2S和CO2溶液中，浸泡時間7d。經計算其平均腐蝕速率為每天0.348mg/cm2，優于國外某品牌6%Co閥芯材料的0.594mg/cm2。

2.2 水下試驗準備

該節流閥已應用于ST5×2-10M水下臥式采油樹項目，產品執行標準為ISO13628—4/API17D，節流閥工作溫度-29～121 ℃，額定工作壓力69MPa，作業水深1 500m。現已經完成組裝和出廠試驗，隨后即將海試，進一步驗證新型節流閥在深水環境的可靠性。

3 結論

1) 新型節流閥的籠套式閥芯結構可以使高速流體介質在閥芯內互相撞擊，抵消動能，降低流速，從而降低閥芯磨損；外部套筒設計使閥門開啟初段噴射出的高速介質向上運動并在閥芯內發生撞擊，遠離閥體和出口，對閥體密封實現有效保護，提高了產品壽命。

2) 采用獨有的碳化鎢合金配方材料的閥芯關鍵零部件保證閥門的良好性能，閥門壽命更長，成本更低，從而降低運行成本，減少停車時間，保證了深水作業的生產周期內可靠性。

3) 深水作業存在眾多復雜因素，節流閥控制和執行機構的可靠性和穩定性也至關重要，需要通過多次水下試驗來檢驗各項能力，為進一步改進和優化產品提供依據。

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Optimization Design and Application of Subsea Surface Chokes

YU Pengwei1，2，3，LIU Zhanfeng1，WU Xiaoxiong2，3，KONG Rui3，WANG wei3，LI Tongchun3，LI Ruidong3

(1.Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China；2.CNPC Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；3.National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center，Baoji 721002，China)

With the development of deep-water oil equipment，requirements are increasingly high on the subsea surface chokes，not only to withstand the wearing of the media flow rate and the erosion of the product damage，but also the need to ensure product reliability and service life in the work process.The reasons for the failure of the conventional in the work process are analyzed and a new valve spool scheme is put forward.After the calculation of the parameters and the fluid field analysis based on CFD，a new anticorrosion and wear resistant material is selected for the key components.The valve spool program was produced after industrial testing.The results show that the new type of choke has a good performance，longer life and lower life cycle cost，also can meet the requirements of conventional deep water operations.

subsea wellhead；chokes；valve spool；erosion；CFD

1001-3482(2017)04-0061-05

2017-01-03

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目“水下臥式采油樹系統研制”(2012AA09A204)

余朋偉(1988-)，男，工程師，碩士研究生，現從事鉆井裝備設計及工藝工作，E-mail：yupengwi1988@126.com。

TE

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.015