頁巖氣壓裂用超高壓閥門的設(shè)計計算

李人望 劉旭輝

摘 要：文章主要介紹頁巖氣壓裂用超高壓20000PSI閥門的設(shè)計，從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品應(yīng)用及理論計算上逐步闡述設(shè)計的要點，使相關(guān)設(shè)計人員對產(chǎn)品的設(shè)計有一定的認(rèn)識，為其提供設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；閥門；20000PSI；設(shè)計計算

中圖分類號：TE37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0100-02

Abstract： This paper mainly introduces the design of super high pressure 20000PSI valve for shale gas pressure crack， and expounds the main points of design step by step from the design standard， product application and theoretical calculation， so that the related designers have a certain understanding of the product design and provide the design reference for it.

Keywords： shale gas； valve， 20000PSI； design calculation

超高壓大口徑閥門應(yīng)用于頁巖氣壓裂施工作業(yè)的井口裝置設(shè)備上，主要功能是連接壓裂油管頭與壓裂羊角頭，相比普通API 6A閥門，具有大口徑、耐超高壓、密封可靠的特點。相關(guān)行業(yè)規(guī)范API 6A和GB 25513上的具體規(guī)定有限，不足以指導(dǎo)產(chǎn)品實際設(shè)計，本文從結(jié)構(gòu)、材料、計算上分別予以重點講述。

1 結(jié)構(gòu)

閥門的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)見圖1，在井場的安裝位置見圖2：

1.液壓缸；2.閥蓋；3.閥桿；4.支撐板；5.閥體；6.閥座；

7.閥板；8.尾蓋；9.尾桿

2 材料

按照API 6A《井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》，懸掛器的材料需要符合規(guī)范要求，見圖1，對于DD/EE/FF/級別的懸掛器選擇材料時一定要考慮材料是否符合NACE MR0175的要求，碳鋼和低合金鋼要考慮硬度要求，不銹鋼需要考慮H2S分壓，比如：AISI 4140 110K低合金鋼不能用于DD級別，硬度超過了HRC22；17-4PH不銹鋼材料不能用于EE級別、H2S分壓超過1.5psi的場合。

除標(biāo)準(zhǔn)之外，通常在壓裂作業(yè)時，需要進(jìn)行酸化作業(yè)。強(qiáng)酸作業(yè)不屬于上述標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗及為了加強(qiáng)使用壽命，材料的選用修改為：本體關(guān)鍵密封部位堆焊鎳基Inconel 625耐腐合金，閥板及閥座的金屬密封面進(jìn)行超音速噴涂碳化鎢硬質(zhì)合金，并作表面拋光處理；閥桿及尾桿選用318雙相不銹鋼，以保證強(qiáng)度的同時保證強(qiáng)耐腐蝕性。

3 設(shè)計計算

5-1/8″ 20000PSI（138Mpa）液動平板閘閥，用于超高壓頁巖氣壓裂用，主要材料選用為：殼體材質(zhì)AISI 4130，屈服強(qiáng)度75K；閥板材質(zhì)為馬氏體不銹鋼 AISI 410ss，屈服強(qiáng)度75K。

閥門的設(shè)計計算，最主要的是下列項次：

（1）密封面寬度確認(rèn)；

（2）閥板厚度校核；

（3）閥體強(qiáng)度校核；

（4）閥桿有效直徑計算；

（5）閥桿螺紋校核；

（6）閥板及閥桿螺母T型接頭強(qiáng)度校核；

（7）閥桿細(xì)長比驗算；

（8）液壓缸內(nèi)徑及強(qiáng)度校核；

（9）液壓缸缸蓋厚度計算及連接螺柱強(qiáng)度校核；

（10）中法蘭螺栓強(qiáng)度校核；

（11）閥蓋厚度校核。

本文章僅挑選閥板厚度及閥體強(qiáng)度進(jìn)行計算展示，具體計算步驟如下：

3.1 閥板厚度計算

閥板的材質(zhì)為AISI 410，金屬密封面噴涂碳化鎢，結(jié)構(gòu)為平行密封面。抗拉強(qiáng)度為：？滓b？叟655MPa；屈服強(qiáng)度為：？滓s？叟517MPa；布式硬度：HB：207～235

閥板的計算厚度為：

DMP：密封面平均直徑，取162.98mm，設(shè)計給定；？自：泊松比，AISI 410為0.28，為材料屬性；P：工作壓力，138MPa （20000Psi）；〈？滓W〉：許用彎曲應(yīng)力〈？滓W〉==344.67Mpa；C： 腐蝕余量，取1mm

閥板的實際厚度SB為88.9mm，大計算厚度S/B，即閥板厚度符合要求。

3.2 閥體強(qiáng)度計算

閥體的材質(zhì)為AISI 4130，抗拉強(qiáng)度為：？滓b？叟655MPa；屈服強(qiáng)度為：？滓s？叟517MPa；布式硬度：HB：207～235；額定工作壓力：138Mpa；強(qiáng)度試壓壓力：207Mpa；

根據(jù)API 6A《井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》要求，靜液壓試驗時的最大一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度St為：

St=？滓y=×517=430.83MPa

根據(jù)API 6A《井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》要求，額定工作壓力下的設(shè)計一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度Sm為：

St=？滓y=×517=344.67MPa

根據(jù)ASME Ⅷ《壓力容器建造規(guī)則》，總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為：

S/t=+=+=256.43

其中：P為強(qiáng)度試驗壓力，取207Mpa，為設(shè)計給定；R為危險截面處殼體內(nèi)半徑，取157.4mm，為設(shè)計給定；t為危險截面處殼體厚度，取213.05mm，為設(shè)計給定。

危險截面外內(nèi)半徑之比：Y===2.35

根據(jù)ASME Ⅷ《壓力容器建造規(guī)則》，額定壓力下最大應(yīng)力強(qiáng)度為：

總體一次薄膜計算應(yīng)力和額定壓力下最大應(yīng)力強(qiáng)度，均小于API6A規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，殼體設(shè)計滿足要求。

4 結(jié)束語

超高壓大口徑閘閥是頁巖氣壓裂施工中不可或缺的重要設(shè)備。頁巖氣壓裂作業(yè)時，不同的施工方法，對閥門的要求不完全一樣，如酸化作業(yè)時，閥門的耐酸等級需要提升；叢井作業(yè)時，施工周期較長，閥門密封脂則應(yīng)選擇高粘度，防凍性等。通過科學(xué)合理的設(shè)計，使產(chǎn)品更好的滿足現(xiàn)場使用要求。

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