頁巖氣壓裂用超高壓閥門的設計計算

李人望 劉旭輝

摘 要：文章主要介紹頁巖氣壓裂用超高壓20000PSI閥門的設計，從設計標準、產品應用及理論計算上逐步闡述設計的要點，使相關設計人員對產品的設計有一定的認識，為其提供設計參考。

關鍵詞：頁巖氣；閥門；20000PSI；設計計算

中圖分類號：TE37 文獻標志碼：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用于頁巖氣壓裂施工作業的井口裝置設備上，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。相關行業規范API 6A和GB 25513上的具體規定有限，不足以指導產品實際設計，本文從結構、材料、計算上分別予以重點講述。

1 結構

閥門的內外部結構見圖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備規范》，懸掛器的材料需要符合規范要求，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。

除標準之外，通常在壓裂作業時，需要進行酸化作業。強酸作業不屬于上述標準，根據現場使用經驗及為了加強使用壽命，材料的選用修改為：本體關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行超音速噴涂碳化鎢硬質合金，并作表面拋光處理；閥桿及尾桿選用318雙相不銹鋼，以保證強度的同時保證強耐腐蝕性。

3 設計計算

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AISI 4130，屈服強度75K；閥板材質為馬氏體不銹鋼 AISI 410ss，屈服強度75K。

閥門的設計計算，最主要的是下列項次：

（1）密封面寬度確認；

（2）閥板厚度校核；

（3）閥體強度校核；

（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型接頭強度校核；

（7）閥桿細長比驗算；

（8）液壓缸內徑及強度校核；

（9）液壓缸缸蓋厚度計算及連接螺柱強度校核；

（10）中法蘭螺栓強度校核；

（11）閥蓋厚度校核。

本文章僅挑選閥板厚度及閥體強度進行計算展示，具體計算步驟如下：

3.1 閥板厚度計算

閥板的材質為AISI 410，金屬密封面噴涂碳化鎢，結構為平行密封面。抗拉強度為：？滓b？叟655MPa；屈服強度為：？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 閥體強度計算

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

根據API 6A《井口裝置和采油樹設備規范》要求，靜液壓試驗時的最大一次總體薄膜應力強度St為：

St=？滓y=×517=430.83MPa

根據API 6A《井口裝置和采油樹設備規范》要求，額定工作壓力下的設計一次薄膜應力強度Sm為：

St=？滓y=×517=344.67MPa

根據ASME Ⅷ《壓力容器建造規則》，總體一次薄膜應力強度為：

S/t=+=+=256.43

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

危險截面外內半徑之比：Y===2.35

根據ASME Ⅷ《壓力容器建造規則》，額定壓力下最大應力強度為：

總體一次薄膜計算應力和額定壓力下最大應力強度，均小于API6A規范規定的數值，殼體設計滿足要求。

4 結束語

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備。頁巖氣壓裂作業時，不同的施工方法，對閥門的要求不完全一樣，如酸化作業時，閥門的耐酸等級需要提升；叢井作業時，施工周期較長，閥門密封脂則應選擇高粘度，防凍性等。通過科學合理的設計，使產品更好的滿足現場使用要求。

參考文獻：

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