新型高壓平板閥防砂性能試驗研究

殷偉偉，鄒 勇，常和林，秦志堅，袁惠新

1江蘇金石機械集團有限公司 2常州大學機械工程學院

0 引言

高壓平板閥是石油、化工、各種低溫工程及海洋采油等流體輸送系統中的控制元件[1]。隨著油田開發的深入，高含砂井的出現以及油田壓裂作業[2-5]的增加，粗細不均勻的砂礫填充閥座和閥體之間的間隙，增加閥門開關力矩，甚至會出現閥門無法正常開關的情況，同時長時間的使用易破壞閥門的密封性能，導致閥門泄漏，降低閥門使用壽命。如今關于高壓平板閥方面的研究很多，例如，鄭泳、張川等[6]運用有限元分析與理論分析相結合的方法對高壓平板閥內部閥板、閥座結構進行改進；申會芹[7]對高壓采氣井口平板閥密封結構進行了理論和試驗的研究；車強、池勝高等[8]通過對閥座密封結構以及工藝方法的研究，對水下平板閥閥座密封可靠性及穩定性進行了分析。本文以江蘇金石機械集團有限公司按API6A標準設計[9-10]的新型高壓平板閥為分析對象，運用試驗研究的方法，對新型高壓平板閥的防砂性能進行研究。

1 新型高壓平板閥防砂結構及設計原理

新型高壓平板閥基本結構如圖1所示。

圖1 新型高壓平板閥結構示意圖

新型高壓平板閥采用閥前密封的形式，與傳統閥前密封的平板閥主要區別在于閥座位置的結構設計[11]。傳統閥座總成如圖1中傳統閥座總成局部放大圖所示,波形彈簧變形產生的預緊力是實現閥板與閥座初始密封的關鍵，“O”型密封圈實現閥體與閥座之間的密封；防砂閥座總成如圖1中防砂閥座總成局部放大圖所示。傳統閥座總成雖避免了攜帶砂礫的流體進入到閥門中腔這一弊端，但傳統閥座總成不管是在開啟還是關閉的狀態下，閥座與閥體之間的間隙始終存在，介質中的砂礫易沉積在閥體與閥座的間隙中，長時間使用后，容易導致閥門開關卡阻。防砂閥座總成相對于傳統閥座總成，增加了防砂擋圈及防砂“O”型圈的設計，在原有基礎上使閥門具備防砂功能。

2 新型高壓平板閥防砂性能試驗方法

2.1 試驗裝置、介質及前期準備

試驗以油田現場壓裂砂與黃油進行混合作為試驗模擬介質，壓裂砂顆粒通過馬爾文激光粒度分析儀得出顆粒粒徑大小在10～400 μm，平均粒徑107.6 μm。為防止水密封試驗裝置中壓力源介質(水)與試驗介質混合，使用金屬塞將兩者分隔開。

2.2 高壓平板閥防砂性能試驗方法

試驗步驟如下：①在不加入試驗介質的前提下，對閥門進行密封及開關試驗，保證閥門在壓砂試驗前密封良好和開關正常；②將閥門調整至打開或關閉狀態，并安裝盲法蘭；③由閥門左側加入足量試驗介質(壓裂砂和黃油)，并用棒槌壓實；④裝入金屬塞，安裝試驗法蘭(如圖2或圖3所示)；⑤由壓力入口打壓105 MPa,穩壓1 min，并重復打壓5次或10次，最后一次穩壓10 min，卸壓后，檢查閥門開關是否順暢；⑥拆卸試驗法蘭及盲法蘭；⑦從閥門中取出金屬塞和試驗介質；⑧開關閥門，再次檢查閥門開關是否順暢；⑨拆卸閥門，取出閥板閥座、檢查閥門各關鍵位置的進砂情況。

圖2 閥門打開狀態試驗圖

圖3 閥門關閉狀態試驗圖

3 新型高壓平板閥防砂性能試驗結果分析

在單次試驗過程中，由于閥門左右兩側閥座結構始終保持完全相同，其防砂性能也會完全相同，所以在以后的結果分析中，本文只對左側閥座(上游閥座)的防砂試驗結果進行分析。

3.1 傳統閥座總成在閥開狀態下壓砂試驗

在閥門開啟的狀態下，經過 5次打壓以后，閥門開關出現卡阻；試驗完成取出金屬塞和試驗介質以后，閥門開關卡阻現象無改善。閥門拆卸時閥板無法正常取出，需通過敲擊取出；將打壓次數調整為10次，閥門卡阻現象加重；拆卸檢查發現閥體和閥座背面有較多壓裂砂(如圖4所示)。試驗過程中，波形彈簧的預緊力使閥座貼向閥板，閥座與閥體之間產生間隙。同時由于入口壓力的作用，將壓裂砂擠壓入閥體與兩閥座的間隙中，此間隙小且深，壓裂砂在進入間隙以后很難再被擠出，當間隙被填滿后，波形彈簧位置的空間也同樣被壓裂砂填滿，閥座被卡死，使得兩閥座密封面與閥板密封面貼合更緊密，閥門在無試驗壓力情況下開關出現卡阻。重復打壓次數越多，間隙中的壓裂砂填充得越實，壓裂砂對于閥座的作用力增大，兩閥座密封面對閥板密封面的作用力也會相應增大，閥門開關卡阻現象也會越嚴重。在取出金屬塞和試驗介質以后，間隙中的壓裂砂無法清理出來，這也導致閥門卡阻現象得不到改善。現場使用過程中，此間隙的特點決定了壓裂砂很難被流體沖刷帶走，反而會因為間隙小且深的原因，壓裂砂容易沉積其中，使得閥門在長時間使用后出現開關卡阻現象。

圖4 閥體及傳統閥座總成進砂情況圖實物圖(閥門開啟狀態)

3.2 防砂閥座總成閥開狀態壓砂試驗

在閥門開啟的狀態下，經過5次和10次打壓以后，閥門均未出現卡阻現象；取出金屬塞和試驗介質以后，閥門開關正常；閥門拆卸檢查，閥板可以輕松取出；閥體和閥座背面未見壓裂砂，防砂閥座波形彈簧位置有較多壓裂砂(如圖5所示)。試驗過程中，波形彈簧的預緊力同時實現閥座與閥板、防砂擋圈與閥體之間的緊密接觸，在入口進入壓力以后，防砂擋圈避免了壓裂砂由擋圈前側進入閥體與閥座的間隙，防砂“O”型圈避免了壓裂砂由擋圈后側進入閥體與閥座的間隙，切斷了壓裂砂進入閥座與閥體間隙的通道。而波形彈簧位置雖有較多壓裂砂，但由于此處空間較大，同時緊靠流道，在拆卸過程中，壓裂砂很容易被清理出來。同樣在使用時流體流動很容易帶走此處砂礫，壓裂砂不易沉積，使得閥門在長時間使用后不會出現卡阻現象。

圖5 閥體及防砂閥座總成進砂情況實物圖(閥門開啟狀態)

3.3 傳統閥座總成閥關狀態壓砂試驗

在閥門關閉狀態下的試驗現象和結果，與閥門開啟時的試驗現象和結果基本一致，但相對開啟狀態下，閥門在關閉狀態下壓砂試驗更容易出現卡阻，拆卸檢查發現閥體和閥座背面壓裂砂更多(如圖6所示)。由于閥門處于關閉狀態，入口壓力作用，使得左側閥座推動閥板向右側移動，左側閥座與閥體間的間隙進一步增大，更有利于壓裂砂進入到間隙，同時一些較大粒徑的壓裂砂進入間隙以后更容易造成閥門開關卡阻。在現場使用過程中，閥門關閉后，流體處于靜止狀態，受重力作用，部分泥沙會沉降在閥座與閥體的間隙中，閥門開啟后又無法通過流體流動將間隙中的砂礫帶走，閥門經過長時間的重復開關，此間隙中沉積的砂礫也會越來越多，直至閥門無法正常開關。

圖6 閥體及傳統閥座總成進砂情況實物圖(閥門關閉狀態)

3.4 防砂閥座總成閥關狀態壓砂試驗

在閥門關閉狀態下的試驗現象和結果，與閥門開啟時的試驗現象和結果一致，閥體和閥座背面未見壓裂砂，防砂閥座波形彈簧位置有較多壓裂砂(如圖7所示)。

圖7 閥體及防砂閥座總成進砂情況實物圖(閥門關閉狀態)

閥門在關閉狀態下，雖然入口壓力作用使得左側閥座推動閥板向右側移動，左側閥座與閥體之間的間隙加大，但由于波形彈簧預緊力、防砂擋圈以及防砂“O”型圈的共同作用，切斷了壓裂砂進入閥座與閥體間隙的通道。而聚集在波形彈簧位置的壓裂砂很容易被清理，在使用過程中也極易被流體流動帶走，所以閥門不易導致開關卡阻。

4 結論

(1)通過優化高壓平板閥閥座結構，增加防砂結構，解決了閥門在高含砂井口和壓裂作業時閥門出現的開關力矩增大或開關卡阻這一難題，減少現場閥門故障的發生，延長閥門使用壽命。

(2)傳統閥座結構和防砂閥座結構對比試驗表明，防砂閥座結構能夠有效的切斷砂礫進入閥體與閥座間隙的通道，從而避免閥門力矩增大和卡阻現象的發生；同時打壓次數的增加，對防砂閥座結構的閥門開關未有影響，間接的反映了防砂閥座結構的高壓平板閥在長時間使用后，依舊能具備非常良好的防砂性能。

(3)防砂閥座結構的高壓平板閥已較長時間使用于順北、塔河、江漢油田，原先出現的閥門開關力矩增大或卡阻現象明顯減少，閥門維修頻率減少，使用壽命增加，防砂效果明顯。