頁巖氣開采地面高壓節流閥閥芯設計研究*

黃 昊，徐 磊，曾學朋，劉 洋

（長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023）

在石油鉆采的過程中，井控設備的主要核心部件之一就是地面的節流管匯系統，而節流閥則是節流管匯系統的核心，具有控制井筒壓力的功能，可以有效防止井涌、井噴等安全事故的發生[1]。節流閥的種類非常多，其中楔形節流閥克服了常見節流閥的閥芯容易脫落和丟失的缺點，具有良好的線性作用，抗沖蝕性好。

隨著我國淺層優質油氣的逐步開采，深水油氣所在地區也開始成為我國油氣開發的重要地區，然而其壓力和環境特別復雜[2-3]。在安全生產中，井控節流閥的作用極為關鍵，在井下由于流體的沖蝕作用和高壓的影響，楔形節流閥的閥芯、閥座、閥體等很容易受到損壞，給鉆采工作帶來了很多不確定的危險因素，為了改善這些不良影響，需要對楔形節流閥的結構做出改進，以提高楔形節流閥的適用性、可靠性和安全性，保證節流閥的使用壽命和鉆井工作的安全。

1 理論分析

在工程中，根據失效判斷依據制定的強度準則[4]一般為

式中：σri稱為相當應力，i=1，3，4，分別對應第一強度理論、第三強度理論和第四強度理論，摩爾強度準則的相當應力用σrM表示；[σ]為許用應力。各種強度理論的相當應力的表達式分別為

式中：[σt]為材料的單向拉伸許用應力；[σc]為材料的單向壓縮許用應力。

由于閥芯為脆性材料，即拉伸應力對材料的破壞作用是引起材料失效的主要原因，因此該材料應以第一強度理論作為失效判斷依據。

2 閥桿的設計

2.1 閥桿與閥芯的連接方式

由于在節流閥的手輪轉動的時候，閥桿會隨之轉動，但是楔形節流閥的楔形面才具備節流的作用，因此在實際工作時，要確保閥桿轉動的時候閥芯不會轉動。

本文選擇的閥桿與閥芯連接方式為銷釘連接，在閥桿和閥芯的結合部位各鉆一個銷釘孔，然后在閥桿的銷釘孔部位內切一個環形槽，當裝配兩者時，將銷釘插入底。當閥桿旋轉向下時，會將向下的運動傳遞給閥芯；當閥桿旋轉向上時，閥芯會在銷釘的作用下上移，滿足工作要求。在實際運用中，由于高壓流體的沖蝕作用，閥桿容易受到磨損，因此在這里選用經過調質處理的2Cr13 作為材料。設計閥桿的長度為610 mm，頭部與閥芯連接處的尺寸最大，直徑為66 mm，閥桿的下部帶有梯形的傳動螺紋；由于閥桿較長，因此中間有一段為導向軸端，保證它的行為公差；頭部有一個插銷釘的孔，與閥芯連接的部分采用銷釘連接，拆裝方便，并且內部有一個環形槽可以使閥桿與閥芯相對轉動。圖1-a 和圖1-b 分別為閥桿二維結構圖和閥桿三維結構圖。

圖1 閥桿二維結構圖和三維結構圖

2.2 閥芯與閥桿的結構設計

本文研究的是楔形閥芯，其上部為一內含銷釘孔的圓筒，可以與閥桿的頭部相配合，在工作時更加穩定[5]。楔形閥芯的結構可以有效地引導流體沿著中軸線方向流動，保護了殼體壁不被沖蝕。為了防止閥芯受到流體的沖擊力而被破壞，選用強度很高的硬質合金YG8 作為材料。為了使閥芯與閥桿充分連接，由于已知閥桿頭部的最大外徑為66 mm，因此設計閥芯長為145 mm，最大外徑為66 mm。圖2-a 和圖2-b 分別為閥芯二維結構圖和閥芯三維結構圖。

圖2 閥芯二維結構圖和三維結構圖

3 閥芯與閥桿的有限元分析

由于閥芯與閥桿相連接，因此研究閥芯需要與閥桿裝配起來研究。首先，用SolidWorks 完成閥芯和閥桿的裝配；其次，選擇插件中的SolidWorks Simulation 功能，對裝配體進行網格劃分（見圖3）；然后，約束閥桿的螺紋處、中部大直徑處和閥芯的背面；最后，對閥芯的斜面施加105 MPa 的載荷（見圖4）。

圖3 閥芯與閥桿裝配體的網格劃分

圖4 施加約束和載荷

針對求解的結果圖像，將閥桿隱藏，單獨觀察閥芯的應力云圖和位移云圖，見圖5 和圖6。

圖5 閥芯的應力云圖

圖6 閥芯的位移云圖

由圖5、圖6 可知，閥芯的斜面處變形量最大，最大變形量為0.014 28 mm，此變形量并不大，滿足零件的最大變形量尺寸范圍：閥芯的最大應力發生在楔形截面的邊界處，最大應力為318.7 MPa，對于材料為YG8 的閥芯，許用應力[σ]=1 500 MPa，因此在105 MPa 的工作環境下，閥芯十分安全，滿足設計要求。

4 結論

經過上述閥芯與閥桿的結構設計和有限元分析，得到如下結論。

1） 設計了楔形節流閥的閥芯與閥桿的新型連接結構，確定了楔形節流閥的主要零件、安裝位置以及運動的傳動方式，設計出了主要零部件的尺寸，通過SolidWorks 的建模功能完成了零件的繪制。

2） 閥芯的斜面處變形量最大，最大變形量為0.014 28 mm，此變形量并不大，滿足零件的最大變形尺寸范圍：閥芯的最大應力發生在楔形截面的邊界處，最大應力為318.7 MPa。

3） 通過零件的受力分析，采用第一強度理論，完成了閥芯、閥桿的強度校核，驗證了本文設計的閥芯與閥桿在105 MPa 的工作環境下，閥芯十分安全，滿足設計要求。