抗反沖閥內部流場及關斷特性的數值模擬分析*

劉姣利 王 雷 鄧 榮 劉明洋 李小兵 李 鵬

(1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司 2.寶雞石油機械有限責任公司 3 成都國科檢測技術有限公司)

0 引 言

深海油氣開采一般采用半潛式鉆井平臺和鉆井船2種浮式裝置，其在海上處于漂浮狀態，受風、浪及海流的影響會發生橫搖、縱搖及升沉運動，需要采用可靠的動力定位系統對其定位。隔水管的主要功能是連接浮式鉆井平臺與海底井口，隔離海水、提供鉆井液循環的回路，同時為鉆具送入海底井口提供載體，并為浮式鉆井平臺進行升沉補償等。隔水管張緊補償系統是深水鉆井平臺重要組成部分，可以為隔水管頂部提供垂向張力，控制隔水管系統的位移和應力，在浮式平臺做垂直或水平運動時，使隔水管的張力近似保持恒定。

抗反沖閥是隔水管張緊補償系統的核心部件，安裝在張緊系統液氣彈簧的主流通道上，本質上是一種流量自動控制裝置。該閥流量控制方式可分為限速節流保護和可控關閉，分別參與隔水管張緊補償系統機械連接失效時的應急保護和隔水管緊急脫離時的抗反沖控制，以達到保護系統設備和平臺人員安全的目的[1-3]。限速節流保護的基本原理是當過閥流量超過閥設計通流最大值時，閥進出口壓差增大，驅動主閥芯關閉，切斷油路通道以保護系統安全；可控關閉的基本原理是在隔水管緊急脫離時，控制系統通過閥內集成比例換向閥及閥芯位置傳感器自動控制主閥芯開口大小，控制張緊器液缸活塞運動速度及張緊器張力，以保護系統安全。

與普通流量控制閥相比，抗反沖閥要求通流能力大(通常大于3 000 L/min)、響應速度快、可靠性高，又因其集成度高，所以流道結構復雜[4-11]。為確保設計可靠、節約物力，利用仿真軟件對其進行靜、動態性能仿真分析則尤為必要。

目前，抗反沖閥的主要制造商是美國奧蓋爾(OilGear)公司，其制造的抗反沖閥具有集成度高、響應速度快、抗反沖控制效果好、應用流量大等優點，在全球鉆井平臺應用廣泛，處于行業壟斷地位。其余如美國的DTI公司、德國的力士樂公司也有相應產品，但其使用效果和性能與奧蓋爾公司的產品還有一定差距。國內現階段還沒有基于具體結構設計而進行的抗反沖閥靜、動態結合仿真分析研究，更多的是基于抗反沖閥工作原理、隔水管抗反沖控制工況特點，進行的抗反沖控制系統控制算法、參數研究。例如王波等[12]利用仿真軟件搭建了隔水管張緊系統抗反沖模型，設計了抗反沖控制算法，驗證了抗反沖閥理論參數設置和控制算法的有效性及可靠性；李歡等[13]利用仿真軟件搭建了抗反沖控制模型，就相關控制參數及隔水管脫離時刻對整個抗反沖控制系統的影響進行了研究；費凌等[14]以某鉆井平臺為依據，設計了一種抗反沖閥，利用仿真軟件驗證了該閥在液缸式隔水管張緊系統中的抗反沖控制效果。

制約抗反沖閥設計研制的主要因素是其結構緊湊、復雜，集成控制閥件定制化程度高，配套試驗測試系統投入成本高。因此在抗反沖閥結構設計過程中，通過仿真軟件進行閥結構設計、靜動態性能研究，對于抗反沖閥實現樣機制造和工業應用有著實際意義。

1 技術分析

1.1 工作原理

抗反沖閥有2種工作狀態，分別是限速節流保護和可控關閉。分析其工作原理和工況要求，設計液壓工作原理簡圖如圖1所示。

1—球閥；2—過濾器；3—比例閥；4—單向閥；5—電磁換向閥；6—位移傳感器；7—液動換向閥；8—液控插裝閥；9—先導液缸；10—主閥芯。圖1 抗反沖閥液壓原理簡圖Fig.1 Schematic diagram for hydraulic principle of anti-recoil valve

在限速節流保護工況下，比例閥、電磁換向閥斷電，蓄能器端口和張緊液缸端口油壓分別通過液控插裝閥與先導液缸塞腔和桿腔接通。抗反沖閥依賴油液通過主閥流道產生足夠大的壓降來克服先導液缸桿腔彈簧力，使主閥芯關閉。當通過流量小于閥設計關斷流量時，壓降小于彈簧力，主閥芯保持常開，閥正常通流；當通過流量大于閥設計關斷流量時，壓降大于彈簧力，主閥芯關斷從而降低張緊器液缸活塞的運動速度，保護系統設備安全。主閥芯上開有節流口可確保張緊器液缸活塞柔性停止，當蓄能器端和張緊器液缸端壓力相等后，主閥芯在彈簧作用下重新開啟，抗反沖閥恢復正常通流。

在可控關閉工況下，通過比例閥控制先導液缸塞腔和桿腔的進油量來控制主閥芯運動。比例閥和主閥芯位置傳感器接入鉆井平臺反沖控制系統，當水下隔水管總成(LMRP)與水下防噴器(BOP)緊急斷開后，比例閥根據控制系統指令，以其要求的速度控制主閥芯關閉、保持或重新開啟，以配合張緊器緊急脫離程序保護系統設備安全。在此模式下，閥門不再提供防止軟管破裂保護。為產生足夠的力來驅動主閥芯動作，主閥芯和閥座的通流尺寸設計為小于進出油口面積，以提高流速從而增加壓差。可控關閉主要依靠比例閥對主閥芯的運動進行控制，其動態特性主要取決于比例閥的特性。因此，本文僅針對限速節流保護模式進行仿真分析。

根據抗反沖閥實際使用工況要求的限速節流保護和可控關閉，以及過閥流量巨大、響應速度快、集成度高和可靠性好等性能要求，設計了一種新型抗反沖閥機械結構，其結構簡圖如圖2所示。主閥芯兩端分別接蓄能器(進油口)和張緊器液缸(出油口)，主閥芯由先導液缸驅動，先導液缸塞腔與蓄能器端相連，桿腔帶彈簧與張緊器液缸端相連，在彈簧作用下主閥芯常開，先導液缸裝有位置傳感器，用來監測主閥芯位移。

1—主閥塊；2—單向閥；3—中間閥塊；4—液控插裝閥；5—液動換向閥；6—上閥塊；7—電磁換向閥；8—位移傳感器；9—先導液缸；10—主閥芯。圖2 抗反沖閥結構簡圖Fig.2 Structural diagram of anti-recoil valve

1.2 抗反沖閥主要參數

本文以我國某平臺隔水管張緊系統抗反沖閥工作參數為參考進行設計研究。其中，閥主流道通徑100 mm，最大工作壓力21 MPa，最大工作流量3 500 L/min，最大工作流量下壓降0.7 MPa，限速切斷流量(4 578±458)L/min，切斷時間≤300 ms，工作介質水-乙二醇。

2 抗反沖閥靜態仿真分析

靜態仿真分析的主要目的：①通過閥主流道內的流速和壓力分布情況，分析閥內部流場靜態性能及閥門通流能力；②分析主閥芯和先導液缸活塞所受軸向液動力大小。

2.1 控制方程及計算模型

流體計算過程中要遵循質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。由于閥主流道內流速變化較慢，本文假設流體為不可壓縮流體，密度為常數。

質量守恒方程微分形式可簡化為：

(1)

式中：ux、uy、uz為流體質點在x、y、z這3個方向上的速度分量，m/s。

動量守恒方程微分方程為：

(2)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；?為哈密頓算子；X、Y、Z為單位質量力在各坐標軸上的分力，N；p為壓力，Pa；ν為運動黏度，m2/s。

能量守恒方程為：

(3)

式中：cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；T為溫度，K；k為流體傳熱系數，W/(m2·K)；ST是介質在黏性的作用下使機械能轉化為熱能的項，kg·K/(m3·s)。

流體仿真模型采用Navier-Stokes流體方程，可以表達為：

(4)

式中：u為速度矢量，m/s；F為體積力，N/m3；I為速度散度，s-1；K為黏度應力，N/m2。

2.2 計算區域和邊界條件設定

根據設計的抗反沖閥結構，利用三維軟件建立抗反沖閥主閥芯及主流通道的三維幾何模型，如圖3a所示，網格劃分結果如圖3b所示。仿真區域包含了蓄能器和張緊液缸端的管路、主閥芯、主流道及先導液缸流道。為更加貼近真實情況，延伸主閥流道在蓄能器端和張緊液缸端的流道，使得流入主閥流道的液體能夠在形成穩定流場之后再流經主閥芯，從而形成更加穩定的仿真結果。

圖3 抗反沖閥主閥芯及主流道仿真模型圖Fig.3 Simulation model for main spool and main channel of anti-recoil valve

為模擬液壓油在蓄能器和張緊液缸之間的往復流動，蓄能器端口邊界條件設置為壓力口，恒定壓力10 MPa。由于主閥芯兩端的壓差同流速相關，同蓄能器端口壓力無關，所以蓄能器端口的恒壓設定只是作為一個基準值。在沒有出現氣蝕的情況下，蓄能器端口的設定壓力同閥的性能無關。

張緊液缸口邊界條件為流體流量，用于模擬液缸運動形成的流量變化，設置為正弦波，隨時間變化，如圖4所示。本模型中的流體為不可壓縮流體的穩態模型，假設流體為不可壓縮的層流。介質密度和黏度參考好富頓水-乙二醇，為1 080 kg/m3和46 440 mPa·s。

圖4 張緊液缸口流量隨時間變化關系Fig.4 Variation of flow rate at tensioning hydraulic cylinder port over time

為分析抗反沖閥內部流場靜態性能、閥門通流能力，計算主閥芯和先導液缸活塞在工作過程中所受軸向液動力，進而對先導液缸桿腔彈簧設計提供指導。本文對抗反沖閥主流通道在正常通流工況和限速節流工況下的通流流速、主流道內的壓力分布，以及主閥芯與先導液缸活塞受力與過閥流量的關系進行了仿真分析。

2.3 仿真結果分析

對仿真結果的分析，主要針對流速和壓力。兩位兩通閥門設計過程中，通常最大流速為30 m/s(伺服閥除外)。流速太高會引起閥門異響；流速太低壓差變小，導致液動力不足，引起閥響應變慢。分析閥兩端壓力變化，可以得到閥門通流能力。分析主閥芯和先導液缸控制活塞的表面壓力，可以通過積分獲得活塞受力，進而對閥門的關閉力進行計算。結果如圖5～圖9所示。

圖5 最大工作流量時閥主流道內速度分布云圖Fig.5 Cloud chart for velocity distribution in the main channel of valve at maximum working flow

圖6 切斷流量時閥主流道內速度分布云圖Fig.6 Cloud chart for velocity distribution in the main channel of valve at cutoff flow

圖7 最大工作流量時閥主流道內壓力分布云圖Fig.7 Cloud chart for pressure distribution in the main channel of valve at maximum working flow

圖8 切斷流量時閥主流道內壓力分布云圖Fig.8 Cloud chart for pressure distribution in the main channel of valve at cutoff flow

圖9 主閥芯兩端壓差與過閥流量關系圖Fig.9 Relation between pressure difference at both ends of main spool and flow rate passing through valve

分析圖5～圖9可知，此新型抗反沖閥結構限速節流工況下，過閥流速均勻，無渦流區。主閥流道內壓力分布變化均勻，無負壓區，壓力損失小，且控制主閥芯動作的先導液缸塞腔和桿腔壓力基本與蓄能器端口壓力和張緊液缸端口壓力相同。當過閥流量達到切斷流量時，蓄能器內油液加速通過主閥流道流向張緊液缸，先導液缸塞腔壓力克服桿腔彈簧力開始關閉主閥芯。隨著主閥芯關閉，抗反沖閥進出口端壓差持續增加，主閥芯關閉過程中的驅動力也隨之上升，加速主閥芯關閉，提高了限速切斷響應速度。綜上，本文所設計的新型抗反沖閥靜態性能優良。

3 抗反沖閥動態仿真結果分析

動態仿真分析的目的是在抗反沖閥靜態仿真分析的基礎上，建立動態仿真模型，分析該結構閥的主要性能指標是否滿足設計要求。

3.1 建立仿真模型

本節主要研究抗反沖閥主閥芯在切斷流量下的動態特性，以抗反沖閥測試系統為基礎，建立抗反沖閥動態仿真模型，包括液壓、機械和控制信號3部分。液壓部分包含蓄能器、先導液缸、主閥芯，主閥芯開度通過可變節流孔來模擬，先導液缸為雙向運動活塞缸；機械部分包含彈簧及基座；控制信號用于模擬隔水管施加在油缸上的周期性負載。抗反沖閥的動態仿真模型如圖10所示。

圖10 抗反沖動態仿真模型Fig.10 Anti-recoil dynamic simulation model

其中，蓄能器組模型用于模擬隔水管張緊器的蓄能器組，包含足夠體積的蓄能器以及液壓動力站，為系統提供足夠流量及穩定壓力。蓄能器內的流體初始壓力為10 MPa，同靜態仿真的設定相同。為了保證蓄能器壓力穩定，設定其容積為10 000 L，工作時充滿10 000 L液體。

流量控制閥用于調節通過抗反沖閥的流量大小，用可變節流孔模擬，節流孔等效面積為直徑80 mm的孔，最大開度為100 mm。通過仿真驗證可知，當節流孔開度為5 mm時，過閥最大流量逼近閥設計允許最大流量，可用于測試閥最大通流能力；當節流孔開度為5.5 mm時，過閥最大流量在閥設計限速節流切斷范圍內，可用于測試閥限速節流切斷功能。

抗反沖閥模型由主閥芯、主閥芯活塞桿、彈簧、液控插裝閥構成。用于模擬限速切斷情況下的響應。主閥芯的開度由先導液缸活塞桿的位移決定。先導液缸2個油腔分別通過液控插裝閥連接抗反沖閥的蓄能器端口和張緊液缸端口，活塞桿下端連接主彈簧。由于主彈簧處于壓縮狀態，所以受到的力為負值。根據靜態仿真結果和動態仿真驗證，設定彈簧剛度為10 N/mm，初始力為2 040 N；液控插裝閥處于開啟狀態；主閥芯蓄能器端的流道壓縮通過固定通徑的節流口模擬，油缸端束流口用變徑管模擬，主閥芯用插裝閥閥芯模擬。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 抗反沖閥關閉仿真

圖11為主閥芯關閉過程中位移、流量以及壓差變化圖。分析圖11可知，節流閥開度為5.5 mm。仿真結果顯示：當流量上升到4 712 L/min時，主閥芯開始關閉，仿真時間點為0.465 s，主閥芯兩端壓差為0.23 MPa；主閥芯全部關閉時，仿真時間點為0.539 s，關閉所花時間為74 ms。最大過閥流量4 824 L/min，接近抗反沖閥切斷流量上限。

圖11 主閥芯關閉過程中位移、流量以及壓差變化圖Fig.11 Variation of displacement，flow rate and pressure difference in the closing process of main spool

3.2.2 抗反沖閥不關閉仿真

圖12為主閥芯不關閉過程中位移、流量和壓差變化圖。由圖12可知，為模擬測試抗反沖閥允許通過的最大工作流量，設定流量控制閥開度為5 mm，此時最大過閥流量為4 117 L/min，大于閥設計最大工作流量，接近閥關斷流量下限。仿真結果顯示，主閥芯位移0.004 mm，在0.450 s流量達到4 117 L/min后，流量控制閥不再繼續開大，過閥流量穩定在4 117 L/min，主閥芯兩端壓差為0.21 MPa，主閥芯保持打開，抗反沖閥正常通流。

圖12 主閥芯不關閉過程中位移、流量和壓差變化圖Fig.12 Variation of displacement，flow rate and pressure difference in the non-closing process of main spool

綜上，該結構抗反沖閥在設計最大工作流量下能確保主閥芯保持打開，當過閥流量逼近閥設計觸發切斷流量范圍時，主閥芯有少量位移，但依然保持開啟。在流量達到切斷值時，可以迅速關閉，完全關閉時間為74 ms(<300 ms)。關閉后主閥芯兩端壓力差上升，流量減小。由于主閥芯上設有節流孔，主閥芯完全關閉后流量不為0，確保張緊液缸可柔性停止。

4 結 論

(1)該結構抗反沖閥靜態性能優良。限速節流工況下，過閥流速均勻，無渦流區。主閥流道內壓力分布變化均勻，無負壓區，壓力損失小，且控制主閥芯動作的先導液缸塞腔和桿腔壓力，基本與蓄能器端口壓力和張緊液缸端口壓力相同。當過閥流量達到切斷流量時，蓄能器內油液加速通過主閥流道流向張緊液缸，先導液缸塞腔壓力克服桿腔彈簧力開始關閉主閥芯。隨著主閥芯關閉，抗反沖閥進出口端壓差持續增加，主閥芯關閉過程中的驅動力也隨之上升，加速主閥芯關閉，可提高限速切斷響應速度。

(2)該結構抗反沖閥在設計最大工作流量下能保持主閥芯打開，當過閥流量逼近閥設計觸發切斷流量范圍時，主閥芯有少量位移，但依然保持開啟。當過閥流量達到切斷值時，主閥芯可以迅速關閉，完全關閉時間為74 ms(<300 ms)。關閉后主閥芯兩端壓力差上升，流量減小，由于主閥芯上設有節流孔，主閥芯完全關閉后流量不為零，確保張緊液缸可柔性停止。因此，該閥滿足設計要求，動態關閉特性優良。