特高壓井口節流閥節流性能及結構分析

中圖分類號：TE931 文獻標識碼：A DOI：10.12473/CPM.202407066

Zhou Tianming，He Qiang，Wang Junyu，et al.Throtling performance and structural analysis of UHP wellhead throttle valve[J].China PetroleumMachinery，2025，53（7）：75-82.

Throttling Performance and Structural AnalysisofUHP WellheadThrottleValve

Zhou Tianming1.2He Qiang1Wang Junyu3Dai Qiping1.2Han Chuanjun' （1.MOEKeyLaboratoryforOilandGasEquipmentatSouthwestPetroleumUniversity；2.CNPCBaoj OilfieldMachineryCo.， Ltd.;3.CCDCDownhole Service Company）

Abstract：The throtle valve，，as an ultra-high pressure （UHP）wellhead device，is susceptible to erosion failure.This paper proposes thedesigns of spool and anti-sprint protection sleeve for double-wedge throttle valve，and analyzes theflow field characteristics of nine spools of the double-wedge throtle valve at diferent openings.The results show thatthespools ofthedouble-wedgethrotle valvearebetter-performed in erosionresistance than thatof the single-wedge throtle valve.With the increaseof spool stroke，the velocityof drillingfluid passing throughthe wedge-shapedsurfaceofthespol increases，andthedrillingfluid hasa strong erosion to the spooland the wall surfacebelow thespol.Among the9types of spoolsof the double-wedge throttle valve，the convex symmetrical spool has the best throtling and anti-erosion performance，and its linear regression coeffcientof pressure drop curve is 99. 6% . The cavity size has a significant impact on the performance of the throtle valve：expansion of the cavity size by 30 mm leads to a decrease of maximum velocity by 3.87% on average.After the spool anti-sprint protection sleeve is installed，the maximum fluid velocity decreasesby an average of 30. 35% ，extending the service life of the spool.The research results provide areference forthe design and application of UHP wellhead throtle valves.

Keywords： UHP wellhead; wedge throtle valve;double-wedge surface; erosion and wear; design optimization

0 引言

節流閥是石油和天然氣鉆采過程中使用的關鍵裝置之一，其主要作用是控制井口流體的流量和壓力，以確保鉆井或油氣生產過程的安全。隨著油氣開發向深層發展和井口條件的多樣化，對節流閥的性能和可靠性提出了越來越高的要求。節流閥根據閥芯結構的不同可分為楔形、圓柱、針形和孔板節流閥，其中楔形節流閥是應用較廣泛的一類節流閥。在工作過程中流體沖蝕磨損楔形閥芯，可導致節流閥失效。為了提升楔形節流閥的可靠性，延長其使用壽命，需要對楔形節流閥閥芯結構進行優化設計。

練章華等對楔形閥芯進行了優化設計，通過閥芯結構引導流體流向，避免了流體對閥芯的直接沖擊，延長了楔形節流閥的使用壽命。王國榮等[3針對鉆井作業中高壓流體對閥芯輪廓沖蝕的問題，研究得出了粒子入射角度與沖蝕情況的關系，有助于楔形閥芯的結構設計。屈俊波等4推導了楔形節流閥閥芯行程與流體壓降的理論關系，為不同節流閥的優化設計提供了壓降控制的依據。曹陽等通過試驗驗證了多種類型節流閥在不同工況下的抗沖蝕性能，并提出了楔形節流閥閥芯形狀和材質等的改進思路。李千登等研究了不同節流閥的沖蝕損傷機制，分析了流體壓力和運動速度等對閥芯沖蝕速率的影響，并利用現場試驗對數值模擬結果進行了驗證。文獻[7為延長節流閥使用壽命，將金剛石應用于節流閥閥座和閥芯的表面強化中，試驗結果表明，強化后的節流閥抗沖蝕能力增強了約 50% 。WANGG.R.等[8為降低節流閥的沖蝕磨損，采用響應面法并結合多目標遺傳算法對節流閥結構進行優化設計，優化后沖蝕速率明顯降低。HUG.等研究了閥門開度、鉆井液流量、固相質量和鉆井液密度對節流閥沖蝕特性的影響，為節流閥結構設計優化提供了理論依據。

國內外學者主要在中低壓工況下分析節流閥的沖蝕情況，缺少對其在特高壓工況下的分析。針對特高壓節流閥，其設計和工作環境與常規節流閥存在顯著差異，特高壓節流閥的流體動能和壓力變化更為劇烈，這使得特高壓節流閥面臨著更為嚴峻的沖蝕失效問題。為解決節流閥在特高壓工作過程中流體沖蝕導致失效的問題，筆者對閥門的流體通道進行了優化設計，通過研究雙楔節流閥楔形面多種形狀結構對閥芯壓力控制能力和抗沖蝕能力的影響，優選出了一種性能較好的雙楔節流閥，該閥能減小瞬時壓差，降低流速變化；并提出了一種閥芯防沖刺保護套，增強了對閥芯的保護效果。優化改進方案降低了閥芯沖蝕失效風險，可為延長節流閥使用壽命提供參考。

1流動控制方程

1.1 流量系數

流量系數[]是描述流體控制設備在指定工況下性能的重要參數，流量系數越大，流體經過節流閥后的壓降就越小。流量系數主要取決于節流閥的內部結構和尺寸。其計算式為：

式中： C_v 為流量系數， m² ； Q 為體積流量， m³/s ρ 為流體密度， kg/m³ ; Δ_P 為閥門壓力損失， Pa 。

1.2 流阻系數

流體通過彎管和截面突變的地方會產生擾動、攪拌和能量損失。因此，流阻系數[是衡量節流閥中流體流過節流閥產生壓力損失的重要參數。其計算式為：

Δp=p₁-p₂=ξρv₂²/2

式中： ξ 為流阻系數，無量綱； p₁ 為進口壓力， Pa p₂ 為出口壓力， Pa ; v₂ 為局部阻力下游區的平均流速， m/s 。

1.3 控制方程

在鉆井過程中，節流閥內鉆井液的流動是一種非常復雜的湍流流動[12-13]。這里采用標準 k-ε 方程[14-15]模型作為封閉方程，流體在節流閥內流動所滿足的控制方程如下。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

k-ε 湍流方程：

式中： f_i 為流體加速度矢量， m/s² ; p 為壓力， Pa u 為運動黏度， m²/s ： 為流體的速度矢量， m/s ， μ 為動力黏度， Pa?S . μ_r 為湍流黏性系數， Pa?s ； ε 為耗散率， m²/s³ ; k 為湍流動能， m²/s² 。

在標準 k-ε 方程中，相關常數一般取為 C_u= 0.09， C₁=1.41～1.45 ， C₂=1.9～1.92 ， σ₁=1 ，σ₂=1.3 。

2 楔形節流閥模型優化設計

楔形節流閥三維模型與流體計算網格模型如圖1所示。為降低計算量和提高計算可靠性，對內部結構倒角進行了簡化處理，對計算域中流體沖擊閥芯處進行了網格加密處理。

2.1 閥芯結構設計

單楔節流閥工作原理如圖2a所示。圖2b為雙楔節流閥工作示意圖。

單楔閥芯其楔形面與流體入口方向相對，工作過程中，流體首先沖擊到楔形面上，然后在單楔閥芯下端的結構導流[16作用下向下端流出。雙楔閥芯的對稱面法向與流體入口方向相互垂直，工作過程中，一部分流體首先沖擊閥芯2楔形面間的曲面，另一部分流體繞流后進入腔體內部，最后流體分別從2楔形面的下端流出。

雙楔閥芯的兩側楔形面相互對稱，通過改變閥芯楔形面的形狀（平面、凸面、凹面）和楔形面的方位（對稱、迎流面前銳、迎流面前鈍）形成了9種楔形閥芯結構方案，如圖3所示。

2.2楔形節流閥模型計算參數及邊界條件

在節流管匯工作過程中，井控壓力為 175MPa 流體主要為鉆井液與甲烷。其中，鉆井液的密度為1080kg/m³ ，黏度為 0.012Pa?s ；甲烷密度為0.6679kg/m³ ，黏度為 1.087×10^-5Pa?s 。采用多相流模型，將鉆井液設為主相，次相為甲烷。其余邊界條件具體設置如下：

（1）入口邊界采用壓力入口。根據工況，設總壓為 175MPa ，入口動壓 0.1MPa 。湍流強度和水力直徑分別為 4.7% 和 78.5mm 。

（2）出口邊界條件采用質量流量出口。甲烷的質量流量為 0.0072kg/s ，鉆井液的質量流量為43.2kg/s 。

3 計算結果分析

根據前面所述的邊界條件，針對單楔閥芯與雙楔閥芯（平面對稱）進行了不同開度（15、20、25、30、 35mm ）下的數值模擬計算，計算結果如表1所示。從表1可知，在相同開度下，雙楔閥芯的最大流體速度比單楔閥芯的最大速度平均下降21. 03% ，抗沖蝕能力優于傳統的單楔閥芯。

基于上述對單、雙楔閥芯的性能分析方法，進一步分析了9種雙楔閥芯節流閥流動情況，分別進行了不同行程開度（15、20、25、30、 35mm ））下的數值模型計算。其中，凸面對稱雙楔節流閥（ 25mm 開度）的yz截面及 xz 截面流體速度云圖如圖4所示，其他開度下流體最大速度如表2所示。

由圖4和表2可知：在特高壓工況下，流體在楔形節流閥入口段的速度場分布均勻；當流體進入閥腔后，過流面積急劇縮小，流體被瞬間加速，流體最大速度出現在閥芯楔形面附近；高速流體沿著閥芯楔形面延伸，流動方向與楔形面平行；當流體運動到閥芯下端導流面處，流體的運動方向沿導流面方向開始發生改變，同時，沿楔形面方向的流體不斷沖擊閥芯下方的管壁；隨著閥芯行程的增加，流體通過楔形面處的速度也呈現增加的趨勢。在特高壓工況下，這些流場特征表明，鉆井液對閥芯及閥芯下方的壁面將產生較強的沖蝕磨損。

閥芯行程與整體壓差、最大速度的關系如圖5、圖6和圖7所示。為判斷閥芯行程與壓差曲線的線性程度，通過線性回歸的決定系數 ^[17]R² 進行判斷。決定系數值介于0＼～1之間， R² 值越高，則分析數據的線性程度越高。決定系數計算式為：

式中： y_i 為計算數據； 為計算數據的均值； 為預測值。

表3為不同閥芯與壓差間的決定系數表。由表3可知，在特高壓條件下，壓差與閥芯行程的變化關系越接近線性，說明壓力控制效果越好，這一點對特高壓節流裝置尤為重要。在15、20、25、30、 35mm 行程中，平面鈍迎、凸面對稱和凹面鈍迎閥芯在壓力控制上效果較好。其中，凸面對稱閥芯的壓降曲線的線性回歸決定系數最高為99.6% 。

在最大速度與閥芯行程的關系圖中，最大速度越小，則流體對閥芯所造成的沖蝕影響越小。其中，平面對稱、凸面對稱和凹面對稱閥芯各行程速度均較小，因此能有效降低特高壓流體的沖蝕影響。

結合不同閥芯在各行程下的速度分布情況，凸面對稱閥芯具有較好的壓力控制能力，適合特高壓節流的應用場合，且沖蝕影響的范圍和流體最大速度都較小，因此優選凸面對稱閥芯用于特高壓工況。

4閥腔體尺寸對節流閥性能的影響

當節流閥內部腔體結構尺寸發生改變時，流體對節流閥的沖蝕情況也會改變[18]。閥腔尺寸增大，減弱了流體流入閥腔后直接沖擊閥芯的強度，閥腔內部的流場分布規律也會發生變化。為分析節流閥來流方向腔體尺寸變化對節流閥閥芯沖蝕程度的影響，針對行程與最大速度關系中速度較小的平面對稱、凸面對稱和凹面對稱閥芯，均在20mm 行程開度下開展數值模擬分析。腔體尺寸分別沿 x 軸的正方向和負方向各擴大5、10、 15mm （共擴大10、20、 30mm ），如圖8所示。

凸面對稱閥芯節流閥擴大 30mm 后的速度云圖如圖9所示。3種閥芯節流閥擴大尺寸與最大流體速度的關系如圖10所示。

圖10中，隨著 x 方向尺寸的擴大，節流閥中最大速度隨之降低，當 x 方向尺寸擴大 30mm 時，最大速度平均下降 3.87% 。在腔體尺寸擴大的同時，閥體結構的強度會被削弱。因此，通過改變腔體尺寸減緩沖蝕效果需確保閥體結構強度滿足使用要求。

5 防沖刺閥芯保護套對節流閥性能的影響

為減弱特高壓流體對節流閥的沖蝕作用，延長特高壓工況下節流閥閥芯的使用壽命，在節流閥閥芯處增加一個防沖刺保護套，如圖11所示。圖11a為無防沖刺保護套的節流閥模型，圖11b為有防沖刺保護套的節流閥模型。通過增加防沖刺保護套，可避免流體進入節流閥后直接沖擊閥芯。

分析最大速度較小的凸面形雙楔閥芯在不同行程開度（15、20、25、30、 35mm ）下防沖刺保護套對節流閥的保護效果。不同閥芯行程下，壓差與最大速度如圖12和圖13所示。其中，虛線表示有防沖刺閥芯保護套的計算結果，實線則表示無防沖刺保護套。

計算結果表明，在特高壓工況下，防沖蝕保護套的設計顯著改變了流體運動特性。在有防沖刺閥芯保護套的情況下，當流體通過下閥座時，過流面積再次減小，流體速度再次增加[19]。最大速度產生在閥芯保護套附近，因此可以認為閥芯保護套代替閥芯受到了直接沖蝕。

從圖12的壓差曲線可知，在15、20、25、30、35mm 行程內，3種凸面形閥芯在防沖刺保護套的作用下壓差下降明顯，且有防沖刺保護套的凸面銳迎閥芯整體壓差最小。從圖13可知，在特高壓工況下，安裝防沖刺保護套后，3種凸面閥芯的最大速度相對無防沖刺閥芯保護套時最大速度平均下降 30.35% 。其中，凸面對稱雙楔閥芯的最大流體速度最低。

6結論

為解決單楔節流閥在特高壓工況下易產生沖蝕失效的問題，提出了雙楔形閥芯和閥芯防沖刺保護套方案，通過數值模擬證明了其抗沖蝕性能提升明顯，并根據楔形面平、凸和凹的特點對比分析了9種不同的雙楔閥芯的流場。研究結果表明：（1）綜合壓力控制能力和沖蝕情況，9種雙楔閥芯中凸面對稱閥芯性能最好，其壓降曲線的線性回歸決定系數最高。（2）隨著節流閥腔體 x 方向尺寸的擴大，節流閥中流體最大速度隨之降低；當 x 方向尺寸擴大30mm 時，節流閥中流體最大速度平均下降3.87% ，能夠在一定程度上減弱特高壓條件下的沖蝕磨損。（3）通過應用節流閥閥芯防沖刺保護套，流體最大速度平均下降 30.35% ，緩解了流體對節流閥閥芯的直接沖蝕，延長了節流閥使用壽命。（4）研究結果可為 175MPa 節流閥的設計和應用提供參考，有助于提高節流閥在特高壓工況下的穩定性、可靠性，延長其使用壽命。

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第一

作者簡介：周天明，教授級高級工程師，生于1978年，2001年畢業于西南石油大學機械設計制造及其自動化專業，現從事石油鉆井裝備技術研究工作。地址：（721002）陜西省寶雞市。電話：（0917）3462166。email： zhoutianming@cnpc.com.cn。

通信作者：韓傳軍。email：hanchuanjun@swpu.edu.cn

收稿日期：2024-07-17 修改稿收到日期：2024-12-21（本文編輯劉鋒）