采油井口閘閥開關(guān)度對其內(nèi)部流動的影響分析

2013-11-02 馬衛(wèi)國長江大學(xué)機械工程學(xué)院

　　針對井口閘閥在實際應(yīng)用中存在開關(guān)頻繁的安全性問題，以某公司52.4mm采油井口閘閥為例，用數(shù)值模擬計算方法對不同開度時井口閘閥內(nèi)部的流動情況進行模擬分析。分析結(jié)果表明，開關(guān)度對采油井口閘閥內(nèi)部流場影響較大，受影響最大部位在左閥座的下端、閘板內(nèi)和右閥座的下端；小開度時，采油井口閘閥進出口的壓力損失較大，也會使閘板遭受介質(zhì)沖蝕；全開時流體壓力損失最小；不完全開度下，采油井口閘閥因受高速流體沖擊會引起振動，閘板和閥座的密封面可能受損傷。因此，采油井口閘閥適合常開或常閉狀態(tài)，不適用于調(diào)節(jié)或節(jié)流。

0、引言

　　閘閥是采油(氣)井口裝置的核心部件，可開啟或截斷管道介質(zhì)并控制高壓介質(zhì)按照要求流向指定位置。在井口閘閥開關(guān)過程中，由于截面積的突變，流體對其內(nèi)部流動的影響較大，會使井口閘閥產(chǎn)生較大的沖擊和振動，導(dǎo)致其失效。井口閘閥開關(guān)次數(shù)有限，需經(jīng)常更換，這給現(xiàn)場施工帶來了許多不便。閥門結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其內(nèi)部的流動參數(shù)難以測量，而國內(nèi)在這方面的研究相對較少，對管道流場流動細節(jié)的測量基本沒有。

　　筆者針對井口閘閥在實際應(yīng)用中存在開關(guān)頻繁的安全性問題，以某公司52.4mm(2in)采油井口閘閥為例，用數(shù)值模擬計算方法對不同開度時井口閘閥內(nèi)部的流動情況進行模擬分析。

1、數(shù)值模擬

　　1.1、井口閘閥阻力系數(shù)

　　流體流過井口閘閥時，隨著截面積的突變會發(fā)生擾動，形成漩渦，或者會使流體質(zhì)點之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生較大的能量損耗。流體在井口閘閥的進出口所產(chǎn)生的壓降和阻力系數(shù)都是比較關(guān)鍵的參數(shù)。流體流過井口閘閥時局部壓降公式為：

　　式中Δp———局部壓降，Pa；ξ———局部阻力系數(shù)；ρ———流體密度，kg/m3；v———流體平均流速，m/s。

　　由式(1)可得閘閥局部阻力系數(shù)為：

　　對流體做如下假設(shè)：①沒有熱傳導(dǎo)；②流體介質(zhì)為不可壓縮流體；③流動為定常流。

　　1.2、計算模型與網(wǎng)格劃分

　　采油井口閘閥通徑為52.4mm(2in)，閘閥長371mm。由于流道局部截面變化引起擾動的影響，需考慮一個完整的流動，故在閥的左右兩端取相等長度的油管，總長為2000mm。根據(jù)采油井口閘閥基本結(jié)構(gòu)，考慮到實際模擬的可行性，建立簡化的閘閥實體模型。采用填充操作建立流體部分的幾何體，得到所需流體模型。整體采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，邊界采用Inflation法劃分，在閥座與閘板之間的部位進行網(wǎng)格加密，如圖1所示。

采油井口閘閥開關(guān)度對其內(nèi)部流動的影響分析

圖1 網(wǎng)格劃分

3、閘閥工作特性與破壞形式

　　由模擬結(jié)果可知，小開度時，采油井口閘閥進出口的壓力損失較大；全開時流體流過整個閘板內(nèi)孔，流體流動的壓力損失最小。在不完全開度下，采油井口閘閥因受到高速流體的沖擊會引起振動，閘板和閥座的密封面有可能受到損傷，同時小開度也會使閘板遭受介質(zhì)的沖蝕。另外，在介質(zhì)含固體顆粒或含砂情況下，閥內(nèi)壁所遭受的沖蝕將更為嚴重。故采油井口閘閥處于常開或常閉的狀態(tài)，具有較好的工作特性，一般不用作調(diào)節(jié)或節(jié)流。從大量的閘閥失效形式可以發(fā)現(xiàn)，閘閥的閥板、閥座和閥體內(nèi)壁都出現(xiàn)不同程度的磨損和腐蝕，或出現(xiàn)閥板導(dǎo)流孔擴大和應(yīng)力裂紋，更為嚴重的則出現(xiàn)閥體刺穿等現(xiàn)象。

　　模擬結(jié)果表明，局部高速區(qū)域與實際閘閥磨損位置吻合，說明閘閥內(nèi)部流場的數(shù)值模擬結(jié)果正確，同時也論證了閘閥不宜用于調(diào)節(jié)或節(jié)流的工作特性。