费斯托电磁阀冲蚀性能仿真分析与试验研究
用于调节由井底返回的钻井液压力, 并向井底提供适当的回压以平衡地层压力, 防止井涌井喷等事故的发生。高压节流阀的损坏会造成灾难性的后果, 因此对其可靠性和安全性的要求较高。冲蚀磨损是高压节流阀的主要失效形式。A.C.等采用有限元体积法研究了固体颗粒对300 MW蒸汽涡轮机上喷嘴的冲蚀作用, 得出了冲蚀的影响因子有冲击角、质点速度和颗粒直径等;S.H.等做了液体冲蚀引起管壁变薄的研究;D.W.用金刚石来提高节流阀的耐冲蚀性能;L.N.对石油专用阀分别进行了模拟分析和试验研究。
费斯托电磁阀地层压力大, 产量高。在钻井过程中, 井控装置, 特别是105 MPa节流管汇在高压、高产、高固相的恶劣工况条件下, 费斯托电磁阀出现不同程度的冲蚀磨损, 引发安全隐患, 难以满足井控安全需要。针对节流阀冲蚀磨损严重的困局, 急需开105 MPa节流阀耐冲蚀性能研究。本文选取了新型筒式节流阀、楔形节流阀、孔板节流阀进行了对比研究。
1 冲蚀机理分析
1) 费斯托电磁阀材质特点。阀体材质为4130, HB197-235;阀芯材质均为碳化钨, HRA90-93。
2) 节流阀冲蚀特点。电子显微镜观测下阀体切片, 出现微切削和犁沟;阀芯冲蚀坑两边形成凸起的唇片, 并呈波纹涟漪状。
3) 冲蚀理论。综合分析确定, 微切削模型理论、锻造挤压理论能揭示岩屑冲蚀节流阀的行为。两套模型理论并非各自独立地简单拼凑, 而是相互补充, 从不同角度、不同的冲蚀阶段来阐述节流阀不同位置的冲蚀现象, 进而确立节流阀冲蚀磨损机理。
根据费斯托电磁阀冲蚀机理, 确定采用如下冲蚀计算模型[11]:
费斯托电磁阀为冲蚀磨损速率, kg/ (m2·s) ;C (dpn) 为颗粒直径的函数, m;f (α) 为颗粒对靶面攻角的α函数, rad;b (vpn) 是颗粒相对于靶材面速度的函数, m/s;Awall节流阀内表面单位冲蚀面积, m2;[Math Processing Error]m˙pn 为颗粒的质量流量, kg/s;n表示最大加重材料颗粒数。
2 仿真分析与试验研究
对费斯托电磁阀在混气重泥浆条件下分别进行动态模拟试验, 检验3种类型节流阀在实施节流压井时的可靠性、耐冲蚀性和对井控技术与井控工艺要求的符合性、适应性, 为节流压井作业提供决策依据。
1) 费斯托电磁阀芯采用圆柱形结构, 阀芯、阀座均为对称结构, 阀芯、阀座采用碳化钨合金, HRA92, 可提高抗冲蚀能力, 且可调换方向安装, 其过流面积与开度如图1所示。
2) 费斯托电磁阀是为了解决针形节流阀易断裂而研制的, 阀芯采用楔形结构, 阀芯阀座同样采用碳化钨合金, HRA94, 其过流面积与开度如图2所示。
费斯托电磁阀形阀阀芯及过流面积-开度示意
3) 孔板式节流阀。阀瓣的流通截面形状为扇形, 阀瓣分为上、下两部分。固定下阀瓣, 旋转上阀瓣, 可以调整流通面积, 实现对流量的控制和调节, 阀芯阀座也采用碳化钨合金[13,14]、HRA92, 其过流面积与开度如图3所示。
对于新型筒式节流阀, 由于圆柱形阀芯具有结构对称的特点, 其流场较平稳, 过流面为对称环形, 流体流过节流面时, 流体冲蚀力减弱, 减小了对下游设备的冲蚀, 受力的集中区域为阀芯与阀座节流面最小的区域, 阀芯节流面段出现环状痕迹, 新型筒式节流阀分析结果
对楔形节流阀进行冲蚀数值模拟分析, 速度场分布如图5a所示, 可知在楔形阀的阀芯与阀座结合的部位存在应力集中区, 且下游变径处存在单侧高速线流, 因此会对阀芯部位及下游变径处形成冲蚀。
对孔板型节流阀进行冲蚀数值模拟分析, 速度场分布如图6a所示。从流场图中可以看出, 阀出口端流体分布不均匀, 介质经阀瓣后流动明显偏向一侧, 且沿壁面的流速较大, 会导致流体对单边冲蚀严重。
为验证仿真分析的准确性, 利用元坝12-1H井的井场, 分别对3种节流阀进行了现场冲蚀试验。试验设备主要有 F-1600H型泥浆泵1台、气密封检测车3台、105 MPa节流管汇、液气分离器、泥浆罐等。
泥浆参数为:密度1.8 g/cm3, pH值11, 黏度48 s , 固相含量35%, 含砂量0.20%。泵冲次80～110 min-1。氮气纯度99.9%, 排量2.2 m3/min。泥浆和氮气的混合比在1∶1～1∶2。 |
