楔形节流阀流场分析与优化设计

楔形节流阀流场分析与优化设计

节流阀的应用在压井过程中，为了提高循环路径的透空性，在循环路径的末端手动调整了节流阀的流量障碍。当液体通过节流阀时，会产生相应的流量阻力，并将液体传输到井底，以弥补不足的井底压力。而当节流阀应用在节流管汇,其作用是控制流量,用于保持整个油气生产系统的压力;节流阀还可用于加热器旁通管的循环,降低和控制天然气的压力。塔里木油田普遍使用的节流阀是锥形阀。应用表明,现场锥形阀在使用中常出现许多对油气田生产不利的现象,如噪声大和阀杆振动,严重的会造成阀杆断裂,阀座刺穿。目前采用的压力控制技术及节流系统已不适应现有油井开发和集输的需要。针对上述情况,笔者对锥形和楔形节流阀进行了流场分析,对楔形节流阀进行了结构优化设计,并得到了最佳结构(由2段斜面组成)的楔形节流阀。主流阀理论1.不同流量系的数值流量系数流量系数是衡量阀门流通能力的指标。流量系数计算的一般形式为C=Qρ/Δp−−−−−√(1)C=Qρ/Δp(1)式中C——流量系数,m2;Q——体积流量,m3/s;ρ——流体密度,kg/m3;Δp——阀门的压力损失,Pa。流量系数值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。流量系数随阀门尺寸、型式、结构而变化。对于同样结构的阀门,流体流过阀门的方向不同,流量系数值也有变化。这种变化一般是由于压力恢复不同而造成的。阀门内部的几何形状不同,流量系数的曲线也不同。2.局部压力损失p流体通过弯管和截面突变的地方时,会有扰动、搅拌,形成气穴、漩涡和尾流,或使流体质点相互撞击,产生较大的能量损耗。局部压力损失Δp与流体的动能直接相关,它可以表达成Δp=ξρv222(2)Δp=ξρv222(2)式中ξ——流阻系数;ρ——流体密度;v2——局部阻力下游处的平均流速。sdd喷前计算1.cfd计算模型的建立因为笔者研究节流阀的各种结构都是一些变化复杂的结构,具有很大的横向压力梯度和强的二次流,流动呈很强的三维性,所以必须生成符合实际流动情况的三维结构模型。因此,笔者用Pro/E软件建立各种阀的CAD模型,将该模型存为STL格式文件,然后转入Phoenics-CFD软件中建立CFD计算流体动力学模型。在锥形阀的结构中,锥形阀顶角为45°。入口与出口的主流道直径分别为77.8mm和50mm。笔者对不同的阀心行程,亦即不同的阀门开度进行了流场分析。2.计算解决方案在Phoenics-CFD软件中,紊流模型选择标准两方程k-ε模型,固壁边界条件采用无滑移条件和壁面函数法条件。3.阀腔内流场变化取出一种开度(行程)为17mm的流场计算结果进行讨论。从图1a可以看到压力的分布:在入口处压力较高,随着流入阀口,压力逐渐降低。在阀心锥面过流截面最小处,压力为最小;流入下阀腔的扩大腔后,出现流动重新附壁的地方,这里流动压力有所增加,压力有所恢复。在阀心的锥面起始端,流体向下转弯,由于惯性,阀心锥面这一段上流体有脱离之势,因而导致压力有所降低。从图1b可以看出,在锥阀的阀腔内的流动主要有两部分,一部分为主流,另一部分是局部旋转流动。在起始段,速度矢量几乎是平行的,说明流体在这一段是平稳的。当流进阀口时,流线开始收缩,速度的大小和方向也开始发生变化。下阀腔正对来流的壁面此处的速度箭头要长些,即速度值高于其它地方,这就是使下阀腔壳体被冲蚀损坏的流场原因。从锥形阀口喷出的流体经过一段长度后,会发生重新附壁现象。从图1c可以看出在锥阀的流场中,处于来流管径中间区域的流体质点直接流入阀口进入下阀腔,而还有大部分质点却绕流到阀心背面或侧面才进入阀口,正是由于这些质点的流动方向发生了急剧变化,因此造成了严重的能量损失。一般来说,气蚀现象出现在主流体和相对停滞的流体周围之间的高紊流交界面上。所以在锥形阀的设计中应避免由于尖锐的突出物而引起的高速流区。采用倒角形式能较好避免气蚀现象。在锥形阀流场中,存在分离流动和再附壁现象,这可引起能量损失和噪声。从力学角度看,因为锥形阀是悬臂梁,在高频振动下,容易产生疲劳断裂。因此,下面对具有简支梁性质的楔形阀进行分析。sdc中楔形阀的cfd计算分析1.cfd模型分析由于锥形阀容易发生断裂失效等事故。所以在锥形阀结构分析的基础上,对图2中的3种楔形阀结构进行改进设计。图3是图2b的三维CFD模型。笔者仅将阀心端面为弧面的情况作为实例来分析研究,其CFD模型结构见图3。同样,该模型是用Pro/E软件建立的,模型数据格式存为STL文件,然后转入Phoenics-CFD软件中进行流场分析。其网格划分、边界条件以及求解控制与前面锥形阀一样,这里不再赘述。2.流量对流场的影响与前面锥形阀的计算一样,在一定的流量下,对于不同开度的楔形阀进行了计算,得出各行程段(不同开度)所对应楔形阀的过流面积、湿周、当量直径以及压降、流阻系数,见表1。通过对表1的分析,得出在一定的流量下,各行程段所对应的压降与行程的关系曲线如图4所示。取开度(行程)为12mm的流场计算结果进行分析。从图5可以看出,在上阀腔内速度矢量线基本平行,说明流动比较稳定,在收缩阀口处速度最大;而在下阀腔内,速度值较大的矢量线处于腔的中间位置,且基本平行于壳体,这可减轻对壳体的冲蚀;在靠近下阀腔壁面的地方,流体发生反射并有漩涡产生。分析流线形式,发现流线基本上是沿阀心的弧形斜面进入下阀腔,说明流体流动的方向与阀心的结构形式基本一致,也就是阀心的结构对流体流向起引导作用,这对改进阀心的结构有重要指导作用。阀座壳体被刺穿的原因楔形阀的一般结构如图2a所示。其阀心为一斜面切割圆柱阀心而形成。该种形状的节流阀是现在油田普遍采用的形式。从力学角度来看,相当于一个简支梁。因为其阀心下端紧贴阀座,这样阀心的振动很小,或很难发生振动。因而楔形节流阀在操作过程中的稳定性好,在现场得到广泛应用。但在现场也发现,该种形式的节流阀容易发生阀座壳体被刺穿的事故。通过研究发现,阀座壳体被刺穿的原因主要有2个:一是材料,即阀座材料的抗腐蚀性能差,对泥浆等介质的腐蚀性抵抗力不强;其次是流场。通过流场分析可知,流体微粒以高速、高压冲向阀座壳体,不断地击打和剥蚀壳体表面,导致壳体表面形成裂纹,进而被刺穿。由于壳体有被刺穿的潜在危险,所以对斜面楔形阀心的结构形式进行了改进(如图2b所示)。这一结构基本与斜面形式一致,只是将斜面改成了弧面,即正对流体流进的楔形面是一个弧形面。其目的就是引导流体的流向,使高速流体质点不直接冲向壳体。通过大量的流场分析可知,在某些行程段,该结构压力会出现陡变,因此要对弧面型楔形阀进行进一步的改进。为了获得更合理的流场分布,笔者提出用2个斜面段组成阀心的楔形面,如图2c所示。从图上可以看出,该楔形阀阀心是由两段斜面组成,其中下端斜面与壳体中轴线平行,即与壳体表面平行,其目的是避免壳体壁面受到流体的直接冲击。大量的流场分析结果表明,该结构为最佳。油田应用证明,其寿命是锥形阀结构的5～7倍。液氯钢质分子(1)流体流进突然变化的区域要比流进逐渐变化的区域产生的流动阻力大,在节流阀的设计及安装中应多一些突然剧变的流道。当然,在足够大的流道面积下,形成的流动阻力越大越好。(2)对阀体部件如阀腔、阀心等的冲蚀主要来自那些高速撞击阀体部件的液体质点,即径直冲向壳体的那些质点。应尽量使阀心端面切线方向与壳体中轴线平行,即在阀心末端有一段平行于壳体中轴线的平面段。(3)锥形阀相当于一个悬臂梁,在高压高速流体的冲击下,易产生振动和疲劳破坏,而楔形阀在流场与结构场两方面较好,推荐使用楔形阀