采油井口闸阀开关度对其内部流动的影响分析

2013-11-02 马卫国长江大学机械工程学院

　　针对井口闸阀在实际应用中存在开关频繁的安全性问题，以某公司52.4mm采油井口闸阀为例，用数值模拟计算方法对不同开度时井口闸阀内部的流动情况进行模拟分析。分析结果表明，开关度对采油井口闸阀内部流场影响较大，受影响最大部位在左阀座的下端、闸板内和右阀座的下端；小开度时，采油井口闸阀进出口的压力损失较大，也会使闸板遭受介质冲蚀；全开时流体压力损失最小；不完全开度下，采油井口闸阀因受高速流体冲击会引起振动，闸板和阀座的密封面可能受损伤。因此，采油井口闸阀适合常开或常闭状态，不适用于调节或节流。

0、引言

　　闸阀是采油(气)井口装置的核心部件，可开启或截断管道介质并控制高压介质按照要求流向指定位置。在井口闸阀开关过程中，由于截面积的突变，流体对其内部流动的影响较大，会使井口闸阀产生较大的冲击和振动，导致其失效。井口闸阀开关次数有限，需经常更换，这给现场施工带来了许多不便。阀门结构较复杂，其内部的流动参数难以测量，而国内在这方面的研究相对较少，对管道流场流动细节的测量基本没有。

　　笔者针对井口闸阀在实际应用中存在开关频繁的安全性问题，以某公司52.4mm(2in)采油井口闸阀为例，用数值模拟计算方法对不同开度时井口闸阀内部的流动情况进行模拟分析。

1、数值模拟

　　1.1、井口闸阀阻力系数

　　流体流过井口闸阀时，随着截面积的突变会发生扰动，形成漩涡，或者会使流体质点之间发生碰撞，产生较大的能量损耗。流体在井口闸阀的进出口所产生的压降和阻力系数都是比较关键的参数。流体流过井口闸阀时局部压降公式为：

　　式中Δp———局部压降，Pa；ξ———局部阻力系数；ρ———流体密度，kg/m3；v———流体平均流速，m/s。

　　由式(1)可得闸阀局部阻力系数为：

　　对流体做如下假设：①没有热传导；②流体介质为不可压缩流体；③流动为定常流。

　　1.2、计算模型与网格划分

　　采油井口闸阀通径为52.4mm(2in)，闸阀长371mm。由于流道局部截面变化引起扰动的影响，需考虑一个完整的流动，故在阀的左右两端取相等长度的油管，总长为2000mm。根据采油井口闸阀基本结构，考虑到实际模拟的可行性，建立简化的闸阀实体模型。采用填充操作建立流体部分的几何体，得到所需流体模型。整体采用非结构网格划分，边界采用Inflation法划分，在阀座与闸板之间的部位进行网格加密，如图1所示。

采油井口闸阀开关度对其内部流动的影响分析

图1 网格划分

3、闸阀工作特性与破坏形式

　　由模拟结果可知，小开度时，采油井口闸阀进出口的压力损失较大；全开时流体流过整个闸板内孔，流体流动的压力损失最小。在不完全开度下，采油井口闸阀因受到高速流体的冲击会引起振动，闸板和阀座的密封面有可能受到损伤，同时小开度也会使闸板遭受介质的冲蚀。另外，在介质含固体颗粒或含砂情况下，阀内壁所遭受的冲蚀将更为严重。故采油井口闸阀处于常开或常闭的状态，具有较好的工作特性，一般不用作调节或节流。从大量的闸阀失效形式可以发现，闸阀的阀板、阀座和阀体内壁都出现不同程度的磨损和腐蚀，或出现阀板导流孔扩大和应力裂纹，更为严重的则出现阀体刺穿等现象。

　　模拟结果表明，局部高速区域与实际闸阀磨损位置吻合，说明闸阀内部流场的数值模拟结果正确，同时也论证了闸阀不宜用于调节或节流的工作特性。