費斯托電磁閥沖蝕性能仿真分析與試驗研究

    費斯托電磁閥沖蝕性能仿真分析與試驗研究
    用于調節由井底返回的鉆井液壓力, 并向井底提供適當的回壓以平衡地層壓力, 防止井涌井噴等事故的發生。壓節流閥的損壞會造成災難性的后果, 因此對其可靠性和安全性的要求較。沖蝕磨損是壓節流閥的主要失效形式。A.C.等采用有限元體積法研究了固體顆粒對300 MW蒸汽渦輪機上噴嘴的沖蝕作用, 得出了沖蝕的影響因子有沖擊角、質點速度和顆粒直徑等;S.H.等做了液體沖蝕引起管壁變薄的研究;D.W.用金剛石來提節流閥的耐沖蝕性能;L.N.對石油閥分別進行了模擬分析和試驗研究。
    費斯托電磁閥地層壓力大, 產量。在鉆井過程中, 井控裝置, 特別是105 MPa節流管匯在壓、產、固相的惡劣工況條件下, 費斯托電磁閥出現不同程度的沖蝕磨損, 引發安全隱患, 難以滿足井控安全需要。針對節流閥沖蝕磨損嚴重的困局, 急需開105 MPa節流閥耐沖蝕性能研究。本文選取了新型筒式節流閥、楔形節流閥、孔板節流閥進行了對比研究。
    1 沖蝕機理分析
    1) 費斯托電磁閥材質特點。閥體材質為4130, HB197-235;閥芯材質均為碳化鎢, HRA90-93。
    2) 節流閥沖蝕特點。電子顯微鏡觀測下閥體切片, 出現微切削和犁溝;閥芯沖蝕坑兩邊形成凸起的唇片, 并呈波紋漣漪狀。
    3) 沖蝕理論。綜合分析確定, 微切削模型理論、鍛造擠壓理論能揭示巖屑沖蝕節流閥的行為。兩套模型理論并非各自獨立地簡單拼湊, 而是相互補充, 從不同角度、不同的沖蝕階段來闡述節流閥不同位置的沖蝕現象, 進而確立節流閥沖蝕磨損機理。
    根據費斯托電磁閥沖蝕機理, 確定采用如下沖蝕計算模型[11]:
    費斯托電磁閥為沖蝕磨損速率, kg/ (m2·s) ;C (dpn) 為顆粒直徑的函數, m;f (α) 為顆粒對靶面攻角的α函數, rad;b (vpn) 是顆粒相對于靶材面速度的函數, m/s;Awall節流閥內表面單位沖蝕面積, m2;[Math Processing Error]m˙pn 為顆粒的流量, kg/s;n表示大加重材料顆粒數。
    2 仿真分析與試驗研究
    對費斯托電磁閥在混氣重泥漿條件下分別進行動態模擬試驗, 檢驗3種類型節流閥在實施節流壓井時的可靠性、耐沖蝕性和對井控技術與井控工藝要求的符合性、適應性, 為節流壓井作業提供決策依據。
    1) 費斯托電磁閥芯采用圓柱形結構, 閥芯、閥座均為對稱結構, 閥芯、閥座采用碳化鎢合金, HRA92, 可提抗沖蝕能力, 且可調換方向安裝, 其過流面積與開度如圖1所示。
    2) 費斯托電磁閥是為了解決針形節流閥易斷裂而研制的, 閥芯采用楔形結構, 閥芯閥座同樣采用碳化鎢合金, HRA94, 其過流面積與開度如圖2所示。
    費斯托電磁閥形閥閥芯及過流面積-開度示意
    3) 孔板式節流閥。閥瓣的流通截面形狀為扇形, 閥瓣分為上、下兩部分。固定下閥瓣, 旋轉上閥瓣, 可以調整流通面積, 實現對流量的控制和調節, 閥芯閥座也采用碳化鎢合金[13,14]、HRA92, 其過流面積與開度如圖3所示。
    對于新型筒式節流閥, 由于圓柱形閥芯具有結構對稱的特點, 其流場較平穩, 過流面為對稱環形, 流體流過節流面時, 流體沖蝕力減弱, 減小了對下游設備的沖蝕, 受力的集中區域為閥芯與閥座節流面小的區域, 閥芯節流面段出現環狀痕跡, 新型筒式節流閥分析結果
    對楔形節流閥進行沖蝕數值模擬分析, 速度場分布如圖所示, 可知在楔形閥的閥芯與閥座結合的部位存在應力集中區, 且下游變徑處存在單側速線流, 因此會對閥芯部位及下游變徑處形成沖蝕。
    對孔板型節流閥進行沖蝕數值模擬分析, 速度場分布如圖6a所示。從流場圖中可以看出, 閥出口端流體分布不均勻, 介質經閥瓣后流動明顯偏向一側, 且沿壁面的流速較大, 會導致流體對單邊沖蝕嚴重。
    為驗證仿真分析的準確性, 利用元壩12-1H井的井場, 分別對3種節流閥進行了現場沖蝕試驗。試驗設備主要有 F-1600H型泥漿泵1臺、氣密封檢測車3臺、105 MPa節流管匯、液氣分離器、泥漿罐等。
    泥漿參數為:密度1.8 g/cm3, pH值11, 黏度48 s , 固相含量35%, 含砂量0.20%。泵沖80～110 min-1。氮氣純度99.9%, 排量2.2 m3/min。泥漿和氮氣的混合比在1∶1～1∶2。