注氣閥設(shè)計(jì)計(jì)算及有限元分析

程心平,姚智翔,牛貴鋒

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司,天津300452)

注氣閥設(shè)計(jì)計(jì)算及有限元分析

程心平,姚智翔,牛貴鋒

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司,天津300452)

對(duì)注氣閥進(jìn)行了總體設(shè)計(jì),用SOLID185單元建立了閥和閥座的有限元模型,分析了閥座和閥桿的應(yīng)力和變形。

注氣閥;設(shè)計(jì);有限元分析

我國(guó)已開發(fā)的油氣田大部分進(jìn)入中后期,盡管采取注水等一系列措施取得了顯著成效,但近年來在低滲透油田注水開發(fā)中反映出注水壓力高、成本高、滲透率低、產(chǎn)能低等一系列問題,有相當(dāng)一部分原油在地下開采不出來,剩余油和復(fù)雜油氣藏的開采就顯得尤為重要。為了提高原油采收率,注氣[1]等采油(氣)工藝技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用。由于氣體具有易流動(dòng)、降低粘度、體積膨脹、降低界面張力的作用,注氣適用的油藏種類、深度和范圍較為廣泛,且不受地層溫度和礦化度的影響,因此在低滲透油藏[2]開發(fā)中有明顯優(yōu)勢(shì)。

注氣閥的設(shè)計(jì)計(jì)算是注氣開發(fā)工藝中的重要內(nèi)容。本文進(jìn)行了注氣閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)閥桿和閥座進(jìn)行了有限元分析[3]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

注氣閥總體結(jié)構(gòu)如圖1,主要由閥座、閥桿、彈簧、銅套、下接頭5部分組成。注氣閥工作時(shí),由于閥桿在氣體作用下與下接頭頻繁接觸,閥桿與下接頭之間容易發(fā)生磨損,影響注氣閥的工作性能和使用壽命,所以在下接頭與閥桿之間設(shè)計(jì)一個(gè)銅套,可以對(duì)閥桿和下接頭起到很好的緩沖和保護(hù)作用。

圖1 注氣閥結(jié)構(gòu)

1.2 基本參數(shù)

最大工作壓力 11 MPa

最高工作溫度 200℃

注氣量 10×104m3/d

介質(zhì) 弱腐蝕氣體

1.3 工作原理

單向注氣閥屬于方向控制閥,主要作用是控制系統(tǒng)中流體的流動(dòng)方向,其工作原理是利用閥芯和閥體之間相對(duì)位置的改變來實(shí)現(xiàn)通道的接通或斷開,以滿足系統(tǒng)對(duì)通道的不同要求。

單向注氣閥與油管相連,一端為公螺紋,一端為母螺紋。氣體通過油管進(jìn)入到上接頭,使上接頭內(nèi)氣壓升高,氣壓力使彈簧壓縮,閥芯被推開,氣體從上接頭進(jìn)入到下接頭,通過下接頭注入到油管。

1.4 密封面

在單向注氣閥密封面堆焊一層具有特殊性能的合金,目的是提高注氣閥密封面的抗擦傷、抗腐蝕、抗沖蝕、抗高溫等綜合性能,該工藝不但可以降低成本,而且提高了注氣閥的使用壽命。

選擇注氣閥密封面堆焊材料,首先應(yīng)滿足注氣閥的使用要求,壽命長(zhǎng),密封性能好,并根據(jù)注氣閥密封面的主要失效形式來考慮材料的綜合性能、工藝性、加工性和經(jīng)濟(jì)性;其次要根據(jù)使用溫度、壓力、介質(zhì)以及堆焊材料的焊接工藝適用性,其中材料堆焊的抗裂性是極其重要的指標(biāo)。

根據(jù)注氣閥的設(shè)計(jì)工況,在閥桿和閥座密封面處堆焊鈷基D812合金能夠滿足密封性、硬度、耐磨性等要求。

1.5 彈簧[4]

鋼絲直徑 d=315 mm,彈簧內(nèi)徑 D1=2315 mm,彈簧中徑D2=D1+d=27 mm,切變模量G=8 ×104MPa,彈簧工作圈數(shù)n=9,彈簧剛度λ=Gd4/ 8D32n=8147 N/mm。

2 有限元分析[5]

2.1 閥座

2.1.1 有限元模型

建模選用SOLID185單元,在閥座內(nèi)環(huán)面施加的壓力為11 MPa。閥座有限元模型如圖2。

SOLID185單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu),通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著 x、y、z方向平移的自由度。SOLID185單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力,還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料。

圖2 閥座有限元模型

2.1.2 結(jié)果分析

閥座的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖3～4,可以看出,閥座的最大變形為0.001 17 mm,最大應(yīng)力為17.594 MPa,出現(xiàn)在閥座內(nèi)環(huán)。

圖3 閥座變形云圖

圖4 閥座應(yīng)力云圖

2.2 閥桿

2.2.1 有限元模型

選用SOLID185單元建立閥桿有限元模型,在閥桿的各個(gè)面施加11 MPa的壓力,只取部分閥套,主要獲得閥桿的應(yīng)力以及閥桿和閥套的變形。閥桿有限元模型如圖5。

2.2.2 結(jié)果分析

閥桿的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖6～7,可以看出,閥桿的最大變形為0.003 556 mm,最大應(yīng)力為12.528 MPa,在桿頭(大徑)和桿(小徑)的連接處。

圖5 閥桿有限元模型

圖6 閥桿變形云圖

圖7 閥桿應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1) 注氣閥為單向控制閥。

2) 閥座的最大變形為0.001 17 mm,最大應(yīng)力為17.594 MPa,出現(xiàn)在閥座內(nèi)環(huán)。

3) 閥桿的最大變形為0.003 556 mm,最大應(yīng)力為12.528 MPa,出現(xiàn)在閥桿與彈簧接觸處。

[1] 朱煥剛,李宗清,楊德京,等.井下氣液分離及回注技術(shù)研究現(xiàn)狀分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(7):7-10.

[2] 穆新龍.不同開發(fā)階段的油藏描述[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000.

[3] 王路超,徐興平.基于ANSYS的割縫篩管強(qiáng)度分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(4):41-43.

[4] 陸培文.實(shí)用注氣閥設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:1 117-1 118.

[5] 胡國(guó)良.有限元分析入門與提高[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009:2-52.

Design Calculation of Suction Valve and Finite Element Analysis

CHEN G Xin-ping,YAO Zhi-xiang,NIU Gui-feng
(Oilf ield Technology Services Co.,CNOOC Energy Technology&Services Co.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Suction valve were designed,SOLID185 element was used to set up the finite element model for valve stem and valve seat,stress and deformation of valve stem and valve seat was analyzed.

suction valve;design;finite element analysis

1001-3482(2010)01-0065-03

TE934.402

B

2009-07-06

程心平(1968-),男,山西汾陽人,高級(jí)工程師,1990年畢業(yè)于西安石油學(xué)院礦機(jī)專業(yè),長(zhǎng)期從事采油工藝和井下工具開發(fā)研究,E-mail:chengxp@cnooc.com.cn。