頁巖氣鉆采井口平板閥的設(shè)計(jì)

劉 亮，蔣 興，劉 敏，李朝明，張鐵軍，涂銘旌

頁巖氣是指賦存于暗色泥頁巖、高碳泥頁巖及其夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖中以自生自儲(chǔ)成藏的天然氣聚集.頁巖氣儲(chǔ)集層滲透率低，開采難度較大.隨著能源日益匱乏，作為傳統(tǒng)天然氣的補(bǔ)充，人們逐漸意識(shí)到頁巖氣的重要性，如重慶市涪陵區(qū)已計(jì)劃今年開采.頁巖氣開采過程中新技術(shù)及新工藝的創(chuàng)新問題日益突出.高壓分段壓裂技術(shù)是頁巖氣規(guī)模化應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).壓裂過程中高壓大口徑閥門是核心裝備，要求壓裂和生產(chǎn)時(shí)承載高低壓的交變載荷，承受酸性含砂物質(zhì)和細(xì)沙的磨損，并且開關(guān)力矩小.我國閥門的設(shè)計(jì)制造與國際先進(jìn)水平仍存差距，許多高壓大口徑閥門依賴進(jìn)口，高壓大口徑閥門迫切需要國產(chǎn)化.本文在借鑒國內(nèi)外平板閥技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)API 6A 的規(guī)范要求，設(shè)計(jì)了一種頁巖氣鉆采井口平板閥.

1 閥的原理結(jié)構(gòu)及特性

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

頁巖氣鉆采井口平板閥主要由閥體、閥座、閥板、導(dǎo)板、閥桿、波形彈簧、閥蓋、盤根、盤根壓帽、液缸、保護(hù)罩等零部件組成，如圖1所示.液缸通過閥桿帶動(dòng)閥板上下移動(dòng)而開關(guān)閥門.

圖1 頁巖氣鉆采井口平板閥

閥板采用整體式結(jié)構(gòu)可防止鉆采時(shí)泥漿等雜質(zhì)進(jìn)入閥體內(nèi)腔.閥板上開有圓形導(dǎo)流孔，孔徑與閥座及閥體的通徑一致.閥門所具有的全通徑特點(diǎn)，使得閥門全開時(shí)閥體、閥座、閥板的通孔成平滑的直管線，流體流過的阻力最小，并且井下工具或儀器通過時(shí)不發(fā)生掛卡，閥板密封面避免受損傷和介質(zhì)沖蝕.在閥全開時(shí)，閥板與閥座始終貼合，阻斷了雜質(zhì)進(jìn)入閥腔的通道，并能起到清掃密封面的作用，使密封面不易附著頁巖氣中的沙粒.

閥座采用浮動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖2所示.閥座浮動(dòng)是指閥座對(duì)閥板的軸向移動(dòng)，以及閥座對(duì)閥體的徑向浮動(dòng).浮動(dòng)量(即間隙)要大于材料的熱膨脹量，以防止工作時(shí)產(chǎn)生閥座與閥體的擦傷，或閥座在閥體上卡住，但浮動(dòng)量也不能過大，過大不能有效密封.預(yù)留的徑向間隙也不能過大，過大會(huì)影響閥板與閥座密封面的貼合度.在閥座與閥體之間設(shè)置一個(gè)伸縮補(bǔ)償性能高的波形彈簧，其既能使閥座實(shí)現(xiàn)軸向浮動(dòng)，又能實(shí)現(xiàn)徑向浮動(dòng)，保證工作時(shí)閥座不被卡住，而且使閥座帶有預(yù)緊力，從而使閥座與閥板之間在低壓力時(shí)也可以保持良好的密封性能.在閥座上裝有能容納閥板的導(dǎo)板，排除了閥板歪斜的可能性，并且在閥門半開時(shí)，防止大顆粒砂礫進(jìn)入閥腔.

圖2 浮動(dòng)閥座示意圖

閥桿組件中增加了平衡尾桿結(jié)構(gòu)，以保證閥門工作過程中的壓力平衡，降低了開啟和關(guān)閉過程中的扭矩.閥桿上設(shè)計(jì)有金屬倒密封機(jī)構(gòu)，可以帶壓更換閥桿密封圈.閥門設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置，可以有效快速地開啟和關(guān)閉閥門.該平板閥是金屬對(duì)金屬密封的閥門，閥體外部設(shè)有注油脂結(jié)構(gòu)，油脂通過注脂器、閥座進(jìn)入閥門密封面，使閥門達(dá)到零泄漏，便于針對(duì)閥體內(nèi)腔進(jìn)行潤滑處理.

1.2 工作原理

頁巖氣鉆采井口平板閥通過液缸中的活塞帶動(dòng)閥桿上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥板的上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)操作閥門的開和關(guān).閥板和閥座的設(shè)計(jì)均采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu).由于采用了對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥門全開狀態(tài)時(shí)，閥門進(jìn)出口端無頁巖氣壓力或進(jìn)口端頁巖氣壓力等于出口端頁巖氣壓力時(shí)，閥座與閥體間的波形彈簧能使閥板和閥座自動(dòng)回正，閥板在閥體中心線位置，閥座緊貼在閥板兩平面.全關(guān)狀態(tài)時(shí)，進(jìn)口端頁巖氣壓力大于出口端頁巖氣壓力，頁巖氣將閥板推向出口端使閥座形成密封.同時(shí)，入口端閥座在高壓介質(zhì)和彈簧推力的共同作用下壓向閥板，使入口端密封面達(dá)到所必需的密封比壓，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口端密封.

當(dāng)閥門在全關(guān)狀態(tài)或全開狀態(tài)下，閥腔中壓力異常升高并高于系統(tǒng)介質(zhì)壓力時(shí)，閥腔中介質(zhì)作用在閥座上的力大于系統(tǒng)介質(zhì)作用在閥座上的力和波形彈簧作用在閥座上的力之和，在全關(guān)狀態(tài)下，進(jìn)口端閥座脫離閥板，閥腔中介質(zhì)向閥門進(jìn)口端自動(dòng)泄放，泄壓后閥座自動(dòng)復(fù)位.在全開狀態(tài)下，出口端閥座或進(jìn)口端閥座脫離閥板，閥腔中介質(zhì)向閥門出口端自動(dòng)泄放，泄壓后閥座自動(dòng)復(fù)位.

1.3 性能特性

按照API6A要求和壓裂設(shè)備在壓裂過程中壓力較高的特點(diǎn)，頁巖氣鉆采井口平板閥根據(jù)不同的工況選擇合適的材料并充分考慮閥門結(jié)構(gòu)的合理性.閥板和閥座采用膨脹系數(shù)相同或相近的材料，密封副的表面噴涂硬質(zhì)合金，增加其密封性、抗腐蝕和抗擦傷性能，有效減小扭矩，并防止使用過程中壓裂砂對(duì)密封面的污染.閥桿密封填料采用改良聚四氟乙烯，并增加PEEK 支撐環(huán)作導(dǎo)向和扶正，有效延長了閥門使用壽命.

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

所有的零件按照設(shè)計(jì)要求假設(shè)材料無缺陷，假設(shè)為理想的剛體，不發(fā)生變形，假設(shè)壓力作用均勻.不考慮零件的不連續(xù)性和應(yīng)力集中.

2.1 閥體壁厚

按ASME BPVC:2004 以及2005 和2006 增補(bǔ)中第Ⅷ卷第2 冊所敘述的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)許用應(yīng)力ST為

式中:ST為靜水壓試驗(yàn)壓力下總的最大許用主膜應(yīng)力強(qiáng)度，單位為MPa;SY為材料規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度，單位為MPa;殼體的最小需要厚度t 為

式中:R 為殼體內(nèi)半徑，單位為mm;P 為設(shè)計(jì)內(nèi)壓，單位為MPa;S 為在設(shè)計(jì)溫度時(shí)用于封頭計(jì)算的許用應(yīng)力，單位為MPa.當(dāng)閥體設(shè)計(jì)壁厚≥t時(shí)，表明閥體滿足要求.

2.2 閥蓋最小壁厚

由于螺栓連接而產(chǎn)生有邊緣力矩的蓋板及法蘭的最小厚度應(yīng)不小于計(jì)算的數(shù)值:

T 為平封頭、蓋板或法蘭所需的最小厚度，d 為內(nèi)腔直徑，W 為螺栓總載荷，hG為墊片力臂，S為對(duì)于各種載荷組合的薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限.對(duì)于螺栓連接的蓋板S 是設(shè)計(jì)溫度(操作狀態(tài))或環(huán)境溫度(墊片壓緊狀態(tài))時(shí)法蘭(蓋板)材料的最大許用應(yīng)力值.C 為取決于封頭的連接方法.

2.3 閥座密封面比壓的驗(yàn)算

閥座密封面比壓的驗(yàn)算應(yīng)滿足關(guān)系式:

式中:qMF為密封面上必需的比壓，單位為MPa;q 為驗(yàn)算的實(shí)際比壓，單位為MPa;［q］為密封面的許用比壓，單位為MPa.

d 為閥座密封面內(nèi)徑，單位為mm;bm為閥座密封面寬度，單位為mm;QMZ為出口端閥座密封面上的總作用力，單位為N.平行式閘板自動(dòng)密封:

式中:QMJ為作用在出口密封面上的介質(zhì)靜壓力，單位為MPa.

2.4 閥桿總軸向力計(jì)算

閥桿總軸向力的計(jì)算公式為

式中:Q'FZ為閘閥關(guān)閉時(shí)的閥桿總軸向力，Q″FZ為閘閥開啟時(shí)的閥桿總軸向力，QP為介質(zhì)作用于閥桿上的軸向力，Q'、Q″為關(guān)閉和開啟時(shí)的閥桿密封力，即閥桿與閥板間的軸向作用力，QT為閥桿與填料間的摩擦力.以上各力的單位均為N.

式中:dF為閥桿直徑，單位為mm.

式中:f'M為關(guān)閉時(shí)密封面間的摩擦系數(shù);f″M為開啟時(shí)密封面間的摩擦系數(shù)，通常取f″M=f'M+0.1 ;QMJ為作用在出口密封面上的介質(zhì)靜壓力，單位為MPa;QG為閥板組件的重量，單位為N.

式中:dF為填料密封處的閥桿直徑，單位為mm;hT為填料層的總高度，單位為mm;μT為閥桿與填料間的摩擦系數(shù).

3 常見故障及排除方法

頁巖氣鉆采井口平板閥故障及排除方法如表1所示.

表1 可能發(fā)生的故障及排除方法

4 結(jié)語

頁巖氣鉆采井口平板閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于閥座的結(jié)構(gòu)、密封比壓的計(jì)算和總軸向力的控制，以及各種不同工作環(huán)境下對(duì)閥門各零部件材料和密封面材料的選用及熱處理.頁巖氣鉆采井口平板閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，只要材料選用得當(dāng)，作為頁巖氣壓裂井口裝置的重要部件，耐高壓、耐磨損、密封性能好，開啟靈活，能滿足頁巖氣鉆采需要，是一種市場前景很好、很具有開發(fā)潛力的閥門.

［1］ 陸培文，高鳳琴.閥門設(shè)計(jì)計(jì)算手冊：第2 版［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］ 陸培文.閥門設(shè)計(jì)入門與精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 閔存章，黃玉珍，慕春梅，等.頁巖氣是潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源［J］.天然氣工業(yè)，2009，29(5)：1－5.

［4］ American Petroleum Institute.API SPEC 6A 20th－2010，Specification for wellhead and christmas tree equipment［S］.Washington，API Publishing Services，2010：134 －136.

［5］ American Society of Mechanical Engineers.ASME －BPVC－Ⅷ－2 －2004，Rules for construction of pressure vessels［S］.New York，2004：54 －55，88 －89.