基于CFD的翻板式浮閥流場模擬分析

張曉東，王慶倉，嚴(yán)永發(fā)，陶 赟，蔡光林，楊文武

·設(shè)計計算·

基于CFD的翻板式浮閥流場模擬分析

張曉東1，王慶倉1，嚴(yán)永發(fā)2，陶 赟2，蔡光林2，楊文武1

（1．西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，成都610500；2．中石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000）

根據(jù)?121 mm翻板式浮閥的結(jié)構(gòu)尺寸建立閥芯三維模型。采用CF D軟件對閥板不同開度時其速度場和壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬，然后用函數(shù)求解器求解不同開度時閥板的受力情況，分析閥板在關(guān)閉過程中的受力情況及流體變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：閥板和閥座密封貼合面處流體速度達(dá)到40 m／s，壓力約為60 M Pa，此處密封圈受沖蝕破壞嚴(yán)重；閥板在即將關(guān)閉時，直徑為4 mm的銷軸承受約1 600 N的沖擊載荷，容易被剪斷；可采用增加銷軸直徑或者熱處理的方法來提高銷軸的抗剪切能力。

翻板式浮閥；C F D；閥板；銷軸；數(shù)值模擬

翻板式浮閥是一種全通徑內(nèi)防噴工具，安裝在近鉆頭處，鉆井液正常循環(huán)沖開閥板，停止循環(huán)，閥板關(guān)閉（如圖1）。在高壓油氣井下，地層產(chǎn)生的大量氣體攜帶砂礫沿鉆柱內(nèi)上返，沖蝕閥板與閥芯的密封貼合面，造成閥板關(guān)閉不嚴(yán)，從而誘發(fā)井噴事故。關(guān)于翻板式浮閥的研究僅限于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析［1-3］，對閥芯流場的研究未見報道。因此，研究翻板式浮閥的內(nèi)部流場，找出閥板在關(guān)閉過程中流場的變化規(guī)律，可以對閥芯的結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)建議。筆者以?121 mm翻板式浮閥閥芯為例，采用C F D軟件對閥板不同開度時閥芯的速度場和壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬，然后用函數(shù)求解器求解不同開度時閥板的受力，研究閥板在關(guān)閉過程中的受力變化。

圖1　閥芯結(jié)構(gòu)

1　翻板式浮閥閥芯計算模型

1．1 數(shù)學(xué)模型

三維流動模擬采用雷諾時均N-S方程，并以kε湍流模型使方程組閉合，根據(jù)實際工況設(shè)定相應(yīng)的邊界條件后，求解以下方程組的定解問題。

連續(xù)方程［4］為

式中：ρ為密度，g／cm3；t為時間，s；ux、uy、uz為速度矢量u在x、y、z方向的分量，上標(biāo)“—”代表時間平均值；u為速度，m／s；p為流體微元體上的壓力，Pa；μ為動力黏度，Pa·s；Su為動量守恒方程的廣義源項。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型為

式中：C1ε、C2ε、σk、σε為模型常數(shù)，取值為C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3；k為流體湍動能，m／s2；ε為流體湍流耗散率，m／s3。

1．2 幾何模型

翻板式浮閥閥板的開度對流體在閥內(nèi)的流動有很大影響，因此建立閥板不同開度時閥芯的流體域三維模型。閥板開度的閥芯三維幾何模型如圖2所示。

圖2　閥芯三維幾何模型

1．3 計算模型

以閥板開度為30°的翻板式浮閥為例，建立閥芯的流場計算模型（如圖3）。閥芯流場模型的最大單元尺寸設(shè)置為2 mm，比例因子為1．0。使用四面體單元，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對流體進(jìn)出口壁面進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化［5］。

圖3　流場計算模型

采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，用高階求解差分格式處理對流項，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，在近壁面處采用Scalable壁面函數(shù)法處理。施加的邊界條件如下：

1） 采用速度入口，流體選用清水，速度為20 m／s，方向垂直于入口端面，設(shè)置中等湍流密度。

2） 采用平均靜態(tài)壓力出口，壓力設(shè)定為60 M Pa。

3）壁面采用無滑移、絕熱的壁面邊界條件［6-7］。

2　結(jié)果分析

2．1 閥芯內(nèi)部流場分析

在xy坐標(biāo)平面內(nèi)創(chuàng)建閥芯平面Plane1，流體速度場如圖4所示。流體經(jīng)過閥板，速度由18．22 m／s增加到42．52 m／s，高速流體沖擊閥板和閥座密封貼合面，密封圈受沖蝕嚴(yán)重。高速流體迅速進(jìn)入閥座，沖擊閥座的一側(cè)，速度在閥座內(nèi)達(dá)到最大值60．75 m／s。

圖4　速度場云圖

在平面Plane1上建立閥芯內(nèi)部壓力場（如圖5）。井下上返流體壓力為60．91 M Pa時，閥芯內(nèi)部壓力最大值為61．35 M Pa，小于現(xiàn)場使用的翻板式浮閥的額定壓力70 M Pa。閥板下表面的壓力大于閥板上表面的壓力，差值約為0．11 M Pa，足以推動閥板迅速關(guān)閉通道。

圖5　壓力場云圖

2．2 閥座流場分析

對比圖4～5中閥座入口處的速度場和壓力場，可以看出：在閥座入口處流體速度增加，壓力減小。建立閥座處60．5 M Pa壓力等值面（如圖6），發(fā)現(xiàn)壓力主要集中在閥座和閥板密封貼合面處，此處的密封圈受壓而容易損壞。

圖6　閥座壓力等值面

2．3 閥板表面受力分析

發(fā)生井噴時，高壓流體在閥體內(nèi)上返，沖擊閥板下表面，閥板迅速關(guān)閉。閥板下表面承受的壓力最大值為61．34 M Pa（如圖7），且流體中混雜的固相顆粒在高速下會沖刺閥板，造成閥板局部材料損失。在即將關(guān)閉時，閥板以上的壓力瞬間變?yōu)榱?，從而產(chǎn)生巨大的壓力沖擊，使得閥板發(fā)生塑變。關(guān)閉狀態(tài)下的閥板等效為周邊簡支受均布載荷的圓平板，根據(jù)彈性力學(xué)知識，圓形平板在壓力作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力在中心處。因此，閥板中心處容易被流體刺穿。

圖7　閥板下表面的壓力云圖

使用C F X后處理中的函數(shù)求解器分別求解閥板上下表面沿x軸和y軸的力，用下表面的力減去上表面的力，得到閥板沿x軸的力Fx＝568．1 N，閥板沿y 軸的力Fy＝327．5 N。把Fx和Fy分別分解到垂直閥板方向和平行閥板的方向，垂直閥板的力FV可以認(rèn)為是流體推動閥板關(guān)閉的力，平行閥板的力FH傳遞到銷軸上，對銷軸產(chǎn)生剪切作用（如圖8）。

圖8　閥板受力分析

由圖8中的幾何關(guān)系可以得出

計算得FV＝567．67 N，F(xiàn)H＝328．24 N。

2．4 不同開度時閥板受力分析

筆者又分別模擬了閥板打開90°、75°、60°、45° 和15°時的流場情況，用函數(shù)求解器求解不同開度時閥板的受力，以研究翻板式浮閥的閥板在關(guān)閉過程中的流場變化規(guī)律和閥板受力變化。入口流量不改變，隨著閥板開度的減小，閥板下表面的靜壓逐漸增加，垂直閥板的力呈線性規(guī)律增加（如圖9）。閥板開度為90°時，垂直閥板的力為10．58 N，閥板開始繞著銷軸沿著推力的方向運動，閥板和閥座之間的間隙逐漸減小，直至閥板和閥座閉合。閥板開度為15°時，垂直閥板的力達(dá)到821．4 N。閥板在即將關(guān)閉時受到的巨大推力會沖擊密封圈，造成密封圈被壓潰。

圖9　開度與垂直閥板力的關(guān)系曲線

閥板開度與平行閥板力的關(guān)系曲線如圖10所示，可以看出：開度為45～90°時，平行閥板的力指向銷軸，最大值為110．89 N；在開度小于45°時，F(xiàn)H的方向發(fā)生改變，最大值為1 614．10 N。FH間接作用于銷軸，銷軸在沖擊載荷作用下容易被剪斷。

圖10　開度與平行閥板力的關(guān)系曲線

3　翻板式浮閥現(xiàn)場使用情況

筆者統(tǒng)計了翻板式浮閥在新疆某油田的失效案例（如圖11），發(fā)現(xiàn)失效形式為：閥板和閥座密封貼合面受到高壓液流的沖蝕，造成密封圈密封失效；銷軸承受大的剪切力被剪斷；高壓液流上返時刺穿閥板；彈簧失效造成閥板關(guān)閉不嚴(yán)。

以上失效形式均與流場數(shù)值模擬結(jié)果一致，說明筆者的翻板式浮閥流場數(shù)值模擬結(jié)果是正確的。

圖11　翻板式浮閥失效形貌

4　結(jié)論

1） 發(fā)生井噴時，井底高壓流體流入翻板式浮閥，流體流向閥座和閥板貼合面的流速達(dá)到42．52 m／s，此處的壓力是60．5 M Pa；在高壓和高速流體的沖蝕下，密封圈易發(fā)生損壞?？稍O(shè)計閥芯流道，通過改變流體的流向來降低貼合面的沖蝕。

2） 翻板式浮閥的閥板在關(guān)閉過程中，垂直閥板的力呈線性規(guī)律增加，會沖擊密封圈；平行閥板的力呈反向增大—減小—增大的趨勢，對銷軸產(chǎn)生剪切作用。選用性能良好的材料加工銷軸或者對銷軸進(jìn)行熱處理以增加其抗剪切能力。

3） 閥板下表面的壓力最大值為61．34 M Pa，最大應(yīng)力集中在閥板中心處，閥板容易被高壓高速流體刺穿。可在閥板密封面處焊接特殊合金層，提高閥板的抗沖蝕和耐腐蝕能力；改變閥板下表面形狀為弧形，提高閥板的抗沖擊能力。

［1］魏強，肖潤德，潘登．一種雙板安全浮閥：中國，201220272770．8［P］．2013-01-16．

［2］ 謝娟，王德玉，李悅欽，等．鉆具內(nèi)防噴工具的現(xiàn)狀和研究方向建議［J］．機械，2007，34（10）：4-6．

［3］ 鄭泳．F型新型鉆具浮閥研制與應(yīng)用［J］．鉆采工藝，2010，33（4）：80-82．

［4］ 王福軍．計算流體動力學(xué)分析：C F D軟件原理與應(yīng)用［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

［5］ 張永學(xué)，李振林．流體機械內(nèi)部流場數(shù)值模擬方法綜述［J］．流體機械，2006，34（7）：34-38．

［6］ 祝效華，劉少胡，童華．氣體鉆井鉆桿沖蝕規(guī)律研究［J］．石油學(xué)報，2010，31（6）：1013-1017．

［7］ 馮文榮，曹佳，朱海燕，等．方鉆桿旋塞閥流場的三維數(shù)值模擬研究［J］．石油機械，2012，40（5）：7-10．

Sim ulation Analysis of Flow Field of the Flapper Float Valve Based on CFD

ZHANG Xiaodong1，WANG Qingcang1，YAN Yongfa2，TAO Yun2，CAI G uanglin2，YANGWen wu1
（1.College of M echanical and Electrical Engineering，South west Petroleu m Uniuersity，Chengdu610500，China；2.Tarim Oilfield Com pany，CNPC，K orla841000，China）

a three-dimensional m odel of valve spool was established according to the structure size of ?121 mm flapper float valve．The C F D software was adopted to conduct a nu merical sim ulation research on velocity field and pressure field of valve spool w hen the flapper in different opening，the force on flapper was w orked out by the function solver，to revealthe variation law of fluid and the change of the force on the flapper in the process of flapper closing．The results show that the speed is 40 m／s and the pressure is about 60 M Pa on the valve seat sealing joint surface w here the seal erosion damageis serious．A 4 mm dia meter pin bears the im pactload about 1，600 N w hen the flapper is co ming off．T he pin is easy to be sheared．Increasing the dia meter of the pin or using the method of heat treatment can im prove the shear resistance of the pin．

flapper float valve；CF D；flapper；pin；nu merical sim ulation

T E921．5

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．006

1001-3482（2015）01-0022-05

2014-07-24

國家重大科技專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)—塔里木盆地庫車前陸沖斷帶油氣開發(fā)示范工程”（2011ZX05046）

張曉東（1959-），男，重慶武隆人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事石油天然氣裝備和油氣鉆采新工具研究，E-mail：zxd123420＠126．co m。