5 1/8—105 MPa新型防砂閘板閥的研制與應用

楊瑋

文章編號：2095-6835（2017）10-0151-02

摘 要：為適應高壓高含砂作業(yè)工況的需求，研制了105 MPa新型防砂閘板閥。該型防砂閘閥采用雙閥座密封結構，設置防砂擋板及防砂隔環(huán)，能有效阻止高壓介質中的砂礫進入閥腔，保護了密封面，延長了閘閥的使用壽命，可靠性高，降低了使用成本，能較好地滿足各類高含砂作業(yè)工況的需求。

關鍵詞：高含砂；防砂閘閥；雙閥座結構；浮動密封

中圖分類號：TE358+.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.151

閘板閥在石油或天然氣鉆井、壓裂、試油試氣等作業(yè)中有著廣泛的應用。在含砂量較大的施工作業(yè)中，常規(guī)閘板閥容易產(chǎn)生密封失效，砂礫進入閥體腔中造成閥腔沉砂，增加了閥門維護頻率，降低了閥門的使用壽命，同時也嚴重影響了施工進度和作業(yè)安全。閥腔進砂是導致閘板閥關閉失效的主要原因，多發(fā)生于閘板閥關閉狀態(tài)時，砂礫由閘板和閥座之間的間隙進入閥腔，并堆積在閥腔底部，再次關閉時，閥板不能完全關閉，在高壓、高速、高沖蝕性流體通過時，形成孔徑節(jié)流效應，造成閥座和閥板的快速沖蝕磨損，致使閥門密封失效。

為解決閘板閥密封失效及閥體腔塵砂問題，延長閘板閥的使用壽命，降低使用成本，保障施工安全，第四石油機械廠自主研制出了5 1/8-105 MPa等系列防砂閘板閥。

1 技術分析

1.1 結構

如圖1所示，該型防砂閥主要由齒輪箱，軸承，閥桿，閥板，內(nèi)、外閥座，防紗隔環(huán)，擋砂板和閥體等部件組成。齒輪箱與閥桿之間通過螺紋傳動，閥桿帶動閥板上提或下放，實現(xiàn)閥門的開關。齒輪箱的使用使閥門開關時比較省力。其中，內(nèi)、外閥座的自密封結構，閥座與閥板之間的金屬浮動密封，閥座與閥體之間的雙道密封結構設計是該閥門防砂結構設計的關鍵。

1.2 技術參數(shù)

該型防砂閥的主要技術參數(shù)如下：

額度工作壓力：15 000 psi（105 MPa）；

試驗壓力：22 500 psi（158 MPa）；

公稱通徑：5 1/8（78 mm）；

性能等級：PR1；

產(chǎn)品規(guī)范等級：PSL3；

溫度級別：PU；

驅動形式：暗桿手動（齒輪箱式）；

端部連接形式：BX154 API 6A。

1.3 關鍵技術

閥板采用工作面平行設計，噴焊WC后拋光，閥板和閥桿之間通過燕尾槽連接，如圖2所示，使閥板能沿著導向方向左右平移，即實現(xiàn)閥板的浮動。閥板和閥體內(nèi)腔之間對稱裝有內(nèi)閥座（閥座1）和外閥座（閥座2），如圖3所示，內(nèi)、外閥座之間采用雙道O形密封圈密封，內(nèi)閥座和閥板之間為金屬面密封，外閥座與閥體之間采用端面密封和活塞密封結構，增加密封可靠性。內(nèi)、外閥座之間設置金屬防砂隔環(huán)，阻止砂礫進入內(nèi)、外閥座之間的間隙，避免損壞閥座密封面。

裝有內(nèi)、外閥座

閥座下設有防砂擋板，在閥板運動方向形成相對封閉的閥板腔，即使有少量砂礫進入閥體下腔，該擋板也可阻止砂礫堆積在閥板下方，避免影響閥板行程而導致閘板關閉失效。

現(xiàn)將工作狀態(tài)作如下分析。

1.3.1 閥開

閥板孔與閥座、閥體孔處于同軸心狀態(tài)時閥門處于開的狀態(tài)，流體導通。當高壓介質進入內(nèi)、外閥座之間后將內(nèi)、外閥座向相反方向撐開，使外閥座壓緊閥體，內(nèi)閥座壓緊閥板，密封面被壓緊后可以達到較好的密封效果。經(jīng)過設計計算，進入外閥座和內(nèi)閥座之間的介質壓力使閥前密封比壓大于必須比壓，使高壓介質不能進入閥腔，有效地實現(xiàn)了閥前密封。該密封結構設計不僅實現(xiàn)了可靠的密封效果，同時還阻止了介質中的砂礫進入密封面和閥腔，實現(xiàn)較好的防砂效果。圖4所示為閥開狀態(tài)。

1.3.2 閥關

閥板向下運動，閥板堵塞閥座、閥體孔，流體隔斷，閥板在介質壓力作用下向右浮動，右側內(nèi)、外閥座在閥板的擠壓下完成密封，同時上游內(nèi)、外閥座在高壓介質作用下往相反方向張開，分別壓緊閥體、閥板，形成有效密封。閥板的浮動結構設計和上游內(nèi)、外閥座的閥前密封，保證了關閥狀態(tài)下的密封和防砂效果。圖5所示為閥關狀態(tài)。

2 工業(yè)應用

2016-04，我廠試制的5 1/8-105 MPa防砂閘閥在廠內(nèi)完成了各項試驗，試驗結果均滿足設計要求。

2016-06，以該型防砂閥為主要組成部件的頁巖氣井工廠壓裂用分流管匯在涪陵焦石壩焦頁45號平臺投入試用，在該平臺完成4口井施工，累計作業(yè)78段，使用時間202 h，施工最高壓力91 MPa，累計泵注151 700 m3壓裂液，總砂量4 680 m3。使用過程中，未出現(xiàn)閥腔大量沉砂導致閥門密封失效的現(xiàn)象。拆開后檢查，閥腔內(nèi)雖有少量砂礫，但不影響閥門的正常使用及密封。從使用效果來看，該型閥門性能優(yōu)越，密封結構合理，防砂效果好，達到了設計要求，能夠適應各類高壓高含砂油氣田作業(yè)工況。

3 結論

該型防砂閘板閥的研制成功，解決了油氣鉆采及壓裂作業(yè)中常規(guī)閘板閥維護頻率高、使用壽命短的難題，降低了生產(chǎn)成本，提高了施工的安全性，保障了生產(chǎn)順利進行。同時，該型防砂閥可替代同型號進口產(chǎn)品，縮短供貨、配件供應和維修周期，為我國頁巖氣及其他油氣資源開發(fā)提供了保障。

參考文獻

[1]牛永春，邵增元，陳志華.暗桿式平行閘板閥閥桿密封分析[J].科技資訊，2013（16）：78-79.

〔編輯：劉曉芳〕