大導流面柱塞型節(jié)流閥沖蝕規(guī)律研究*

馮鵬云 詹良斌 黃天成 石應華 柏曉涅

(1.長江大學機械結構強度與振動研究所 2.蘇州道森鉆采設備股份有限公司)

0 引 言

節(jié)流閥是控制壓力鉆井技術的核心元件[1]，其功能是通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度對井底壓力和流量進行調(diào)節(jié)，能夠精確控制井眼的壓力稍大于地層孔隙壓力，避免造成地層污染。高壓鉆井液攜帶巖屑和顆粒沖擊閥體，節(jié)流閥通過改變節(jié)流面積的方式節(jié)流，必然導致沖蝕加重，長時間沖蝕使得閥芯表面材料缺失，形成不均勻排布的犁溝狀凹槽而產(chǎn)生刺漏，最終導致節(jié)流閥失效[2-3]。

為了延長節(jié)流閥的使用壽命，許多學者進行了大量研究并取得了一定進展。周俊澤等[4]針對閥芯斷裂失效的情況進行了研究，指出閥芯的失效形式為低應力下的斷裂損壞，通過增大臺肩圓角以及設置合適銷孔的位置，能夠減小閥芯拉應力，延長節(jié)流閥的使用壽命。張祥來等[5]采用ANSYS對流場進行分析,定性地研究了楔形節(jié)流閥現(xiàn)場使用中產(chǎn)生沖蝕的原因，指出采用適當平面與圓弧形面結合的節(jié)流面，既能減輕對閥體的沖蝕，也符合壓降要求。殷偉偉等[6]應用Fluent軟件中的離散相模型和磨損模型進行分析，指出節(jié)流閥的壓降和速度在最小流通截面位置達到最大值，節(jié)流閥內(nèi)腔和閥針的壁面磨損以局部磨損為主，閥針是整個節(jié)流閥內(nèi)部最易被沖蝕的零部件，其研究結果可為不同工況下節(jié)流閥的選型、使用和改進提供參考。

以上研究以針型節(jié)流閥、楔型節(jié)流閥和柱塞型節(jié)流閥為主，對大導流面柱塞型節(jié)流閥沖蝕規(guī)律的研究還有待完善。鑒于此，本文以大導流面節(jié)流閥為研究對象，采用歐拉-拉格朗日法和離散模型[7-10]，分析不同開度下，流體速度、固體顆粒直徑以及質(zhì)量流量對節(jié)流閥沖蝕規(guī)律的影響。通過對不同工況下沖蝕規(guī)律的總結，可為節(jié)流閥的設計和優(yōu)化提供指導。

1 建模與參數(shù)設定

對節(jié)流閥模型進行簡化，并估算雷諾數(shù)，達到湍流狀態(tài)則選用湍流模型。結合DPM模型，其中離散相為固體顆粒，密度為1 500 kg/m3；連續(xù)相為液體，密度為1 000 kg/m3。

1.1 控制方程

不可壓縮流體控制方程為：

(1)

質(zhì)量守恒方程為：

(2)

動量守恒方程為：

(3)

式中：Sm為分散項對連續(xù)項的附加源項；ux、uy、uz分別為x、y、z方向上的速度，m/s；t為時間，s；ρ為流體密度，kg/m3；p為靜壓，Pa；τij為應力張量，N；gi、Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力。

1.2 湍流模型

雷諾數(shù)顯示節(jié)流閥內(nèi)部流場為湍流，忽略流體間黏性，采用標準的k-ε模型[11]：

(4)

(5)

式中：k為湍流能，J；Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流能，J；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流能，J；ε為湍流耗散率，J/s；Yk為在可壓縮湍流中過渡擴散產(chǎn)生的波動動能，J；cε1、cε2、cε3、σk、σε為常量，取值分別為1.44、1.9、0.09、1.0和1.2；Sk、Sε均為自定義參量。

1.3 沖蝕模型

節(jié)流閥內(nèi)腔沖蝕磨損速率主要由顆粒撞擊壁面的個數(shù)、顆粒的運動速度、質(zhì)量流量、顆粒直徑、沖擊角以及撞擊壁面時顆粒與壁面的接觸面積決定。其沖蝕模型為：

(6)

式中：R為沖蝕磨損速率，kg/(m2·s)；N為顆粒撞擊壁面的個數(shù)；mp為顆粒質(zhì)量流量，kg/s；C(dp)為顆粒粒徑的函數(shù)，取C(dp)=1.8×10-9；θ為顆粒對管道壁面的沖擊角；f(θ)為關于θ的沖擊角函數(shù)[12-14]；v為顆粒沖擊速度，m/s；b(v)為顆粒相對于速度v的函數(shù)，取2.6；Af為沖蝕壁面計算單元的面積，m2。

其中，沖擊角函數(shù)f(θ)采用分段函數(shù)方式定義，具體取值查表1。

表1 沖擊角函數(shù)

1.4 物理模型及網(wǎng)格劃分

本文以PCG，2-9/16×15M型節(jié)流閥為例，選擇5種不同開度的節(jié)流閥進行研究。研究中，各參數(shù)取值如下。開度K分別為20%、40%、60%、80%和100%，進口直徑d1=64 mm，出口直徑d2=46 mm，導流面角度α=15°，導流面倒角高度l=30 mm，內(nèi)腔閥芯處倒角半徑r=2 mm，閥體內(nèi)腔高度h=140 mm，閥腔內(nèi)徑d3=125 mm。節(jié)流閥流體域模型如圖1所示。

圖1 節(jié)流閥流體域模型

考慮到節(jié)流閥的流體域模型比較復雜，選用適應性好的四面體網(wǎng)格劃分。為避免局部結構網(wǎng)格加密導致網(wǎng)格變化過大，影響計算精度，采用整體網(wǎng)格加密，設置最小單元尺寸為1 mm。

1.5 邊界條件

在Fluent數(shù)值模擬過程中，進口選用速度進口，出口選用標準壓力出口，設置離散相顆粒進口速度與連續(xù)相流體進口速度相同，并垂直于進口界面。設置離散相顆粒作用于壁面類型為reflect，對節(jié)流閥模型進行穩(wěn)態(tài)求解。

2 節(jié)流閥沖蝕影響因素分析

2.1 沖蝕影響參數(shù)

高壓鉆井液攜帶巖屑和顆粒長時間沖擊閥芯導流面，形成不均勻排布的犁溝狀凹槽而產(chǎn)生刺漏，最終導致節(jié)流閥失效，其他部位未見明顯材料缺失。節(jié)流閥閥芯失效圖如圖2所示。

節(jié)流閥采用一進一出的方式，通過調(diào)整閥芯的位置改變節(jié)流閥開度，從而影響節(jié)流閥降壓特性。通過對上文節(jié)流閥閥芯失效的原因進行分析，下文從流體流速、顆粒直徑、顆粒質(zhì)量流量和節(jié)流閥開度來分析節(jié)流閥沖蝕磨損規(guī)律。節(jié)流閥相關沖蝕參數(shù)如表2所示。

表2 節(jié)流閥相關沖蝕參數(shù)

2.2 流速對節(jié)流閥沖蝕磨損的影響

在不同開度下，選取流速分別為3、4、5、6和7 m/s進行仿真分析，整理數(shù)值仿真數(shù)據(jù)，可以得到節(jié)流閥最大沖蝕率隨流體流速的變化規(guī)律，如圖3所示。

由圖3可以看出：隨著流體速度的增大，不同開度下的節(jié)流閥沖蝕率均呈現(xiàn)上升趨勢，因為顆粒的隨動性，固體顆粒在速度較大的連續(xù)相流體中受到的慣性力較大，加劇了固體顆粒與壁面的沖擊強度，所以不同開度下，流體速度的增加均導致沖蝕率的增大；從沖蝕率變化速率來看，隨著開度的減小，最大沖蝕速率的變化率變大。

圖3 不同流速下節(jié)流閥的最大沖蝕率

2.3 顆粒直徑對節(jié)流閥沖蝕磨損的影響

在不同開度下，選取顆粒直徑分別為100、150、200、250和300 μm進行研究，整理數(shù)值仿真數(shù)據(jù)，可得節(jié)流閥最大沖蝕率隨顆粒直徑的變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 不同顆粒直徑下節(jié)流閥的最大沖蝕率

由圖4可以看出：隨著顆粒直徑的增大，最大沖蝕率呈現(xiàn)增長趨勢，這是因為顆粒直徑變大，導致單個顆粒與壁面碰撞的強度變大，但顆粒總的質(zhì)量流量是確定值，所以顆粒數(shù)目減少，可以看出這是動態(tài)過程。從最大沖蝕率的整體變化趨勢可知，顆粒直徑的增大導致碰撞加劇是影響沖蝕率的主要原因。

2.4 顆粒質(zhì)量流量對節(jié)流閥沖蝕磨損的影響

在不同開度下，選取顆粒質(zhì)量流量分別為0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 kg/s進行研究，整理數(shù)值仿真數(shù)據(jù)，可得節(jié)流閥最大沖蝕率隨顆粒質(zhì)量流量的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同顆粒質(zhì)量流量下節(jié)流閥的最大沖蝕率

由圖5可知，最大沖蝕率與顆粒質(zhì)量流量呈正相關。這是因為隨著顆粒質(zhì)量流量的增加，導致單位體積中顆粒數(shù)量的增加，提高了單位面積上顆粒與壁面碰撞的概率，導致最大沖蝕率升高。

2.5 開度對節(jié)流閥沖蝕磨損位置的影響

在同樣的顆粒直徑、流體速度和顆粒質(zhì)量流量條件下，建立不同開度下的流體域模型，其開度分別為100%、80%、60%、40%和20%。運用Fluent模塊對以上5種流體域模型沖蝕磨損規(guī)律進行研究，圖6為不同開度下節(jié)流閥的沖蝕磨損分布云圖。由圖6可知：隨著開度的減小，最大沖蝕發(fā)生的位置出現(xiàn)轉(zhuǎn)移；在開度為100%、80%和60%時，沖蝕主要發(fā)生在兩處：第一處，進口流道與閥體內(nèi)腔的相貫線處，并且相貫線最下端沖蝕最嚴重，呈現(xiàn)向兩邊遞減的狀態(tài)；第二處，閥體內(nèi)腔的節(jié)流口處，在遠離進口界面的閥體內(nèi)腔節(jié)流口處沖蝕最大，隨著靠近進口界面方向，沖蝕率降低。主要原因是顆粒具備的動能大于相同體積的流體動能，所以顆粒因慣性力繞流過節(jié)流閥閥芯座，在閥芯座后端形成對沖，并產(chǎn)生堆積，增大此處流體攜砂量，導致沖蝕磨損加劇。

圖6 不同開度下節(jié)流閥沖蝕磨損分布云圖

在開度為40%和20%時，最大沖蝕位置出現(xiàn)在閥芯導流面節(jié)流口處，主要有兩個原因：第一，流體沖擊閥芯，閥芯對流體的反作用導致流體產(chǎn)生二次流，改變流體沖擊閥芯的角度，使得沖擊角接近30°；第二，節(jié)流閥節(jié)流面的面積減小，導致流體對節(jié)流閥閥芯的沖擊速度變大。以上兩個原因?qū)е铝斯?jié)流閥閥芯沖蝕率變大。

根據(jù)同一沖蝕位置的沖蝕云圖分布情況：第一，閥體內(nèi)腔節(jié)流口處沖蝕，因為顆粒的隨動性，流體帶動顆粒繞流閥芯座后方，閥芯座后端下方可堆積的空間有限，在堆積量達到上限時，顆粒從閥芯座后端節(jié)流口排出，這樣節(jié)流口遠離進口界面的顆粒質(zhì)量濃度大于靠近進口界面的顆粒質(zhì)量濃度，所以閥體內(nèi)腔節(jié)流口處遠離進口界面的地方?jīng)_蝕相較于靠近進口界面的地方?jīng)_蝕率較大；第二，導流面節(jié)流口處沖蝕，在靠近進口界面的導流面上沖蝕較大，在遠離進口界面的導流面上沖蝕較小，并且在開度為20%時，規(guī)律變?nèi)酢Ｖ饕怯捎诹黧w在繞流閥芯座時，出現(xiàn)流體分離現(xiàn)象，會在閥芯座后方產(chǎn)生一個低速且低壓的區(qū)域，此處沖蝕率較小，分析結果與實際沖蝕結果一致。

3 節(jié)流閥改進

在節(jié)流過程中，節(jié)流閥主要在小開度工況下進行節(jié)流。由上文分析可知，節(jié)流閥開度為20%時的最大沖蝕率遠遠大于開度為40%、60%、80%和100%時。

不同開度下節(jié)流閥的最大沖蝕率如圖7所示。在節(jié)流閥處于小開度不同工況時，節(jié)流閥最大沖蝕位置都處在節(jié)流閥閥芯上，同圖2節(jié)流閥閥芯失效圖一致，所以有必要優(yōu)化節(jié)流閥結構，以減小對節(jié)流閥閥芯的沖蝕速率。

圖7 不同開度下節(jié)流閥的最大沖蝕率

通過對沖蝕的原因分析，對節(jié)流閥提出改進意見。在保證最小節(jié)流面面積不變的情況下，將出口管道與閥體內(nèi)腔交匯處的小倒角改為階梯形結構，通過階梯形結構來改變流體與閥芯的沖擊角度，從而減小流體對閥芯的最大沖蝕率。節(jié)流口處階梯形結構如圖8所示。

圖8 改進后的節(jié)流閥節(jié)流口處結構圖

設定節(jié)流閥連續(xù)相流體速度為5 m/s，固體顆粒直徑為100 μm，固體顆粒質(zhì)量流量為1 kg/s。改進前、后的節(jié)流閥速度流線圖如圖9所示。對改進前、后的結構進行沖蝕磨損分析，分析結果如圖10所示。

由圖9可知：改進前、后最小節(jié)流面的面積相同，所以節(jié)流口的最大速度也相同，這與數(shù)值仿真結果一致；改進前，節(jié)流口處流道截面積最小，所以節(jié)流口流速也最大，此時，最小節(jié)流口處流體沖擊導流面角度接近30°；改進后，節(jié)流口處流體介質(zhì)沖擊導流面角度減小。

圖9 節(jié)流閥改進前、后的速度流線圖

由圖10可知，通過對閥體內(nèi)腔節(jié)流口處進行改進，最大沖蝕率由6.92×10-3kg/(m2·s)減小為2.25×10-3kg/(m2·s)。主要原因為改進后，階梯形結構改變了最小節(jié)流口處的流體沖擊導流面的角度，使流體以30°沖擊導流面的情況在最小節(jié)流口之前提前出現(xiàn)，此時30°沖擊導流面的速度因不在最小節(jié)流口，未能達到最大。通過以上措施使得節(jié)流閥閥芯的沖蝕率變均勻。

4 結 論

(1)在節(jié)流閥相關影響因素相同的情況下，節(jié)流閥的最大沖蝕率隨流體流速、質(zhì)量流量和顆粒直徑的增大均呈現(xiàn)增大趨勢。當節(jié)流閥的開度變小，其最大沖蝕率的變化率上升趨勢明顯。

(2)隨著開度的減小，節(jié)流閥最大沖蝕率發(fā)生的位置由閥體內(nèi)腔的節(jié)流口處向?qū)Я髅娴墓?jié)流口處轉(zhuǎn)移。在閥體內(nèi)腔節(jié)流口處，遠離進口界面的閥體內(nèi)腔節(jié)流口處沖蝕比靠近進口界面閥體內(nèi)腔節(jié)流口處嚴重；在導流面節(jié)流口處，靠近進口界面的導流面節(jié)流口處沖蝕比遠離進口界面的導流面節(jié)流口處嚴重。

(3)在小開度工況下，節(jié)流閥最大沖蝕位置都處在節(jié)流閥閥芯上，通過改進節(jié)流閥結構，減小沖擊角對節(jié)流閥沖蝕率的影響，結果顯示階梯形節(jié)流口有利于減輕流體介質(zhì)對閥芯導流面的沖蝕。