雙閥座止動(dòng)式旋塞閥設(shè)計(jì)及接觸應(yīng)力分析*

梁志彬，溫 虎，陳功川，楊 丹

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500;2.西南石油大學(xué)電信工程學(xué)院，四川 成都 610500;3.四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊(duì)，四川 自貢 643000)

1 引言

隨著鉆井和井控技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)防噴工具越來越得到人們的重視，方鉆桿旋塞閥作為防噴工具中核心的部件，近些年尤其受到人們的重視。方鉆桿旋塞閥分為上旋塞閥和下旋塞閥，上旋塞閥安裝在水龍頭和方鉆桿之間，下旋塞裝在方鉆桿與鉆桿之間，是一種防止鉆井液噴濺、改善鉆工工作條件、阻止井噴事故發(fā)生的鉆柱內(nèi)防噴工具，在工程實(shí)踐中已得到廣泛應(yīng)用。但是目前國內(nèi)生產(chǎn)的旋塞閥多為整體浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)，旋塞閥中最主要的密封形式為閥座和閥芯之間的金屬接觸密封，在遇到井噴高壓流體時(shí)，閥芯關(guān)閉后再開啟時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)困難，從而導(dǎo)致旋塞閥轉(zhuǎn)動(dòng)失效，主要原因是在井噴高壓流體作用下球形閥芯變形和旋塞閥主密封面間的接觸壓力過大，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩過大［1］。因此在保證旋塞閥主密封面能密封的情況下減小井噴時(shí)球形閥芯和閥座接觸面之間的接觸應(yīng)力，減小球形閥芯的變形是十分必要的。筆者針對(duì)旋塞閥容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失效的問題設(shè)計(jì)了一種新的旋塞閥結(jié)構(gòu)，稱之為雙閥座止動(dòng)式旋塞閥，有效減小了旋塞閥關(guān)閉時(shí)閥座和球形閥芯之間的接觸應(yīng)力，并通過建立球形閥芯和閥座接觸的力學(xué)模型和Ansys有限元分析軟件對(duì)閥座和閥芯之間的接觸應(yīng)力進(jìn)行了理論計(jì)算和有限元分析。

2 旋塞閥結(jié)構(gòu)分析［2－6］

2.1 常用的旋塞閥結(jié)構(gòu)

目前常用的旋塞閥結(jié)構(gòu)基本相同，為整體浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)，主要由閥本體、分半環(huán)、擋圈、上下閥座、球形閥芯、旋鈕和波形彈簧組成，如圖1所示。正常鉆進(jìn)時(shí)，方鉆桿旋塞閥處于開啟狀態(tài)，圖1所示位置，鉆井液可順利通過旋塞閥，當(dāng)發(fā)生井噴時(shí)，通過旋鈕將球形閥芯繞其軸線旋轉(zhuǎn)90°，在井噴流體的壓力和彈簧力的共同作用下，閥座和球形閥芯的接觸面接觸并壓緊形成金屬密封，從而截?cái)嗑畤娏黧w，防止井噴。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):①啟閉迅速方便，只需將球形閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)90°即可;②結(jié)構(gòu)簡單緊湊;③體積小，質(zhì)量較輕，密封性能較好。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于當(dāng)遇到井噴閥芯關(guān)閉時(shí)，在井噴流體壓力和彈簧力的共同作用下推動(dòng)下閥座和球形閥芯均往上產(chǎn)生小的位移，同時(shí)在閥芯和上下閥座的接觸面上均產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，使球形閥芯和上下閥座的接觸面均能密封井噴流體，井噴流體不能進(jìn)入球形閥芯的內(nèi)腔，因此球形閥芯受外力較大，容易發(fā)生變形，且與上下閥座的接觸面上接觸應(yīng)力較大，導(dǎo)致球形閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較大，重新開啟旋塞閥很困難，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失效。

圖1 常用旋塞閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 雙閥座止動(dòng)式浮動(dòng)旋塞閥

針對(duì)常用旋塞閥結(jié)構(gòu)容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失效和球形閥芯變形的問題，這里提出了一種新的旋塞閥結(jié)構(gòu)，即雙閥座止動(dòng)式旋塞閥，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由閥本體、分半環(huán)、擋圈、彈簧壓蓋、上閥座、下閥座、球形閥芯、波形彈簧和旋鈕組成。該結(jié)構(gòu)的工作原理與目前常用的旋塞閥相同，正常鉆進(jìn)時(shí)，方鉆桿旋塞閥處于開啟狀態(tài)，如圖2所示位置，鉆井液可順利通過旋塞閥，當(dāng)發(fā)生井噴時(shí)，通過旋鈕將球形閥芯繞其軸線旋轉(zhuǎn)90°，在井噴流體的壓力的作用下，上閥座和球形閥芯的接觸面接觸形成金屬接觸密封，從而截?cái)嗑畤娏黧w，防止井噴。

圖2 雙閥座止動(dòng)式浮動(dòng)旋塞閥結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)除具備常用旋塞閥的優(yōu)點(diǎn)外，還具有在遇到井噴時(shí)，球形閥芯關(guān)閉后，可減小球形閥芯受到的井噴流體的壓力，減小球形閥芯變形，方便閥芯開啟的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)與目前常用的旋塞閥結(jié)構(gòu)相比，在上、下閥座均安裝了波形彈簧，且在上、下閥座上均安裝了阻止上、下閥座向球形閥芯方向移動(dòng)的擋圈8和12。當(dāng)遇到井噴時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)旋塞閥球形閥芯，球形閥芯在高壓流體壓力作用下，球形閥芯和上閥座壓縮波形彈簧6向上移動(dòng)，而下閥座在擋圈12的限制下，不能向上移動(dòng)，因此在下閥座和球形閥芯之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的間隙，高壓流體便可通過這個(gè)間隙進(jìn)入球形閥芯內(nèi)腔，從而可平衡掉球形閥芯外部的一部分壓力，減小了球形閥芯和上閥座之間的接觸應(yīng)力，同時(shí)也減少了球形閥芯變形，方便轉(zhuǎn)動(dòng)，容易開啟;同樣當(dāng)高壓流體從旋塞閥上部進(jìn)入旋塞閥時(shí)，在井噴高壓流體壓力作用下，球形閥芯推動(dòng)下閥座壓縮波形彈簧13往下移動(dòng)，而上閥座在擋圈8的作用下不能向下移動(dòng)，從而在上閥座和球形閥芯之間產(chǎn)生一個(gè)小的間隙，高壓流體通過此間隙進(jìn)入球形閥芯內(nèi)部，平衡掉球形閥芯外部的一部分壓力，如圖3所示。

圖3 球形閥芯工作示意圖

3 主密封面間的接觸應(yīng)力的理論分析［7－8］

對(duì)雙閥座止動(dòng)式旋塞閥進(jìn)行主密封面間的接觸應(yīng)力的理論分析。閥球受力如圖4所示，閥座與閥球的接觸面為球上一環(huán)形面，由受力平衡方程:

式中:σ為閥座與球形閥芯接觸面間的接觸壓力;R為閥球的半徑;P為井噴流體的壓力;α1、α2分別為閥球中心與閥座和閥球接觸表面上、下邊線的連線與旋塞閥中心線的夾角。

圖4 球形閥芯受力示意

由上式可看出，當(dāng)井噴流體的壓力P確定后，閥座與閥球接觸面間的接觸壓力σ只與α1和α2有關(guān)。以本文設(shè)計(jì)的旋塞閥為例，α1=39.42°，α2=49.46°，R=60 mm，此時(shí)井噴壓力為70 MPa，帶入式(1)得閥座與閥球接觸面間的接觸應(yīng)力σ為232 MPa。

4 主密封面間的接觸數(shù)值分析［9］

影響轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的摩擦力主要是由閥球與上閥座之間的主密封面間的接觸正壓力產(chǎn)生的，故只需對(duì)主密封面間的接觸對(duì)進(jìn)行有限元數(shù)值分析。接觸問題是一種高度非線性問題ANSYS在解決接觸、大變形等復(fù)雜的非線性問題方面有很大的優(yōu)勢。

有限元分析步驟:閥芯及上閥座的材料均取42 CrMnMo，其彈性模量為 206 MPa，泊松比為 0.3，密度7850 kg/m3。根據(jù)尺寸在ANSYS里直接建模并裝配，基于結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，只取模型的1/2的進(jìn)行分析。根據(jù)接觸對(duì)中主從面選擇原則，本文選上閥座為主面，閥芯為從面，摩擦系數(shù)取0.1。用三維實(shí)體單元對(duì)旋塞閥的球形閥芯和上閥座實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)應(yīng)力集中和關(guān)鍵的部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃，共劃分64300個(gè)單元。由于只取模型的1/2，因此在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束邊界條件，根據(jù)實(shí)際工況在上閥座的底面施加固定約束。載荷為70 MPa，采用幅值曲線加載方式，分析結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 應(yīng)變?cè)茍D

圖6 接觸面上的壓力分布

由上述云圖5、6分析得知:雙閥座止動(dòng)式浮動(dòng)旋塞閥工作時(shí)最大應(yīng)變發(fā)生在閥球上部中心部位，最大彈性變形量為0.124 mm;球形閥芯與閥座接觸面上的接觸應(yīng)力在200～300 MPa之間，與理論計(jì)算結(jié)果相符，只有在接觸面邊緣少數(shù)區(qū)域由于存在應(yīng)力集中，接觸應(yīng)力較大，最大接觸應(yīng)力為613 MPa，仍小于材料的屈服極限785 MPa。

5 結(jié)論

(1)雙閥座止動(dòng)式旋塞閥通過結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，改善了球形閥芯井噴時(shí)在高壓井噴流體作用下的受力情況，減小了球形閥芯的變形，減小了旋塞閥發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失效的可能性。

(2)建立了球形閥芯和閥座的力學(xué)分析模型，使用理論公式計(jì)算了高壓下旋塞閥閥芯與閥座密封接觸應(yīng)力，另根據(jù)雙閥座止動(dòng)式浮動(dòng)旋塞閥的結(jié)構(gòu)尺寸建立有限元分析模型，使用ANSYS軟件進(jìn)行了旋塞閥主密封面的接觸分析，得到了主密封面的接觸應(yīng)力。通過把理論計(jì)算值與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了兩者的誤差在允許范圍之內(nèi)，從而建立了一套利用有限元來分析高壓旋塞閥金屬密封接觸應(yīng)力問題的方法。

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