黃 昊,徐 磊,曾學朋,劉 洋
(長江大學機械工程學院,湖北 荊州 434023)
在石油鉆采的過程中,井控設備的主要核心部件之一就是地面的節(jié)流管匯系統(tǒng),而節(jié)流閥則是節(jié)流管匯系統(tǒng)的核心,具有控制井筒壓力的功能,可以有效防止井涌、井噴等安全事故的發(fā)生[1]。節(jié)流閥的種類非常多,其中楔形節(jié)流閥克服了常見節(jié)流閥的閥芯容易脫落和丟失的缺點,具有良好的線性作用,抗沖蝕性好。
隨著我國淺層優(yōu)質油氣的逐步開采,深水油氣所在地區(qū)也開始成為我國油氣開發(fā)的重要地區(qū),然而其壓力和環(huán)境特別復雜[2-3]。在安全生產(chǎn)中,井控節(jié)流閥的作用極為關鍵,在井下由于流體的沖蝕作用和高壓的影響,楔形節(jié)流閥的閥芯、閥座、閥體等很容易受到損壞,給鉆采工作帶來了很多不確定的危險因素,為了改善這些不良影響,需要對楔形節(jié)流閥的結構做出改進,以提高楔形節(jié)流閥的適用性、可靠性和安全性,保證節(jié)流閥的使用壽命和鉆井工作的安全。
在工程中,根據(jù)失效判斷依據(jù)制定的強度準則[4]一般為
式中:σri稱為相當應力,i=1,3,4,分別對應第一強度理論、第三強度理論和第四強度理論,摩爾強度準則的相當應力用σrM表示;[σ]為許用應力。各種強度理論的相當應力的表達式分別為
式中:[σt]為材料的單向拉伸許用應力;[σc]為材料的單向壓縮許用應力。
由于閥芯為脆性材料,即拉伸應力對材料的破壞作用是引起材料失效的主要原因,因此該材料應以第一強度理論作為失效判斷依據(jù)。
由于在節(jié)流閥的手輪轉動的時候,閥桿會隨之轉動,但是楔形節(jié)流閥的楔形面才具備節(jié)流的作用,因此在實際工作時,要確保閥桿轉動的時候閥芯不會轉動。
本文選擇的閥桿與閥芯連接方式為銷釘連接,在閥桿和閥芯的結合部位各鉆一個銷釘孔,然后在閥桿的銷釘孔部位內切一個環(huán)形槽,當裝配兩者時,將銷釘插入底。當閥桿旋轉向下時,會將向下的運動傳遞給閥芯;當閥桿旋轉向上時,閥芯會在銷釘?shù)淖饔孟律弦?,滿足工作要求。在實際運用中,由于高壓流體的沖蝕作用,閥桿容易受到磨損,因此在這里選用經(jīng)過調質處理的2Cr13 作為材料。設計閥桿的長度為610 mm,頭部與閥芯連接處的尺寸最大,直徑為66 mm,閥桿的下部帶有梯形的傳動螺紋;由于閥桿較長,因此中間有一段為導向軸端,保證它的行為公差;頭部有一個插銷釘?shù)目?,與閥芯連接的部分采用銷釘連接,拆裝方便,并且內部有一個環(huán)形槽可以使閥桿與閥芯相對轉動。圖1-a 和圖1-b 分別為閥桿二維結構圖和閥桿三維結構圖。
圖1 閥桿二維結構圖和三維結構圖
本文研究的是楔形閥芯,其上部為一內含銷釘孔的圓筒,可以與閥桿的頭部相配合,在工作時更加穩(wěn)定[5]。楔形閥芯的結構可以有效地引導流體沿著中軸線方向流動,保護了殼體壁不被沖蝕。為了防止閥芯受到流體的沖擊力而被破壞,選用強度很高的硬質合金YG8 作為材料。為了使閥芯與閥桿充分連接,由于已知閥桿頭部的最大外徑為66 mm,因此設計閥芯長為145 mm,最大外徑為66 mm。圖2-a 和圖2-b 分別為閥芯二維結構圖和閥芯三維結構圖。
圖2 閥芯二維結構圖和三維結構圖
由于閥芯與閥桿相連接,因此研究閥芯需要與閥桿裝配起來研究。首先,用SolidWorks 完成閥芯和閥桿的裝配;其次,選擇插件中的SolidWorks Simulation 功能,對裝配體進行網(wǎng)格劃分(見圖3);然后,約束閥桿的螺紋處、中部大直徑處和閥芯的背面;最后,對閥芯的斜面施加105 MPa 的載荷(見圖4)。
圖3 閥芯與閥桿裝配體的網(wǎng)格劃分
圖4 施加約束和載荷
針對求解的結果圖像,將閥桿隱藏,單獨觀察閥芯的應力云圖和位移云圖,見圖5 和圖6。
圖5 閥芯的應力云圖
圖6 閥芯的位移云圖
由圖5、圖6 可知,閥芯的斜面處變形量最大,最大變形量為0.014 28 mm,此變形量并不大,滿足零件的最大變形量尺寸范圍:閥芯的最大應力發(fā)生在楔形截面的邊界處,最大應力為318.7 MPa,對于材料為YG8 的閥芯,許用應力[σ]=1 500 MPa,因此在105 MPa 的工作環(huán)境下,閥芯十分安全,滿足設計要求。
經(jīng)過上述閥芯與閥桿的結構設計和有限元分析,得到如下結論。
1) 設計了楔形節(jié)流閥的閥芯與閥桿的新型連接結構,確定了楔形節(jié)流閥的主要零件、安裝位置以及運動的傳動方式,設計出了主要零部件的尺寸,通過SolidWorks 的建模功能完成了零件的繪制。
2) 閥芯的斜面處變形量最大,最大變形量為0.014 28 mm,此變形量并不大,滿足零件的最大變形尺寸范圍:閥芯的最大應力發(fā)生在楔形截面的邊界處,最大應力為318.7 MPa。
3) 通過零件的受力分析,采用第一強度理論,完成了閥芯、閥桿的強度校核,驗證了本文設計的閥芯與閥桿在105 MPa 的工作環(huán)境下,閥芯十分安全,滿足設計要求。