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几种节流阀受力状况的定性分析及其优选
时间:2012-11-17 11:29:45 阅读次数:852
  1 引言
        在压井过程中,节流阀的作用举足轻重。一般说来,它有这样几个主要作用:①节流阀要能产生足够大的回压,用以维持井底压力与地层压力的平衡;②节流阀要能产生较大的压力降,使经过节流阀后的流体静压大大降低,以满足地面设备的耐压要求;③节流阀要易操作,可控性好,要能根据需要调节油、气的产量。一旦节流阀失控,发展成失控井喷,后果十分严重,可以造成轻则几千万元,重则几亿元的损失。正因为如此,节流阀的设计与研究十分重要,国内外生产设计部门无不投入大量的人力物力,进行节流阀的开发与研究[1]。目前,生产设计部门已经提出了多种节流装置的设计方案,由于,油气井所处地层的压力非常之大,并非所有的节流阀都能适用。因为,油气井的地层压力十分巨大,故油井的节流阀应必须具有安全性、效率高、易调节、易控制的特点。笔者将从流体力学理论的角度出发,分析四种节流阀在管道中的受力状况以及其阀口周围的流动形态[2],找出了针型阀与楔型阀、平板阀与套阀安全性却大不相同的物理机制,为了尽可能满足压井的基本要求。最后提出了节流阀的优选方案。
        2 节流系统上的受力分析
        任何节流系统上所受的力都可以由分解成为两个方向的分力表示,统一把力分解成沿节流阀的流向力和垂直于整个流向力的横向力。下面对这两个力进行分析。
        2.1 关于流向力的分析
        这里所考虑的阀体上的流向力是指:当流体流过节流阀所产生的压力降[3,4]。
        对于不可压缩流体,无论流体的流动形式如何,若令ρ是流体的密度,V是流体的速度,Po是所处的地层压力,P1是循环通路中的流体静压力,A是流体通过的截面积,流动总满足质量守恒原理:
        节流装置的种类很多,但概括起来都是流通截面以某种形式先收缩后扩张的限流装置。当气体通过这些流通截面收缩的部件时,其流动的规律是基本一致的,实验证明,都可以用伯努利定理来研究这些节流装置的特性和功能。但扩张段或其某一部分能否采用伯努利定理则要视具体情况而定。因为,当流动发生分离或与周围流体发生强烈掺混后,粘性作用就不能忽略了。
        常见的几种节流阀如图1~4分别是平板阀、套阀、针型阀和楔型阀的示意图。为了讨论上的方便起见,假定上述几种节流阀的开孔处最小截面积A0相同以及与之相联接的管道截面积At亦相同。从图中不难看出,板阀和套阀的扩张段都是突然扩张,而针型阀和楔型阀的扩张段则是逐渐扩张。对于突然收缩和突然扩张型节流阀,只要取一个包括阀体的控制体,假定阀体前后管道截面积相同,若压力能完全恢复,则板阀不受力,由此可见,流体作用于平板上的力,就是阀板前后的压力损失。同样,对于逐渐扩张型的节流阀,控制体的选取仍然要包括整个阀体。若流动在沿扩张段流动时,没有发生分离,并忽略流体与壁面的摩擦力。假定节流阀前后的管路截面积相同,则流体流过节流阀后的压力能够完全恢复,此时阀体不受力。但实际流动中,由于逐渐扩张型节流阀流动通道的截面积逐渐加大,由质量守恒原理(1)知,沿阀体的流动速度逐渐减少。因流动没有分离,且忽略流体与壁面的摩擦张段阀体上的流动是逆压流动,这就为流动分离提供了必要条件。事实上,对于一般的母线为直线的倒锥体,流动是存在分离的。一旦发生分离,就形成类似射流的流动。只要有这样的流动存在,掺混过程就不可避免,压力损失就同时产生。根据对逐渐扩张型节流阀所取的控制体知,这种节流阀,在管道中所受的力,就是压力损失。由上面的讨论可以知道,无论那种类型的节流阀,其受力都取决于流体流经该阀所形成的压力损失。由于,收缩阶段都可采用Bernoulli定理,则有:   
        考虑到工程流体力学中提到的板阀,在流体流过阀的收缩前缘后形成射流,由于惯性作用这股射流会有收缩现象,设收缩系数为α。对于平板节流阀由式(7)得:V2p=V1At/(A0α)。考虑到逐渐扩张型节流阀的分离位置在阀后的一定距离处,而该处的流动通道的截面积Ab要大于A0,同样,由对于逐渐扩张型节流阀由式(7)得:V2b=V1At/Ab。因为,Ab>A0>A0α,所以,V2p>V2b。若对任何阀而言V1相同,则由式(6)显然得到平板节流阀受力大于逐渐扩张型节流阀。事实上,把压力损失作为阀体受力,是有近似的。严格地说:阀体受力应是阀体两端地静压差。
        虽然,平板阀和套阀同属于突然收缩和突然扩张型节流阀,但仔细观察不难发现,流体流经它们的流动特点,以及它们的节流效率还是有差异的。流体通过平板阀时,流体的速度方向与阀面垂直,没有沿阀面的切向分量,所以对于平板阀上述的讨论是比较准确的。但流体通过套阀时,流体的速度方向与阀面并不垂直,沿阀面存在切向分量,如图4所示的流线所示。用上述对平板阀的讨论作为套阀的近似用来与逐渐扩张型节流阀进行比较,虽有一定近似性,但不会使结论出现逆转。而与平板阀进行比较时,这些流动上的差异就必须考虑。事实上,当流体进入套阀后,流动方向发生了折转。因此,在“2”点和“3”点之间取控制体,使用动量定理时,式(5)中的V2应为V2t。V2t是V2在沿套阀方向上的分量。根据阀体前后管道截面积相同的假定,由质量守恒原理(1)仍可得:V1=V3。但式(4)、(5)就变为:
        若管路中流量相同,根据管路截面积相同的假定和式(1)知,V1是一样的,若两种阀的开孔截面积A0相同,则仍由质量守恒原理可知,V2亦不变。因为,V2t<V2,所以,(V12+V22-2V2tV1)>(V1-V2)2。可见在流量相同的情况下,套阀两端的压力损失大于平板阀。设流过套阀的流体运动速度方向与套阀阀面的垂直方向的夹角为β,则根据式(7),可将式(6)和式(8)改写为:

        因此,若压力损失不变,则套阀管路中的速度小于平板阀管路中的速度,由质量守恒原理可知,流体流经套阀中的速度小于流经平板阀的速度。再考虑到,在流经套阀中的速度中,只有垂直于阀面的速度分量才能对阀体有冲蚀作用。因此,套阀比平板阀更为安全。除此之外,由于套阀的圆柱形阀套设计,使流体中的高压互相抵消,故具有更易调节的特点。
        2.2 关于横向力的分析
        平板型节流阀不受横向力的影响,所以主要讨论针型阀和楔型阀受横向力的情况。为了在无粘的范围内说明问题,首先给出将要用到的一些流体力学中的基本定理、定义给出[5]。
        定义:速度沿一闭合曲线按照指定的方向进行的线积分叫做环量。    
        亥姆赫兹环量守恒定理:在均质无粘流体中,沿一闭流体线的环量不随时间而变化。这里有两个概念需要说明:①均质是指密度处处相同;②流体线是指由永远相同的流体质点组成的线。
        儒可夫斯基定理:流体中物体所受的举力(横向力)准确地与物体周围的环量成正比。其单位宽度上的大小为R=ρΓv。
        针型阀和楔型阀所受的横向力与绕它们的流态密切相关,流动形态不同,受力亦不同。首先观察一下针型阀的绕流情况。前面已说过,流体沿针型阀逐渐扩张部分的流动是逆压流动,这就有可能导致分离。至于何时分离及分离点的位置及要视流动的速度和针型阀倒锥面的具体形状而定。当阀体进到一定位置,阀面上的流动达到一定速度时,流动就发生分离,形成如图5所示的流动形态。此时的流动还是对称的,尽管由于分离面卷起了一对漩涡,但因这一对漩涡对称,且旋转方向相反,总体的环量依然是零。根据亥姆赫兹环量守恒定理,阀体上不会有环量。所以,此时针型阀不受横向力的作用。当阀体继续前进,流动速度进一步增加,流动就出现了非对称漩涡脱落,形成卡门涡街,如图6所示。此时由于漩涡是上下交替脱落,故阀面附近的环量不再守恒。根据亥姆赫兹环量守恒定理,阀体上一定要出现交替变化的反向环量,才能维持环量守恒。这样根据儒可夫斯基定理可知,阀体上就要受到方向交替变化的横向力的作用。当阀体前进到某一位置,阀体上漩涡脱落的频率达到或接近阀体的故有频率时,将与阀体发生强烈共振,导致阀体折断。
        值得注意的是,由于阀体在不断前进,流体的流动速度也在不断变化,漩涡的脱落频率也在不断调整,似乎总有一个时刻,阀体前进的位置正好使漩涡的脱落频率达到或接近阀体的故有频率,所以,阀体的折断就很难幸免。那么楔型阀也是逐渐扩张型节流阀,流动也要发生分离,而它却相对安全,从流体在楔型阀周围的流动形态来分析。仔细观察不难发现楔型阀虽然是逐渐扩张型节流阀,但它的外形是不对称的。另外,它的一部分紧贴阀座,没有流体流过。所以,它所引起的流动分离形态同样是不对称的,如图7所示。这样在楔型阀后只形成了一个漩涡,并且,这个漩涡是驻涡,随着流动速度的变化,涡不会脱落,只会根据阀面上速度的变化改变涡的大小和强弱。由于,这个漩涡的出现,使得节流阀后的环量不再为零,根据亥姆赫兹环量守恒定理,阀体上一定要出现一个与之相反的环量,以维持环量守恒。同样根据儒可夫斯基定理可知,阀体上一定要受到的横向力的作用。但由于此时漩涡的方向是不改变的,故横向力的方向也就不会交替变化,只会根据阀面上速度的变化,改变横向力的强度,所以,它不会引起阀体的震动[6]。事实上,楔型阀此时受力的方向是指向紧贴阀座的一侧,由于,阀杆受到阀座的支撑,所以,楔型阀与针型阀相比,相对安全的多。还有一点值得注意,对于上述两种节流阀,随着物面上流动速度的增加,环量的强度随之增加。根据儒可夫斯基定理知,节流阀所受横向力的强度亦随之增加。
        3 结语
        (1)突然收缩和突然扩张型节流阀与逐渐扩张型节流阀相比,有这样几个特点:①所受的流向力较大;②可调节性较差;③安全性较差;④压力损失大。
        (2)套阀与平板阀相比,有如下几个特点:①在流量相同的条件下,具有较大的压力损失;②在压力损失相同的情况下,流量较小;③由于只有垂直于阀面的分量会对阀体有冲蚀作用,所以更安全;④可调节性好。
        (3)突然收缩和突然扩张的板型节流阀不受横向力的作用。
        (4)针型阀在一定条件下,会受到方向交替变化的横向力作用。横向力方向交替变化的频率,取决于涡脱落的频率。而脱涡频率又是由物体外形及绕物体的流动决定的。
        (5)随着节流管道截面积的不断减小,流体流动的速度不断增加,横向力方向交替变化的频率不断变化。当这种交替变化的频率达到或接近阀体的故有频率时,将与阀体发生强烈共振,会导致阀体折断。这个过程很难避免。     
        (6)楔形阀不会受到方向交替变化的横向力作用。同时,由于阀体上所受流体的横向力可以通过阀座对阀体的支撑力平衡,所以,楔形阀相对安全得多。
        (7)节流阀所受横向力的强度随流体运动速度的增加而增加。
        根据上述的分析有如下建议:①在压井施工中,应优先考虑选用套阀和楔型阀,以提高压井的安全性;②平板阀安全性差,不易调节,并不易改进,建议避免采用。
        根据针型节流阀的特点,有两种改进方案:①改变倒锥母线的直线形状,使流体在阀逐渐扩张阶段流动时,不发生分离,这在理论上是行得通的,但这样一来流体流经节流阀几乎没有压力损失,因而,节流效率也大打折扣;②在分离位置前,改变阀倒锥的对称性,使流动不产生旋涡的交替脱落。但由环量方向不变的旋涡所引起的,固定方向的横向力,对针型阀这样的悬臂梁,提出更高的要求。