笼套式节流阀冲蚀磨损计算研究

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1、石油机械2011年第39卷第4期CHINAPETROLEUMMACHINERY一53一●设计计算笼套式节流阀冲蚀磨损计算研究刘萍萍李悦钦王亚丽冯春宇裴延波(西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室)摘要针对笼套式节流阀的冲蚀磨损难以计算的问题，提出利用节流阀实际工作时的流量系数变化的方法来计算和比较现场各种节流阀的耐冲蚀磨损性能。应用某气田现场A、B、C3种节流阀在现场初期的工作数据计算了其初期冲蚀磨损情况，并利用流场分析，通过对各类节流阀过流孔入口周围的速度和入射角对比，验证了该方法的可靠性。应用节流阀

2、整个使用期内的工作数据计算得出了3种笼套式节流阀的平均冲蚀磨损性能指标。结果表明，A类节流阀冲蚀最严重，B类次之，C类耐冲蚀磨损性能最稳定，与现场使用情况相符。关键词笼套式节流阀冲蚀磨损流量系数性能指标流场分析没有一个公认的、普遍使用的公式用于冲蚀磨损量0引言的计算。鉴于此，笔者提出利用节流阀实际工作时的流量系数变化的方法来计算和比较现场各种节流井口节流阀是油气井生产中控制井口压力的关阀的耐冲蚀磨损性能。键设备，其基本功能是对井口气进行节流降压，以满足地面设备的耐压要求和防止水合物生成。同1笼套式节流阀结构

3、原理及模型求解时，当流动处于亚临界状态时，能通过控制节流压降有效监测和控制油气井产量；当流动处于(超)1．1结构及工作原理临界状态时，能保护油(气)层不受地面压力波笼套式节流阀由阀杆、阀套、阀心总成和阀体动的影响。塔里木克拉气田使用MSP／DRILEX等部件组成。图1为笼套式节流阀装配图。厂家提供的多孔道笼套式节流阀以满足高压、高产3456堆碳层78井的特殊要求。节流阀笼套材质是具有良好耐磨性能的WC—Co系列硬质合金，但现场应用中存在以下问题：①节流阀节流孔周围冲蚀损坏严重；②不同类型的节流阀损坏程度不一

4、样。国外就节流阀的冲蚀磨损问题提出了许多理论及磨损量(率)计算公式，其中较有影响的包括图1笼套式节流阀装配图塑性材料的微切削理论、变形磨损理论、锻压挤压1一阀杆；2-后端盖；3-盘根盒；4-阀杆密封；理论以及脆性材料的弹塑性压痕破裂理论、绝热剪5—0形密封圈；6一阀套；7一阀心总成；8一阀体。切与变形局部化磨损理论等。试验发现，这些理论笼套式节流阀工作时，利用阀杆移动调节阀套的使用范围有限，如微切削理论适用于解释刚性粒在阀心上的位置，从而改变阀心流体过流面积来控子低入射角冲蚀时的切削情况；锻压挤压理论侧重制

5、流量和阀两端的压降。这种多孔道节流阀具有改于高入射角的冲蚀成片历程；变形磨损理论着重于善流场分布，降低噪声和减小振动等优点。因此，冲蚀过程中的变形历程及能量变化；弹塑性压痕破笼套式节流阀在高压高产气田的应用越来越广泛。裂理论仅能解释刚性粒子在较低温度下对脆性材料1．2模型求解的冲蚀行为等。。然而实际情况复杂，往往为多对节流阀关键部位——笼套进行研究，取笼套种机理共同作用，难以进行有效计算，国内外至今上的过流孑L及其前后一小部分为研究对象，将其视·-——54·-——石油机械2011年第39卷第4期为短孔管流，

6、计算模型见图2。其中，流量系数A由试验数据决定，与节流孔的形状和尺寸有关。D-l2冲蚀磨损计算及实例分析2．1冲蚀磨损计算图2节流阀计算模型磨损是指材料在使用过程中由于接触表面受固为简化问题，对模型做以下假设：①节流过程体、液体或气体的机械作用，引起材料的脱离或转为稳定流动；②节流过程为可逆绝热过程；③忽略移而造成的损伤。节流阀笼套表面材料流失最位能的变化；④介质流体为理想气体，无固、液杂直接的表现就是通道面积的变化，可以理解为冲蚀质；⑤节流过程无相态之间的转化。磨损会引起节流阀节流孑L面积增大，导致节流阀

7、的根据气体动力学及热力学理论，在流体通过图通流能力增大，即实际流量系数增大。因此，冲蚀2所示的2截面上列出如下方程]。损坏的计算可以转化为节流阀实际流量系数的计质量守恒方程：算，即节流阀冲蚀磨损的计算可由1．2节中实际质Q=A1P1t)1=A2P22(1)器二一量流量公式进行转化。稳定流动能量方程：对于天然气，=1．3，临界压力比占=p。=g：(2一h1)++g(z2一Z1)+Wi(2)0．546，则流量系数计算式可由式(4)、式(5)做如下转换。过程方程：(1)当流体流动处于临界或者超临界状态时，Pl=P

8、2(3)且Dp2／pl≤s时，有：式中g——1kg气体在流动过程中吸收的热量，J／kg；(6)h。、h2截面气体比焓，J／kg；(2)当流动处于亚临界状态时，即P／p>13l、132截面气流速度，m／s；z、Z2截面形心相对于0势能面的距———(7)离，m；0．1293p1^√、P_L1一f丝1Pl／、Pl／'toi——lkg气体在流动过程中对外的输出式中Q，——标准状态下的体积流量，m／h；功，J／kg；P、p