超高压多级笼套式节流阀的压差分析

聂 涛，胡桂川，周 群，赵 杭，李显勇

（重庆科技学院 机械与动力工程学院，重庆 101331）

0 引言

天然气开采环境恶劣、难度大，其流量达到30～90 万方/每天，压力最高可达到90～120 MPa［1］，并且开采的气体当中通常包含着不同程度的固体颗粒，比如井底岩屑颗粒。由于天然气开采的管道需到达底面很深的地方，地层的压力大，再加上天然气受热膨胀，导致了天然气流出井口进入采气树的压力非常高。而集输管网的主压力分2 个等级，中压管道的压力为1.6～10 MPa，高压管道的压力为10～16 MPa［2］，因此，对于一级节流阀，节流阀的最大压降为15～25 MPa［3］。要把天然气从开采初期的压力降到主管网的压力就需要使用多个节流阀，且国内的节流阀被国外的公司垄断，进口价格昂贵、采购周期长、维修不便。据现场调研发现，某国外型号的节流阀在使用的过程中，出现了大批量的阀体防腐堆焊层和笼阀芯被冲蚀损坏的现象，仅2014 年检修就发现有几十个阀芯出现不同程度的损坏，对于如此频繁的节流阀失效状况，不仅增加了油气田的开发成本，也严重的危及了安全生产和正常作业，使生命财产埋下了安全隐患［4-5］。

因此，为了减小天然气的采气成本，增加采气效率，自主研发设计节流阀就有着非常重要的意义。本文提出了一种具有四级节流效果的笼套式节流阀，该四级节流效果主要通过阀芯的壁面小孔和底面小孔构成四次节流，来提高节流阀的压力调节范围。数值模拟技术已经在很大的程度上取代了传统的试验方法［6-9］，其具有方便、高效、成本低以及可视化的模拟流动规律等优点。对阀芯的不同结构进行气固液多相流的分析，得出笼套式节流阀内部阀芯各处的压力分布以及各处的磨损情况，证明设计阀芯结构的可靠性［10］。

1 小孔节流原理和基本理论模型

以一个短壁小孔为例，来解释小孔节流压降的计算方法［11］，小孔节流原理如图1 所示。

图1 小孔节流原理Fig.1 Schematic diagram of orifice throttling

单孔节流压差计算式为：

式中 ΔP ——小孔的节流压差，Pa；

ρ ——流体密度，kg/m3；

Q ——气体的流量，m3/s；

Cd——为小孔的流量系数，取Cd=0.9；

d ——小孔直径，m。

对于有多个节流小孔的情况，因为小孔的结构都相同，所以速度和节流压差都相同只是流量分配不同而已，由式（1）可以推导出：

又d1=d2=…=dn=d，可以得出：

冲蚀磨损和颗粒物速度的冲蚀模型如下：

其中

式中 E ——壁面冲蚀磨损率，kg/（m2·s）；

γ1——颗粒路径与靶材表面相对角度；

Vp——颗粒速度，m/s；

RT——切向恢复比；

γ0——最大磨损角；

V1，V2，V3，K1，K12——经验常数［12-16］。

2 数值模拟过程

2.1 新型超高压笼套式节流阀装配设计

对多级笼套式节流阀进行整体上的结构设计，如图2 所示。阀体采用锻造，精加工。

图2 四级逐级减压笼套式节流阀示意Fig.2 Schematic diagram of four-stage progressive decompression cage type throttle valve

2.2 模型的几何参数

新型多级笼套式节流阀阀芯部位主要由三级套筒和阀芯出口小孔底座构成。三级套筒包括外层套筒、中间套筒、内层套筒，其中外层套筒和中间套筒小孔成6×60°纵向排布，小孔个数为72 个；内层套筒小孔的个数为6，5，4，3，2，1，成等差数列纵向排布，共21 个小孔，满足介质流量均匀变化。表1 为超高压笼套式节流阀模型几何参数。

表1 超高压笼套式节流阀模型几何参数Tab.1 Geometric parameters of ultra-high pressure cage type throttle valve model

阀杆可以在三级套筒内部移动，开度范围在30～66 mm 之间，可以根据不同流量的需求来调节开度的范围。

2.3 新型超高压笼套式节流阀阀芯结构和流道的物理模型

图3 所示为本文设计提出的笼套式节流阀的阀芯结构。

图3 阀芯的内部结构和流道物理模型Fig.3 The internal structure of the spool and the physical model of the flow channel

在Workbench designmolder 中，提取阀芯内部流道，图3（b）为传统的单层笼套式阀芯结构，由于单层的压力降范围比较小，想达到主管网的压力，就必须使用多个节流阀，导致节流的成本比较大，因此，图3（c）（b）的基础上，在阀芯的内部嵌套两层套筒，通过多级小孔的节流来增大节流阀调节压力的范围。图3（d）是在图3（c）的基础上通过改变每层套筒小孔之间的相对位置，使得阀芯内部流体流过的方向发生多次改变，来进一步提高笼套式节流阀的压降范围。通过分析现场笼套式节流阀破坏情况可知，笼套式节流阀的寿命一般很短，大多数都是流体内部包含一些固体小颗粒，在高速气体的流动中对套筒的小孔造成冲蚀，导致小孔破坏造成的。并且在检修时，更换阀芯套筒较困难。因此，通过研究发现，在阀芯出口部位，增加带小孔的底座，可以把套筒上的磨损，转移一部分到底座上的小孔。减小套筒的破坏程度，维修时只需更换阀芯底座即可，这在一定程度上提高了笼套式节流阀阀芯的寿命。如图3（e）就是带底座的阀芯的流道。图4 为具体的节流元件的结构。

图4 节流元件及流向剖面示意Fig.4 Schematic diagram of throttling element and flow direction section

2.4 边界条件及CFD 的参数设置

入口压力75.6 MPa，出口压力50 MPa，入口温度为63.78 ℃，出口温度为48.36 ℃，壁面采用无滑移固定壁面。图5 中的原点为坐标中心点。监测点（小孔出入口的中心点）定义如下：测点1（0.023，0，0.014），测点2（0.030，0，0.014），测点3（0.035 36，0.009 48，0.014），测点（0.044 43，0.011 91，0.014），测点（0.053 97，-0.014 46，0.001 4），测点6（0.062 79，-0.016 82，0.001 4），测点7（0.023，0，0.014），测点8（0.030，0，0.014），测点9（0.036 61，0，0.014），测点10（0.046，0，0.014），测点11（0.055 88，0，0.014），测点12（0.065，0，0.014）；定义监测面为：监测面1（0.023，0，0.011；0.023，-0.003，0.014；0.023，0，0.017）；监测面2（经过点（0.023，0，0.014），方向垂直于出口平面），监测面3（经过点（0.023，0，0.020），方向垂直于出口平面），监测面4（模型的对称面）。

图5 孔监测点位置Fig.5 Location of hole monitoring points

3 数值模拟结果与分析

3.1 压力降的范围与不同结构之间的关系

图6 中（a）～（d）分别为4 种不同结构流道XOZ 平面的压力等值分布云图。从图中可以看出，第2 种结构的流道相比于第1 种结构流道，压力在每层套筒之间比较高，说明压力都被嵌套的套筒给阻挡了，并且第3 层小孔的出口内部压力等值云图比第1 种的明显小很多，说明3 层套筒嵌套的结构提高了笼套式节流阀的压力降范围。对比第2 种和第3 种3 层嵌套的套筒可以看出，第3 种压力明显高于第2 种，说明阀芯小孔错开分布结构的流道比阀芯小孔对称分布结构的流道具有更好节流降压的效果。对比第4 种和第3 种可以看出，压力基本都在阀芯腔体内就被降下来了，如图7 所示。综上所述，第4 种结构提升压力降的范围最大，节流效果最明显。

图6 XOZ 平面的压力等值分布云图Fig.6 Nephogram of pressure equivalence distribution on XOZ plane

图7 XOY 平面的压力等值分布云图Fig.7 Nephogram of pressure equivalence distribution on XOY plane

对12个点的压力进行监测，结果如图8所示，设置入口压力为75.6 MPa，出口压力为50 MPa，所以不考虑监测点1，7 和监测点6，12 的压力降，由仿真结果可知，监测点5，4，3，2 对应的平均压力值压力值为5.531 72×107，5.428 24×107，5.324 81×107，5.042 75×107Pa，监测点11，10，9，8 对应的平均压力值分别为6.752 53×107，6.334 11×107，5.972 72×107，5.337 47×107Pa，小孔对称和小孔错开1 级降压、2 级降压、3 级降压比分别为1.019，1.066，1.019，1.061，1.056，1.119，降压比值对比如图8（d）可知，小孔错开的结构比小孔对称的结构各级的降压值比都提高了一定范围，由此可见小孔错开结构的压力降大于小孔对称的结构。

图8 小孔对称和小孔错开六个小孔中心监测点的压力值分析Fig.8 Analysis of the pressure value at the center monitoring points of six small holes with symmetric and staggered small holes

3.2 速度变化范围与不同结构之间的关系

由式（4）～（6）可知，冲蚀磨损率和速度的四次方成正比，小孔内的颗粒物速度大小决定了小孔内壁冲蚀磨损。图9 示出XOZ 平面的速度等值分布，可以看出，随着结构的优化，小孔内的速度云图逐渐变浅，意味着小孔内的速度越来越低。

图9 XOZ 平面的速度等值分布云图Fig.9 Nephogram of velocity equivalence distribution on XOZ plane

从图10 可以看出，4 种结构第3 层最右边小孔中心点的速度平均值分别为342，362，462，466 m/s。由式（4）可知，磨损量与速度的大小成正比，速度越小磨损量也就越低。

图10 第3 层最右边小孔中心点的速度Fig.10 Velocity of the center point of the rightmost small hole in the third layer

3.3 速度矢量图与不同结构之间的关系

结合图11 和图12，第1 种，第2 种，第3 种，第4 种所对应的圆柱平面平均质量流率分别为0.127 1，0.118，0.075 85，0.065 58 kg/s，得出第1 种结构的笼套式节流阀节流后损失的能量较小，第4种结构的笼套式节流阀节流后损失的能量较大。

图11 XOZ 平面的速度矢量图11 Velocity vector diagram of XOZ plane

图12 第3 层最右边小孔中心点的小孔圆柱平面质量流率Fig.12 The mass flow rate analysis of the small hole cylindrical plane at the center of the rightmost small hole in the third layer

4 结论与展望

（1）三级套筒笼套式节流阀可以在1 个节流阀内对管内的流体进行3 次节流。把原有的一级节流阀阀芯的腔体分割成多个节流的小腔体，利于精确地流量控制。原先3 次节流需要3 个节流阀，本文只需单个节流阀，减少了节流阀的使用数量，节约了成本。跟单个一级节流阀相比，压力降提高了1.85 倍左右，这种结构的节流阀可以应用于节流压差很大的管网。

（2）小孔不对称和小孔对称相比，由于多次改变流体的方向，在每层套筒之间的腔体中，前后节流压差分别提高了0.047，0.042，0.063 倍，最后总的压力降提高了0.152 倍。

（3）在三级套筒的阀芯出口处，使用一个或多个带小孔的圆形底座，可以把在三级套筒上小孔的磨损转移一部分到底座上，减少套筒小孔上的磨损，维修时只需更换阀芯的底座，增加了笼套式节流阀的整体寿命。

现有的节流阀具有工作寿命短、小孔磨损量大、稳定性差等问题。其工作周期并没有一个完整的体系，不知道何时节流阀会发生破坏，何时应该更换。因此多级笼套式节流阀的研发具有重要的工程研究价值，在石油、化工等领域有着很不错的前景。此外，还存在一些其他对节流阀降压稳定性的因素，比如高速气流带来的节流阀振动、噪声等都需要进一步做深入研究。