页岩气开采地面高压节流阀阀芯设计研究*

黄 昊，徐 磊，曾学朋，刘 洋

（长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023）

在石油钻采的过程中，井控设备的主要核心部件之一就是地面的节流管汇系统，而节流阀则是节流管汇系统的核心，具有控制井筒压力的功能，可以有效防止井涌、井喷等安全事故的发生[1]。节流阀的种类非常多，其中楔形节流阀克服了常见节流阀的阀芯容易脱落和丢失的缺点，具有良好的线性作用，抗冲蚀性好。

随着我国浅层优质油气的逐步开采，深水油气所在地区也开始成为我国油气开发的重要地区，然而其压力和环境特别复杂[2-3]。在安全生产中，井控节流阀的作用极为关键，在井下由于流体的冲蚀作用和高压的影响，楔形节流阀的阀芯、阀座、阀体等很容易受到损坏，给钻采工作带来了很多不确定的危险因素，为了改善这些不良影响，需要对楔形节流阀的结构做出改进，以提高楔形节流阀的适用性、可靠性和安全性，保证节流阀的使用寿命和钻井工作的安全。

1 理论分析

在工程中，根据失效判断依据制定的强度准则[4]一般为

式中：σri称为相当应力，i=1，3，4，分别对应第一强度理论、第三强度理论和第四强度理论，摩尔强度准则的相当应力用σrM表示；[σ]为许用应力。各种强度理论的相当应力的表达式分别为

式中：[σt]为材料的单向拉伸许用应力；[σc]为材料的单向压缩许用应力。

由于阀芯为脆性材料，即拉伸应力对材料的破坏作用是引起材料失效的主要原因，因此该材料应以第一强度理论作为失效判断依据。

2 阀杆的设计

2.1 阀杆与阀芯的连接方式

由于在节流阀的手轮转动的时候，阀杆会随之转动，但是楔形节流阀的楔形面才具备节流的作用，因此在实际工作时，要确保阀杆转动的时候阀芯不会转动。

本文选择的阀杆与阀芯连接方式为销钉连接，在阀杆和阀芯的结合部位各钻一个销钉孔，然后在阀杆的销钉孔部位内切一个环形槽，当装配两者时，将销钉插入底。当阀杆旋转向下时，会将向下的运动传递给阀芯；当阀杆旋转向上时，阀芯会在销钉的作用下上移，满足工作要求。在实际运用中，由于高压流体的冲蚀作用，阀杆容易受到磨损，因此在这里选用经过调质处理的2Cr13 作为材料。设计阀杆的长度为610 mm，头部与阀芯连接处的尺寸最大，直径为66 mm，阀杆的下部带有梯形的传动螺纹；由于阀杆较长，因此中间有一段为导向轴端，保证它的行为公差；头部有一个插销钉的孔，与阀芯连接的部分采用销钉连接，拆装方便，并且内部有一个环形槽可以使阀杆与阀芯相对转动。图1-a 和图1-b 分别为阀杆二维结构图和阀杆三维结构图。

图1 阀杆二维结构图和三维结构图

2.2 阀芯与阀杆的结构设计

本文研究的是楔形阀芯，其上部为一内含销钉孔的圆筒，可以与阀杆的头部相配合，在工作时更加稳定[5]。楔形阀芯的结构可以有效地引导流体沿着中轴线方向流动，保护了壳体壁不被冲蚀。为了防止阀芯受到流体的冲击力而被破坏，选用强度很高的硬质合金YG8 作为材料。为了使阀芯与阀杆充分连接，由于已知阀杆头部的最大外径为66 mm，因此设计阀芯长为145 mm，最大外径为66 mm。图2-a 和图2-b 分别为阀芯二维结构图和阀芯三维结构图。

图2 阀芯二维结构图和三维结构图

3 阀芯与阀杆的有限元分析

由于阀芯与阀杆相连接，因此研究阀芯需要与阀杆装配起来研究。首先，用SolidWorks 完成阀芯和阀杆的装配；其次，选择插件中的SolidWorks Simulation 功能，对装配体进行网格划分（见图3）；然后，约束阀杆的螺纹处、中部大直径处和阀芯的背面；最后，对阀芯的斜面施加105 MPa 的载荷（见图4）。

图3 阀芯与阀杆装配体的网格划分

图4 施加约束和载荷

针对求解的结果图像，将阀杆隐藏，单独观察阀芯的应力云图和位移云图，见图5 和图6。

图5 阀芯的应力云图

图6 阀芯的位移云图

由图5、图6 可知，阀芯的斜面处变形量最大，最大变形量为0.014 28 mm，此变形量并不大，满足零件的最大变形量尺寸范围：阀芯的最大应力发生在楔形截面的边界处，最大应力为318.7 MPa，对于材料为YG8 的阀芯，许用应力[σ]=1 500 MPa，因此在105 MPa 的工作环境下，阀芯十分安全，满足设计要求。

4 结论

经过上述阀芯与阀杆的结构设计和有限元分析，得到如下结论。

1） 设计了楔形节流阀的阀芯与阀杆的新型连接结构，确定了楔形节流阀的主要零件、安装位置以及运动的传动方式，设计出了主要零部件的尺寸，通过SolidWorks 的建模功能完成了零件的绘制。

2） 阀芯的斜面处变形量最大，最大变形量为0.014 28 mm，此变形量并不大，满足零件的最大变形尺寸范围：阀芯的最大应力发生在楔形截面的边界处，最大应力为318.7 MPa。

3） 通过零件的受力分析，采用第一强度理论，完成了阀芯、阀杆的强度校核，验证了本文设计的阀芯与阀杆在105 MPa 的工作环境下，阀芯十分安全，满足设计要求。