高壓差調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)
論述了70MPa 高壓差調(diào)節(jié)閥的使用要求和結(jié)構(gòu)特點。通過CFdesign 軟件對其介質(zhì)流場進(jìn)行分析，得到了介質(zhì)流通過程中壓降的分布情況，為其閥體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和避免空化、氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生提供了科學(xué)的理論依據(jù)。
1、概述
壓裂工具動態(tài)模擬試驗裝置提供一種模擬壓裂真實狀態(tài)的實驗環(huán)境，用于水平井壓裂技術(shù)研發(fā)中的單項工具實驗和成品壓裂完井工具進(jìn)入現(xiàn)場前的評價實驗，如攜砂壓裂液對壓裂工具的沖蝕實驗、壓裂噴口及射孔噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化實驗和真實壓裂環(huán)境( 高壓、大排量、攜砂) 條件下工具的可靠性實驗及破壞性實驗等。模擬試驗裝置中高壓節(jié)流調(diào)節(jié)閥用于調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部壓力，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)采用耐沖蝕設(shè)計，節(jié)流壓差最大70MPa，壓力自動連續(xù)調(diào)整。
2、參數(shù)
額定實驗壓力70MPa
流量調(diào)節(jié)范圍0 ～ 3m3 /min
口徑78mm( 31 /16 in. )
執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動
連接形式RTJ 環(huán)連接
3、結(jié)構(gòu)
高壓差調(diào)節(jié)閥( 圖1) 的兩個節(jié)流串聯(lián)在閥體內(nèi)，兩閥芯由一套驅(qū)動裝置帶動，同步運動，其介質(zhì)參數(shù)( 流量、壓力) 的變化呈正相關(guān)關(guān)系。介質(zhì)由第一個節(jié)流件節(jié)流后經(jīng)閥內(nèi)兩路并行的通道再進(jìn)入第二個節(jié)流件。閥芯內(nèi)設(shè)置了上下通連的壓力平衡孔，通過壓力平衡孔將下腔的低壓引至閥芯頂部，以減小介質(zhì)壓力引起的作用在閥芯軸向的不平衡力、減小執(zhí)行器負(fù)荷。電動執(zhí)行器推桿與兩個閥芯由一個導(dǎo)向裝置連接。每個閥芯節(jié)流等級初定設(shè)計為14 級、并讓介質(zhì)不斷作90°轉(zhuǎn)向以消耗其動能，達(dá)到減速降壓差的目的。
4、流場分析
4.1、提出問題
高壓差調(diào)節(jié)閥在使用過程中，由于介質(zhì)的壓差很高，很容易產(chǎn)生空化和氣蝕，對閥門的使用壽命造成很大的影響。同時，介質(zhì)的高速沖刷也會對閥門產(chǎn)生極大的震動和噪音。因此，通過CFdesign 軟件對介質(zhì)的流場分析，可以知道節(jié)流閥芯各部分的壓降大小，驗證壓差是否控制在設(shè)計要求內(nèi)，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1、6. 節(jié)流套筒2. 閥芯3. 節(jié)流環(huán)4. 閥蓋5. 閥體
圖1 70MPa 高壓差調(diào)節(jié)閥
4.2、實體造型
采用三維繪圖軟件Solid works 建模，造型過程中將圓角、倒角等與流道無關(guān)的組件忽略，閥體按照其組裝件的結(jié)構(gòu)整體建立成一個零件，簡化閥體外型。進(jìn)出口分別拉伸2 倍和3 倍口徑長度的管徑，以確保穩(wěn)定的收斂狀態(tài)。將Solid works 中的模型導(dǎo)入CFdesign 中( 圖2) ，比較導(dǎo)入前后的模型，確保信息的完整性。進(jìn)口壓力設(shè)定為70MPa，出口壓力設(shè)定為0MPa，閥體材料為固體，介質(zhì)為常溫水。
圖2 CFdesign 中的閥體模型
4.3、網(wǎng)格的劃分
將閥體、套筒、節(jié)流閥桿等與流場分析無關(guān)的部件抑制，在對流體介質(zhì)網(wǎng)格劃分的過程中，充分利用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)在模型尺寸發(fā)生突變處自動將網(wǎng)格細(xì)化的功能，使整個模型自動分配網(wǎng)格，劃分后的模型網(wǎng)格有931 818 個單元( 圖3) 。
圖3 流體域網(wǎng)格的劃分
5、結(jié)果處理
將迭代步數(shù)設(shè)為1 000，點擊運行按鈕，進(jìn)行分析計算，當(dāng)運行到862 步時，運行結(jié)束，參數(shù)收斂。截取x - z 平面，得到切面的速度云圖和壓力云圖( 圖4，圖5) 。
圖4 X - Z 切面速度云圖
圖5 X - Z 切面壓力云圖
由速度云圖可知，進(jìn)出口平均流速V =12. 76m /s。根據(jù)流量的計算公式
Q = VS ( 1)
式中Q———流量，m3 /min
V———進(jìn)出口的平均流速( V = 12. 76) ，m /s
S———進(jìn)出口的截面積( S = 4 638) ，mm2將已知數(shù)據(jù)代入式( 1) ，流量Q = 3. 53m3 /min。分析其計算結(jié)果，14 級節(jié)流閥芯的流量3. 53m3 /min 比實驗要求的流量調(diào)節(jié)范圍0 ～3m3 /min 偏大，所以將閥芯節(jié)流件增加一級，為15 級。重新進(jìn)行分析計算，直到參數(shù)收斂，此時進(jìn)出口平均流速V = 9. 6m /s，流量Q = 2. 67m3 /min，在實驗要求的0 ～3m3 /min 范圍內(nèi)， 15 級節(jié)流的閥芯結(jié)構(gòu)滿足實驗要求。
6、結(jié)語
通過增加閥芯節(jié)流級數(shù)，改變了閥門的流量調(diào)節(jié)范圍，延長了閥門的使用壽命，同時達(dá)到了減音降噪的效果。
