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节流阀 结构设计 CAD

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井控节流阀的结构设计含6张CAD图.zip,节流阀,结构设计,CAD

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任务书学院 XXX 专业 XXX 班级 XXX 学生姓名 XXX 指导教师/职称 XXX 1毕业设计(论文)题目：井控节流阀的结构设计2毕业设计(论文)起止时间：20XX年10月20XX年6月3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1 濮良贵，纪名刚机械设计M高等教育出版社出版，2004.2 徐灏机械设计手册S机械工业出版社，2000.3 杨派泉.阀门设计手册M.北京:机械工业出版社，1992.4 陆陪文.实用阀门设计手册M.北京:机械工业出版社，2002.5 洪勉成，陆培文，高凤琴.阀门设计计算手册M.北京：中国标准出版社，1994.6 (英)G.H.Person著，项美根等译.阀门设计M.合肥:安微科学技术出版社，1983.7 陆培文.调节阀实用技术M. 北京:机械工业出版社，2006.8 何衍庆，邱宣振等. 控制阀工程设计与运用M. 北京:化学工业出版社，2005. 9 雷天觉.新编液压工程手册M. 北京：北京理工大学出版社，1998.10 朱培元等编著. 闸阀设计技术及图册M. 北京：机械工业出版社, 2012.11.11 机械工业部编. 阀门产品样本M. 北京：机械工业出版社, 2001.01.12 陈大江.液动平板闸阀的设计与探讨J.阀门,2008,(第4期).13 梁秀霞,李家飞.闸阀常见故障和预防措施J.设备管理与维修,2013,(第B5期).14 汤吉江,吕志鹏.热采井口双阀杆闸阀研制与应用J.石油机械,2011,(第 11期).15 李志，李宁.高压平行闸板阀阀体中腔的设计方法研究J.装备制造技2术,2014,(2).16 原始资料：公称通径：DN= 52.4mm，额定压力:PN=70MPa (10000Psi)，适用温度:0-1200C，执行标准:API Spec 6A。4毕业设计(论文)应完成的主要任务（1）查阅文献，提出研究方案，2018年11月20日前完成开题报告；（2）节流阀国内外发展现状和趋势；（3）井控节流阀的选型与改进；（4）节流阀主要零部件的设计计算与强度校核；（5）节流阀零部件图和总装配图各一套；（7） 2019年5月25日前提交毕业设计（论文）和图纸，要求排版格式规范，字数在15000字左右。5任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 井控节流阀的结构设计开题报告一、题目来源本题目来源于生产实践。二、研究（设计）目的和意义阀门：是在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的装置。阀门是使配管和设备内的介质（液体、气体、粉末）流动或停止并能控制其流量的装置。阀门可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动。阀门主要是由阀体（是介质流通的通道，它承受介质压力和强制关闭是的作用力）、阀盖（阀盖与阀体的连接方式有丝扣连接、法兰连接及利用介质压力进行自密封等形式）等构成。节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门。阀门主要用于天然气开采、石油开采的过程中。阀门是用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。节流阀没有流量负反馈功能，不能补偿由负载变化所造成的速度不稳定，一般仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。井控节流阀就是其中一种。井控节流阀是石油、天然气行业井控装置用于节流管汇中的核心部件，其功能是在实施油气井压力控制技术时，借助它的开启和关闭维持一定的套压，将井底压力变化稳定在一定较小的范围内。节流阀的节流元件，多数采用针形阀结构；一少部分是筒形橡胶，由气、液驱动橡胶筒外壁来改变其内孔大小；还有的是利用两块重叠金属板，靠其相对转动来改变孔口大小。尽管节流阀结构各异，但原理都是通过改变流体通道大小，使钻井液流过节流元件的阻力大小不同，造成的井口回压也不同，通孔越小阻力越大，回压也越大；通孔越大阻力越小，回压也越小，从而达到节流的目的，所以说井控节流阀作为钻井井控管汇中的重要设备，它是压井成败的关键部件。井控节流阀应用在节流管汇上，其主要通过控制流体流量，从而使整个油气生产系统保持一个理想的压力平衡状态。在油田压井的工作现场，操作人员通常是通过改变节流阀开度的大小去调节节流阀两端的压力差，使井底地层的压力通过井口产生一III定的压力来平衡，将溢流排出，从而使井筒压力得以平衡。因此，在安全生产过程中，井控节流阀起到了极为关键的作用,在井下的高压作用下，泥浆对节流管汇的冲蚀性较强，要做到安全生产，井控节流阀须满足以下要求： (1)能够在足够高压条件下工作，对井底产生足够大的回压来平衡井底压力。 (2)在调节井控节流阀时，节流压差与阀芯的行程呈线性关系，防止突变情况的发生。 (3)耐冲蚀能力强，管汇流道布置合理，减轻或者避免泥浆对阀体的冲蚀。 所以，为使井控节流阀更好地满足安全生产的需要，本设计在传统的设计基础上，引入了 CAD、Solidworks、Ansys、Fluent 等现代计算机辅助设计软件和工具，对阀体，阀盖、阀芯和阀杆进行了应力与变形分析，同时也对节流口进行了流场分析及阀芯结构优化，使流道设计更为合理，并改善高压流体的冲蚀情况。 三、阅读的主要参考文献1 濮良贵，纪名刚机械设计M高等教育出版社出版，2004.2 徐灏机械设计手册S机械工业出版社，2000.3 杨派泉.阀门设计手册M.北京:机械工业出版社，1992.4 陆陪文.实用阀门设计手册M.北京:机械工业出版社，2002.5 洪勉成，陆培文，高凤琴.阀门设计计算手册M.北京：中国标准出版社，1994.6 (英)G.H.Person著，项美根等译.阀门设计M.合肥:安微科学技术出版社，1983.7 陆培文.调节阀实用技术M. 北京:机械工业出版社，2006.8 何衍庆，邱宣振等. 控制阀工程设计与运用M. 北京:化学工业出版社，2005. 9 雷天觉.新编液压工程手册M. 北京：北京理工大学出版社，1998.10 朱培元等编著. 闸阀设计技术及图册M. 北京：机械工业出版社, 2012.11.11 机械工业部编. 阀门产品样本M. 北京：机械工业出版社, 2001.01.12 陈大江.液动平板闸阀的设计与探讨J.阀门,2008,(第4期).II 13 梁秀霞,李家飞.闸阀常见故障和预防措施J.设备管理与维修,2013,(第B5期).14 汤吉江,吕志鹏.热采井口双阀杆闸阀研制与应用J.石油机械,2011,(第11期).15 李志，李宁.高压平行闸板阀阀体中腔的设计方法研究J.装备制造技术,2014,四、国内外现状和发展趋势4.1 国内发展现状节流阀是接在节流管线上，用控制节流阀通道大小来对液流造成阻力而生成回压，使井内流体在受控下流出的零部件，可以说节流阀是井控节流系统的核心部件。在我国各大油田，筒形节流阀、针形节流阀和楔形节流阀是我国常用的井控工具，节流阀一般是由手动或者液压驱动。国内在井控节流阀的失效分析与特性分析方面所做的工作较多，但由于对控压钻井技术的研究才处于起步阶段，因而控制压力钻井用节流阀的研究和生产还比较少。 在制造生产方面，国内主要有承德江钻石油机械有限责任公司和江苏咸中石油机械有限公司生产配套石油钻井管汇及阀门。承德江钻公司生产的JFK系列可调式节流阀，该阀为针式结构，即能用于节流,也能截止流量。系列产品的公称直径从52mm到78mm，工作压力从35MPa到105MPa，该阀按API标准设计制造,具有耐腐蚀性能,使用安全可靠。当阀芯完全关闭后，调整显位套使其零刻度线对准阀盖指示圆弧中心线，紧定螺钉锁死，该阀结构简单，使用方便，易于维护保养。随着时代的进步和计算机软件的不断更新，国内外在井控节流阀设计方面的发展趋势主要有以下几点： (1)使阀体内部受力均衡，避免受冲击破裂； (2)通过阀内流道结构的改进，使流场分布更为合理； (3)通过改进节流口构造，在现场操作过程中，压力与流量能够更好控制。 4.2 国内外现状和发展趋势国外对控压钻井用节流阀的研究与制造厂家较多，以美国Power Well Services公司、T3能源服务有限公司的产品最具代表。1、美国 Power Well Services 公司III研发的 Power Choke SC系列节流阀，该节流阀阀芯结构为筒形，其具有压力平衡型结构，因此可以使控制节流阀时更加平滑；其控制端动力来源于气动液压泵提供的液压源，通过涡轮蜗杆传动装置传递动力来控制节流阀的阀芯，在涡轮蜗杆传动装置上还并联了手动装置。 2、美国 T3 能源服务有限公司研发的 HXE 系列节流阀，主要是为恶劣工况设计的，将普通筒形节流阀加以改进，具有独特的设计特点，使得控制精度更高；将硬质合金镀在阀芯表面提高其强度，能以任意角度装配，提高其使用寿命。五、主要研究（设计）内容、关键问题及解决思路5.1 主要研究内容1、对比国内外现有井控节流阀的阀芯形式，在原有的阀芯结构基础上进行改进和完善。 2、对井控节流阀的主要零部件进行参数优化和结构设计、并进行材料选择。 3、利用有限元软件对阀体、阀盖、阀芯和阀杆进行强度分析，保证其可靠性。5.2 关键问题筒形节流阀在长期的生产应用中存在以下问题，线性狭窄，易受冲刷腐蚀、存在悬臂梁，阀杆易折断。5.3 解决思路 对井控节流阀的主要零部件的参数优化的结构设计、并进行材料的选择以达到最佳的效果。六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件所必须具备的工作环境：（1）CAD2016；（2）操作系统为Window 07 ；（3）wps。七、预期成果（达到目标）3通过完善井控节流阀各零部件的参数以及材料的选择，使井控节流阀的耐压和耐磨损寿命延长，以达到降低成的效果。八、工作的主要阶段、进度与时间安排2018年10月21日 指导老师下发任务书2018年10月21日11月20日 查阅参考文献及完成开题报告、开题答辩2018年11月21日2019年1月20日 初步完成毕业设计资料，中期检查2019年1月21日2019年5月24日 完成毕业设计主体工作2019年5月25日2019年5月27日 指导教师完成各项审查及相关签字2019年5月28日2019年5月31日 评阅教师完成评阅意见及相关签字2019年6月1日2019年6月3日 毕业设计答辩九、指导老师审查意见井控节流阀的结构设计 摘要 在石油的钻采和开发的过程中，常常需要实施压井作业，给井底适当的回压从而来平衡与地层的压力，压井作业原理是通过调节井控节流阀的开度的调节对井中的流体产生一定的阻力，来产生一定的回压，因此，井控节流阀在钻井控压的过程中起到了关键性的作用，通过流阀的开度的调节节来控制井内的压力，从而防止井喷等事故的发生。本文主要针对井控节流阀在现场工作中泥浆通过节流口后易向壳体冲去，对阀座以及侧壁造成冲击磨损和腐蚀等问题，主要对公称通径 DN52.4、设计压力 70MPa 的井控节流阀进行研究。首先通过对国内外几种井控节流阀阀芯的优缺点分析，最终选择楔形阀芯结构，并在原有基础上对其进行了结构改进；其次还对阀体、阀盖、阀杆、阀芯等主要零件进行了参数校核和结构优化，并重新进行材料选择；再次利用有限元软件对阀体，阀盖、阀杆和阀芯分别进行了有限元分析优化，校核了其强度，保证其安全可靠。关键词 井控节流阀；参数计算；有限元分析；阀芯结构IIStructural optimization and design of well control throttle valveAbstract In the process of oil drilling, production and development, it is often necessary to carry out killing operation to balance the formation pressure by giving proper back pressure to the bottom of the well. The killing operation principle is to produce certain back pressure by adjusting the opening of well-controlled throttle valve to produce certain resistance to the fluid in the well. Flow valve plays a key role in the process of drilling pressure control. The pressure in the well is controlled by adjusting the opening of the flow valve, so as to prevent blowout and other accidents.In this paper, aiming at the problems of slurry rushing to the shell easily after the well-controlled throttle valve passes through the throttle port in the field work, which causes impact wear and corrosion to the valve seat and side wall, the well-controlled throttle valve with nominal diameter DN52.4 and design pressure 70MPa is mainly studied. Firstly, by analyzing the advantages and disadvantages of several kinds of well-controlled throttle valve spools at home and abroad, the wedge-shaped valve spool structure was selected and its structure was improved on the original basis. Secondly, the main parts such as valve body, valve cover, valve stem and valve spool were checked and optimized, and the material was selected again. The finite element software carries on the finite element analysis and optimization to the valve body, cover, stem and spool respectively, checks its strength and ensures its safety and reliability.keywords well-controlled throttle valve; parameter calculation; finite element analysis; valve core structure目录1 前言11.1课题研究目的与意义11.2 国内外研究21.3 本文研究内容42 井控节流阀的选型与改进62.1 井控节流阀阀芯的常见形式62.2 楔形节流阀92.3 本章小结133参数确定与强度校核143.1 阀体壁厚确定143.2 阀座密封比压校核163.3 阀杆强度校核183.4中法兰及连接螺栓的强度校核203.5阀杆螺母梯形螺纹强度校核243.6填料压盖及压紧螺栓强度校核263.7本章小结284井控节流阀主要零件结构优化294.1阀体结构优化294.2 阀杆结构优化304.3 法兰结构选型314.4 阀芯结构优化334.5防冲蚀结构优化344.6本章小结355总结36参考文献36致谢37VI1 前 言1.1课题研究目的与意义 节流阀多数采用针形阀结构；一少部分是圆柱形橡胶，橡胶筒外壁由气、液驱动来改变其内孔大小；还使用两块重叠金属板，这取决于它们的相对旋转以改变孔口开度。尽管节流阀结构上各有千秋，但原理是通过改变流体通道尺寸，使得流过节流元件的钻井液的阻力大小不同，因此产生的井口背压也不同，通孔越大、阻力越小、背压越小，从而达到节流的目的，因此井控节流阀被用作井控制中的重要设备，它是压井成败的关键部件。井控节流阀通常应用在节流汇管处，主要通过控制流体流量，使整个油气生产系统达到理想的压力平衡状态。在油井作业现场，操作人员通常通过调节节流阀开度来调节节流阀两端的压力差，因此，底孔形成的压力通过在井口出产生的一定压力来平衡，并且溢流阀通过溢流阀溢流以平衡井眼压力，因此，在安全生产过程中，井控节流阀在井下高压作用下起着非常重要的作用，泥浆对节流岐管的冲刷腐蚀性蚀性比较强，要想做到安全生产，井控节流阀就应该满足以下几方面要求： (1)它可以在高压条件下工作，并在井底产生足够大的背压力来平衡井底压力。 (2)调节井控节流阀时，一般节流压差与阀芯是呈线性变化，以应对突发情况发生。 (3)耐冲蚀能力强，管汇流道合理布置，有效减少阀门内壁泥浆的冲蚀。 因此，为了使井控节流阀更好地满足安全生产的需求，采用现代计算机软件进行辅助、计算、校核，通常用的计算机软件例如 CAD、Solidworks、Ansys、Fluent 等现代计算机辅助设计软件和工具，对井控节流阀的零件进行分析和改进。1.2 国内外现状和发展趋势1.2.1国内发展现状节流阀通常是接在节流岐管处，并且通过旋转节流阀来改变通道尺寸，对流体产生一定的阻力以产生背压，导致井中流体在受限制的控制下流动的组件，即在良好控制的节流系统中的核心设备。通常在我国各大油田单位，筒形的节流阀、针形的节流阀和楔形的节流阀这三种是在我国较为常用的井控恒压设备，节流阀通常可分为两种类型驱动，手动或液压。在国内，对井控节流阀a的失效性能分析与特性性能分析。在制造、生产方面，国内具有代表性的主要有两家具有代表性的公司它们分别是承德江钻石油机械有限责任公司和江苏咸中石油机械有限公司。承德江钻公司主要生产的JFK系列是可以调式节流阀，该井控节流阀阀芯为针式结构，一方面可以用于节流,一方面可以用于截止流量。这些系列的标称直径通常为52mm到72mm工作压力通常为35Mpa至105Mpa。该阀按国家API标准设计及制造,具有很较强耐、腐蚀性能、和安全性能。当井控节流阀阀芯完全处于关全闭后，将调整的井控节流阀的显位套使其零刻度线要对准阀盖指示的圆弧的中心线，然后锁紧定螺钉锁死，本井控节流阀结构比较简单，使用起来方便，便于日后的维护、保养。江苏咸中石油机械有限公司主要是以生产井口装置以及采油、管汇及配套阀门等设备，该公司生产的节流阀分为针形井控节流阀可调式、筒型井控节流阀可调式、孔板式井控节流阀及固定式井控节流阀多种，在驱动方面分为手动和液压推动，公称通径一般是从2116mm到4116mm，且都能够满足2000MPa到20000PSI的工作压力要求，其井控节流阀阀针与井控节流阀阀芯都是采用合金制造，具有很高耐磨损和耐冲刷以及抗腐蚀的性能等，可用在管道调节流量、压力以及关闭等重要作用，现已在各大油田井控管汇中使用颇为广泛。 在研究的方面，各研究院主要从是对压井设备、工具进行研发及设计。它还包括中国燕山大学液压研究所的高殿荣，他主要从事研究流体传动方面、控制系统方面,如图 1（外流式针形井控节流阀阀芯结构）所示, 高殿荣是通过使用了伽辽金数值分析有限元法，对针型井控节流阀阀，在阀门打开、阀芯的结构和阀座的外形尺寸各不相同的情况下，对内流场进行数值对比和分析,最后，通过计算得出的结果，进行可视化研究与总结。 图1 外流式针形井控节流阀阀芯结构55随着时代的进步和科技的发展，国内外在井控节流阀设计方面的发展趋势主要包括以下几个方面：(1)阀体内部均匀受力分布，避免受到冲击而破裂； (2)通过改善阀门流道结构，使流场分布更加合理； (3)通过改进节流口形状，在现场实际操作过程中压力与流量可以更好。 1.2.2国内外现状与发展趋势国外生产井控节流阀的厂家比较多，其中以下面介绍的几个公司最具有代表。(1)美国 Power Well Services 公司研发的 Power Choke SC系列井控节流阀节流阀，如图 2 所示。井控节流阀阀芯结构为圆柱形，具有较强的压力平衡型结构，使节流阀时变得更加平滑；控制端的动力来源是由气动液压泵提供的液压源，手动装置也与涡轮并连接。 (2)美国 T3 能源服务有限公司研发的 HXE 系列井控节流阀，如图 3 所示。普通管状节流阀主要针对恶劣环境而设计的，具有独特的设计特点，使控制精度更加准确；硬质合金镀在阀芯表面，增加强度，可以任意角度组装，提高阀门的使用的寿命；入口和出口设计有法兰盘短接头，便于更换。 (3)美国 M-I SWACO 公司研发的 Swaco SuperChoke 井控节流阀，如图 4 所示。阀塞座结构由两个厚度为31.8mm的完全重合的圆盘，硬质合金材料和圆盘上的多个半圆形通孔组成。前端盘是固定的，因此后端的旋转可用于调节截面流动直径。当两个圆盘旋转到完全重合时，节流通经小于50.8mm。当气源动力在供应不足的时候，则可通过手动泵来直接提供液压源。 (4)美国 M-I SWACO 公司研发的 Swaco AtuoChoke 节流阀，如图 5所AtuoChoke 和 SuperChoke 完全不同。在 AtuoChoke 内部会有一个带动带液压驱动的滑阀，当压力施加到阀芯一端时，压力来自液压源并于阀芯另一端的井口压力平衡。 图2 Power Choke SC 图3 HXE 图4 Swaco SuperChoke 图5 Swaco AtuoChoke 国外也有一些著名阀门研发与制造的公司将其节流阀部件可靠性作为研究重点，它们其中还有一些也取得了一些初步成果,比如 Cmaeorn 公司，它设计并优化了原始阀板和圆柱阀座。最后，该结构设计成果使得盘可以旋转并且通孔彼此不对准，从而可以有效的避免圆柱形阀板的振动，不良的节流效果和腐蚀性。1.3 本文研究内容 本文主要研究内容有以下几个方面： (1)通过对比国内外井控节流阀的阀芯形式，在原有的阀芯结构基础上进行改进和创新。 (2)通过对井控节流阀的主要零部件进行参数的优化与结构设计、并对材料进行重新的选择已达到最佳的效果。 (3)利用有限元分析软件 Ansys 对主要零部件阀体、阀盖、阀芯和阀杆进行强度分析，保证其可靠性2 井控节流阀的选型和改进作为井控压力平衡的关键设备。阀芯与阀座的材料和结构在井控节流阀性能方面的关键，其材料的重要指标是必须要具有良好的线性结构、较强的耐磨损和耐冲蚀性能等方面。阀芯通常是在高压的环境下工作的，对节流特性等方面影响很大。因此，节流阀的选型是节流阀研究成败的关键。 2.1井控节流阀阀芯的常见形式 阀芯是阀门部件，其阀体通过其运动实现方向控制，压力控制或流量控制的基本功能，节流特性主要取决于节流阀的阀芯与阀座，根据阀芯和阀座的结构形式的不同，可将其分为下面几种：筒形阀芯，如图 6 所示；针形阀芯，如图 7 所示；筛孔式结构（笼式）阀芯，如图 8所示；太极图（孔板式）结构阀芯，如图 9 所示；楔形结构阀芯，如图 13 所示。图 6 筒形阀芯 图 7 针形阀芯图 8 筛孔式阀芯 图9 孔板式阀芯（1）管状节流阀在长期的生产应用中会存在以下几方面的问题： 线性狭窄，节流效果有限 当管状节流阀关闭时，即使阀门完全关闭；阀体内也会出现常开间隙通道，由于顶部的外锥面太短，流速相对较小。 容易冲刷腐蚀，导致节流阀损坏失效 当流体流经筒形的节流阀的阀芯时候，与固定式阀芯的螺栓形成小的涡流，使涡流反复冲刷顶部螺栓，没有阀芯的节流阀也将无法节流。此时，当阀芯发生故障时，岐管中的流体压力突然升高。泥浆从节流阀的节流口中喷涌而出来，不断冲刷与冲击节流阀的阀体、阀座以及出口联接法兰等关键的部件。如图 10 所示，由于节流阀失效，流体对侵蚀节流阀下游阀体。 图 10流体对节流阀下游阀体冲蚀情况存在悬臂梁，阀杆易折断 当节流阀阀芯没有完全关闭时，其阀芯是浮动的，如果它更换接近完全关闭状态，则阀芯将更长和更长，因此，在高压流体的连续冲刷下发生共振，导致破坏力增强，从而引起破裂现象。 （1）由于上述原因，在实际应用中，管状节流阀用作开关流和防喷，基本上，它仍然可以胜任，但只有在阀门打开或完全关闭时，如果节流阀处于压力低、小流量、大范围进行动态、稳定性节流，例如，欠压平衡操作是在动态欠压平衡和节流循环中保持井底压力，并且性能不是很令人满意的。尽管仍有人仍在使用管状节流阀，但它不适合关键的勘探井和欠压平衡工作良好。（2）针型节流阀也是一种在油田井控岐管中很常见的一种阀门，形状与截止阀之间没有明显差异，但阀芯的形状不同，在工作时，通道的横截面积由阀芯改变，已达到改变流速和压力的目的。从而实现控制流量和压力的功能。但在实际应用过程中，针形节流阀存悬臂梁问题等缺点。当节流阀关闭时，针形阀芯突出的部分最长，悬空的部分也最长的，受到流体的冲蚀面积也是最大，在高强压流体作用下下游管汇易产生共振。（3）歇福尔筛孔结构的节流阀中，节流孔比较多，其材料大多是采用硬质合金制造。如图 8。但在实际使用过程时，很容易被冲刷损坏，如图 11 和图 12 所示，歇福尔筛孔式结构的节流阀不宜在重泥浆的工作条件下使用。歇福尔球形胶芯防喷器各部位密封类型繁。图11 歇福尔筛孔式节流阀内芯 图12 歇福尔筛孔式节流阀外笼套(4)孔板式节流阀,如图 9，该节流阀具有以下优点：孔板式节流阀的流动截面为扇形，阀瓣分为上、下两部分。固定下阀瓣，并旋转上阀瓣，以调整流动区域以控制调整流量。阀盘采用特殊碳化钨制造，抗冲刷能力强，工作时具备良好的减震性能，运行平稳可靠，使用寿命较长。该节流阀也存在一些缺点。 通过对以上四种节流阀核心结构分析，在我们的工作现场比较常见，通过分析很容易知道，阀芯结构的设计和井控节流阀的材料选择对节流阀的结构强度，线性和特性有很大影响。这与工作介质、设计者等因素直接相关。 2.2楔形节流阀 2.2.1井控节流阀的设计原则 在井控节流阀的实际使用操作中，压力调节所需的流动特性是线性的，必须尽可能的避免某一部分的流动压力不会发生显著的变换，并且流动压力在其他部分急剧变化，因此，在设计井控节流阀时，应符合如下原则： 1 节流线性特性影响 通过调节节流阀的开度,达到控制流体压力和流量的目的。在控制压力钻井技术中,要求控制压力的节流阀应由计算机控制,并且能够始终动态、连续地把并口压力控制在设定的很小范围内,这就对节流阀的流量特性提出了更高的要求。节流阀的流量特性必须是线性的，并具有大的通流能力(Cv值),以便在微量调节节流阀开度时,压力也会随之产生微量变化，实现计算机的可靠有效控制。目前，国内钻井用节流阀主要有简式、针形、楔形和孔板式,但它们的流量特性均为曲线形,因此，需要研究出一款能够满足现场生产需求，又多功能的井控节流阀。在设计节流阀的过程中应考虑节流阀的节流线性。在节流阀的整个工作范围内，设计应该尽可能满足线性特性，也就是说，面积的变化是非线性，将其它因素可能接近线性。 (1)通径因素影响 如果节流阀的设计具有大直径，当大流量的流体通过节流阀时，由于大直径，流过阀芯的流体的速度相对较小。这样，阀体和下游岐管的腐蚀损伤小，可以满足现场使用的要求。然而当流体流量小时，流量面积变化和由节流阀的阀芯行程包围的线性区域变化小，从而不能满足线性特性。 如果节流阀的设计直径较小，当小流量流体通过节流阀时，一些钻井能力较低的区仍能满足能量要求，具有较好的“线性”特点，但在大流量情况下，本已经具有线性关系的节流阀越过适合的范围，因而无法实现线性关系，所以不适合大流量井位，适合生产流速较低是使用。 总之，在设计节流阀时，为了满足其“线性”特性，相对行程和相对流量成直线关系。由单位冲程的变化引起的流量变化是恒定的。当流量大时，流量相对值变化小，而流量小时，则流量相对值变化大。 现有的楔形节流阀如图 13 所示，该阀克服了悬臂梁问题，使用寿命长等特点 图 13 楔形节流阀阀芯与阀座 图 14 节流阀的线性特性示意图从图 14 节流阀的线性特性图可以看出：楔形节流阀的线性曲线明显比管状节流阀的线性曲线更接近直线，并且线性度好。管状节流阀仅在很小的范围内成线性，并且没有完全的线性。 该阀在高压和泥浆的工况下，具有良好的耐冲蚀性，可达到设计目标。2.2.2楔形节流阀的问题与改进 楔形节流阀在实际使用中容易存在的问题： （1）阀芯损坏 由于流体流过节流阀阀芯中间螺栓，形成涡流以冲洗六角形固定连接螺栓。螺栓头被腐蚀和腐蚀，导致阀芯脱落，失去解牛效果，并导致下游压力突然上升。很容易造成阀芯损坏。（2）阀座损坏 当楔形节流阀关闭时，阀芯和阀座端口具有15锥面，阀芯与阀座完全接触，节流阀停止和关闭然而，由于组装也难以控制，因此，这里没有组装限制。如图16（b）所以，当流体在通过节流阀阀芯是，它受到其表面形状限制，最终，流体不会沿着阀芯端部的切线方向喷射到阀座内壁中，容易造成阀座损坏，失去保护阀体的功能。（3）阀体损坏 当现场检查楔形节流阀时，阀体的受损率也较高，主要是因为当节流阀关闭时，在正常情况下，节流阀的阀芯与阀座完全接触，节流阀立即执行关闭的动作，而此时流体无法通过节流阀。根据上述分析，虽然普通但斜阀芯的楔形节流阀避免了悬臂梁问题，但在使用中存在一些问题，因此，本文改进并优化现有楔形节流阀的结构，并做一下几点工作： （1） 阀芯设计有带有台阶的双斜面楔形结构，如图15所示。受阀芯构造影响，流体的流动方向始终沿着阀芯表面的切线方向，不会对阀芯造成较大冲击力；当流体流过阀芯时，由于端部的切线方向平行与壳体的中轴线，因此高速流体的流动方向不指向壳体，如图16（a）所示。图15 楔形带台阶的节流阀阀芯 a.楔形台阶阀 b.楔形阀图 16 流体对阀座的冲蚀速度矢量图（2）使用细长硬质合金阀座保护下游阀体，如图 17所示；当高速流体通过，延伸硬质合金阀座具有阀座功能，并且还保护阀体受冲蚀的作用。 图17 加长的硬质合金阀座图图18 楔形带台阶节流阀装配图（3）本次设计线轴的中心部分设计成 90的直台阶，其中可变直径部分的直径通常为50mm-54mm，这样可以形成轴向推力，其不仅解决了阀芯对阀座的膨胀力，而且还起到限位装置的作用，满足现场实际装配需要。（4）由于节流阀用于过超冲，下游法兰短节很容易被泥浆及流体冲蚀而损坏，并且在法兰入口边缘处喷焊硬质合金粉，已改善耐腐蚀性。 2.3 本章小结 通过比较生产中常用的几种节流阀阀塞结构的优缺点，最终确定楔形阀芯优化节流阀的阀芯结构，主要由于楔形阀芯在悬臂梁等问题方面具有良好表现，而且还具有很好的线性度和耐冲蚀能力较强的优点，这次，在分析原始结构和优化改进的基础，最终得了楔形节流阀阀芯结构和阀座形式，如图 18所示。3参数确定与强度校核在设计阀门时，应考虑以下几个方面，密封性能、强度性能、可调节性能等，对于大多数普通阀门来说，密封性问题是阀门取决于优劣的关键因素。本文优化的井控节流阀是安装在节流管汇处的调节类阀，需要对其关键零部件进行密封性与强度计算，并验证是否满足实际使用的要求本次设计优化的原始数据：公称通径：DN=21/16（52.4mm），额定压PN=70MPa（10000Psi），适用温度：0120，执行标准：API Spec 6A。 3.1阀体壁厚确定 条件：实际厚度 计算厚度 计算厚度 (3.1)压力的计算： （设定的起始值）公称通径 ： (设计给定值)阀体的材料应选为 35CrMo（锻造），则：安全系数 ：代入上面的公式可得：由阀门设计手册中表3-1可知：521-302610430111203取附加裕量 图 19填料压盖I - I 断面弯曲应力： (3.6)I - I 断面系数为：I - I 弯矩：压紧填料必须比压：所以 3.2阀座密封比压校核图 20阀座密封条件：密封面必须比压 密封面计算比压密封面许用比压 取密封面宽度： 密封面内径： 密封面必须比压： 密封面计算比压： (3.2)其中，密封面总作用力： (3.3)密封面处介质作用力：（3.6）中取计算压力p ： 密封面上密封力：由以上式子得：MF阀座选择材料为 12Cr13，经查阀门设计手册故，所以阀座密封合格。3.3阀杆强度校核图 21 阀杆结构图 条件：轴向拉应力，轴向压应力；扭应力，合成应力。关闭时阀杆总轴力 ：阀杆轴向力计算系数 取开启时阀杆总轴向力密封面处介质作用力：密封面密封力：阀杆径向横截面上的介质作用力：阀杆与填料摩擦力：其中取无石棉填料系数，阀杆直径，填料宽度螺纹摩擦力矩：其中，取关闭时螺纹摩擦半径：阀杆最小断面系数：轴向拉应力：其中：（取螺纹）轴向压应力：扭应力：合成应力：阀杆材料选取为2Cr13 ，其 ，显然，轴向拉应力，轴向压应力；扭应力，合成应力，因此该材料满足强度要求。3.4中法兰及连接螺栓强度校核中法兰条件：常温时I-I断面弯曲应力；中法兰连接栓强度条件：， 。图 22 中法兰I - I 断面处弯曲应力： (3.4)上式中，查表得螺栓孔中心距：I - I 断面平均直径 ：其中，取中法兰根径，止口直径I - I 断面高度 ：其中，取中法兰厚度，止口深度计算载荷 ：阀杆径向截面上介质作用力 ：填料箱密封面总作用力：其中，取填料箱密封内径 、宽度分别为：填料箱密封面上密封力：填料箱密封面密封比压 ：其中，取系数最小预紧力 ：上式中，取形状系数操作下总作用力F ：填料箱密封面上总作用力 取 或 中的较大者，即密封面必须比压 ： （取必须比压，黄铜）关闭时阀杆总轴向力 ：其中取密封面摩擦系数fM ：密封面总作用力 ：中法兰材料取 35CrMo：所以，中法兰强度合格。螺栓拉应力螺栓拉应力s L ：其中取螺栓截面面积 ：单个螺栓截面积：（取螺栓数 Z=8 ）其中螺栓最小直径 取螺栓直径：螺栓间距与直径比 ：取螺栓孔中间圆直径：螺栓、螺母材料取 2Cr13，其中所以有，螺栓强度合格。3.5阀杆螺母梯形螺纹强度校核图 23 阀杆螺母梯形螺纹连接条件：挤压应力，剪应力，弯曲应力挤压应力：其中 (3.5)关闭时阀杆总轴向力 ：开启时阀杆总轴向力：其中计算螺纹圈数：上式中，螺母高度，螺距，查表得，剪应力t ：查机械设计手册得：弯曲应力：查机械设计手册得：螺母材料应选用： 2Cr13，其则挤压应力，剪应力，弯曲应力，因此符合强度要求。3.6填料压盖及压紧螺栓强度校核填料压盖条件：；压紧螺栓强度条件压紧填料总力：上式中，取力臂力臂l1 ：其螺栓中心孔距根部厚度II- II 断面弯曲应力： (3.7)其中II - II 断面处惯性矩：II - II 断面中性轴到上端面距离 ：上式中，取压盖宽度，压盖上内径，压盖总高填料压盖材料选用： ZG20CrMo，所以有，因此满足强度要求。螺栓拉应力 ：压紧填料必须比压：压紧填料总力 ：上式中，取螺栓总截面积： (取 )选取螺栓材料为： 2Cr13 ， sL= 330MPa 所以s L s L，满足强度要求。3.7小结通过对井控节流阀的主要零部件进行计算与强度校核，和材料选择，使井控节流阀以达到延长使用寿命的。4对井控节流阀关键零件结构优化 除了打开和关闭构建的形状不同之处，节流阀的形式与截止阀的形状没有太大的区别。节流阀意味着阀芯在垂直于入口介质流动方向上移动，以实现阀的打开和关闭。阀主要由阀体哥阀盖组成。法兰、阀杆、阀杆螺母、阀芯、阀座、密封填料、阀杆压盖、填料压盖等零件组成。节流阀是可以作为调节和节流，节流阀的手轮（或别的驱动装置）一般都是逆时针旋转的，驱动蜗杆螺母旋转，然后蜗杆螺母带动阀杆上升，阀杆驱动阀芯向上升起，节流阀开度变大，直到完全打开。使这些部件的表面快速损坏，即调节空化现象。为了尽是减少空气的影响，阀盘由抗气材料(合金钢制造)制成，并制成流线型圆锥面顶尖角为140-180，这也使得翻盖具有的开口高度，阀芯下降，流量减小，节流阀处于关闭状态。4.1阀体结构优化 阀体作为节流阀的核心零件，对井控节流阀来讲，阀体的质量往往会占整个阀门质量的 70%左右，阀体在节流阀中主要作用有以下几点： （1）通过改善与阀芯的装配合，为工作介质提供流动通道； （2）针对高温、高压的恶劣工作环境，应具备高强度的耐冲刷、抗腐蚀的能力； （3）阀体内部会有一部分的空间，是用来满足阀杆、阀芯的运动行程的路线，从而实现阀门开关，同时内部还需为装配阀座等零件提供有限的空间； （4）来自阀门内外两部分压力载荷，内部载荷主要来自于流体、震动、温度、压力变化所带来的冲击力；外部主要是阀门在安装过程中的附加载荷。 阀体作为节流阀在实际应用过程中主要承受压力部件，在设计阀体时应该考虑保证阀体具有紧凑结构，在强度、刚度和抗震性能等方面具有突出的表现，综合考虑将阀体设计为直角式外连接法兰。本次设计的阀门是需要装在高压井口管道的装置中，阀体材料要综合高压这方面考虑，所以选用高强度合金结构钢35CrMo，为了进一步提高阀体强度，需要把阀体进行锻造，同时还需要将阀体设计为长方体，其模型如图 24 所示，零件图如图 25 所示。图24 阀体模型图25 阀体零件图4.2阀杆结构优化相对于阀体来说，阀杆所能承受的压力就小了很多，阀杆的主要功能不仅是带着运动件和受力件，它驱动阀芯进行提升运动以实现阀门的切换功能。而且还要作为密封件。阀杆与填料之间有对应摩擦运动，易使阀杆受损。若阀杆材料不合理就会加剧受损，从而其使用寿命，所以对阀杆材料的要求较高。本文中阀杆要求具有足够的强度，良好的冲击韧性，抗划伤的和耐腐蚀性，本设计的阀杆选择的是 2Cr13，并经调制处理，使其具备比正常的不锈钢具有更好的性价比和机械性能，有足够的强度、耐冲蚀性、良好的冲击韧性等。 阀杆头部应有传动螺纹，这里选取梯形螺纹，由于阀杆与大多数零件间是有间隙的，无需配合，故螺纹不需要退刀槽，其直径与螺纹公称直径一致；由于阀杆较长，其中间部位必须有一段导向轴段，需要保证形位公差；其头部与阀芯的联接采用增设台肩结构，从侧面插入即可，该联接方式便于拆装，且能保证两者之间相对转动。其零件图如图26 所示。 图26 阀杆零件图4.3法兰结构选型 经查 API SPEC 6A-2010 标准可知，根据端部与出口形式不同可将法兰设计标准分为 6B 型、6BX 型和扇形。其中 6B 型法兰和 6BX 型法兰可做整体式法兰，是本文设计的可选类型。其中 6B 型法兰，如图 27 所示，法兰是非面靠面垫环结合式，法兰上的金属垫环起到密封作用，通过贯通螺栓进行连接；6BX 型法兰，如图 28 所示，法兰是一个带凸面环结合，同样采用贯通螺栓进行连接，但设计时应考虑垫环密封时的尺寸装配公差。图27 6B型法兰示意图 图28 6BX型法兰示意图根据以上进行分析，本文设计的井控节流阀的法兰与阀盖是需固定在一起，采用整体锻造的方法，故本设计中采用的法兰选择 6BX 型整体式法兰，选用材料为高强度合金结构钢35CrMo，其三维图如图29，零件图如图30所示。图29 阀盖法兰三维建模图图30 阀盖与法兰的整体式结构4.4阀芯结构优化 本文设计的节流阀阀芯为两端斜面的阀芯，呈楔形状，筒形阀芯与顶部为圆柱形的阀杆配合，具有流体流动性能好，震动小，噪音低，防止系统出现堵塞现象，特别适用于高粘度、第雷诺数、带悬浮颗粒或气泡的介质测量。而楔形结构可以保证流体出流方向不是直接指向壳体，避免对内壁的冲蚀。阀芯材料一般选用耐腐蚀和耐冲蚀，其材料为1Cr18Ni9Ti，其三维模型图如图 3