采油井口閘閥開(kāi)關(guān)度對其內部流動(dòng)的影響分析

　　針對井口閘閥在實(shí)際應用中存在開(kāi)關(guān)頻繁的安全性問(wèn)題，以某公司52.4mm采油井口閘閥為例，用數值模擬計算方法對不同開(kāi)度時(shí)井口閘閥內部的流動(dòng)情況進(jìn)行模擬分析。分析結果表明，開(kāi)關(guān)度對采油井口閘閥內部流場(chǎng)影響較大，受影響最大部位在左閥座的下端、閘板內和右閥座的下端；小開(kāi)度時(shí)，采油井口閘閥進(jìn)出口的壓力損失較大，也會(huì )使閘板遭受介質(zhì)沖蝕；全開(kāi)時(shí)流體壓力損失最��；不完全開(kāi)度下，采油井口閘閥因受高速流體沖擊會(huì )引起振動(dòng)，閘板和閥座的密封面可能受損傷。因此，采油井口閘閥適合常開(kāi)或常閉狀態(tài)，不適用于調節或節流。

0、引言

　　閘閥是采油(氣)井口裝置的核心部件，可開(kāi)啟或截斷管道介質(zhì)并控制高壓介質(zhì)按照要求流向指定位置。在井口閘閥開(kāi)關(guān)過(guò)程中，由于截面積的突變，流體對其內部流動(dòng)的影響較大，會(huì )使井口閘閥產(chǎn)生較大的沖擊和振動(dòng)，導致其失效。井口閘閥開(kāi)關(guān)次數有限，需經(jīng)常更換，這給現場(chǎng)施工帶來(lái)了許多不便。閥門(mén)結構較復雜，其內部的流動(dòng)參數難以測量，而國內在這方面的研究相對較少，對管道流場(chǎng)流動(dòng)細節的測量基本沒(méi)有。

　　筆者針對井口閘閥在實(shí)際應用中存在開(kāi)關(guān)頻繁的安全性問(wèn)題，以某公司52.4mm(2in)采油井口閘閥為例，用數值模擬計算方法對不同開(kāi)度時(shí)井口閘閥內部的流動(dòng)情況進(jìn)行模擬分析。

1、數值模擬

　　1.1、井口閘閥阻力系數

　　流體流過(guò)井口閘閥時(shí)，隨著(zhù)截面積的突變會(huì )發(fā)生擾動(dòng)，形成漩渦，或者會(huì )使流體質(zhì)點(diǎn)之間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生較大的能量損耗。流體在井口閘閥的進(jìn)出口所產(chǎn)生的壓降和阻力系數都是比較關(guān)鍵的參數。流體流過(guò)井口閘閥時(shí)局部壓降公式為：

　　式中Δp———局部壓降，Pa；ξ———局部阻力系數；ρ———流體密度，kg/m3；v———流體平均流速，m/s。

　　由式(1)可得閘閥局部阻力系數為：

　　對流體做如下假設：①沒(méi)有熱傳導；②流體介質(zhì)為不可壓縮流體；③流動(dòng)為定常流。

　　1.2、計算模型與網(wǎng)格劃分

　　采油井口閘閥通徑為52.4mm(2in)，閘閥長(cháng)371mm。由于流道局部截面變化引起擾動(dòng)的影響，需考慮一個(gè)完整的流動(dòng)，故在閥的左右兩端取相等長(cháng)度的油管，總長(cháng)為2000mm。根據采油井口閘閥基本結構，考慮到實(shí)際模擬的可行性，建立簡(jiǎn)化的閘閥實(shí)體模型。采用填充操作建立流體部分的幾何體，得到所需流體模型。整體采用非結構網(wǎng)格劃分，邊界采用Inflation法劃分，在閥座與閘板之間的部位進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖1所示。

圖1  網(wǎng)格劃分

3、閘閥工作特性與破壞形式

　　由模擬結果可知，小開(kāi)度時(shí)，采油井口閘閥進(jìn)出口的壓力損失較大；全開(kāi)時(shí)流體流過(guò)整個(gè)閘板內孔，流體流動(dòng)的壓力損失最小。在不完全開(kāi)度下，采油井口閘閥因受到高速流體的沖擊會(huì )引起振動(dòng)，閘板和閥座的密封面有可能受到損傷，同時(shí)小開(kāi)度也會(huì )使閘板遭受介質(zhì)的沖蝕。另外，在介質(zhì)含固體顆�；蚝�砂情況下，閥內壁所遭受的沖蝕將更為嚴重。故采油井口閘閥處于常開(kāi)或常閉的狀態(tài)，具有較好的工作特性，一般不用作調節或節流。從大量的閘閥失效形式可以發(fā)現，閘閥的閥板、閥座和閥體內壁都出現不同程度的磨損和腐蝕，或出現閥板導流孔擴大和應力裂紋，更為嚴重的則出現閥體刺穿等現象。

　　模擬結果表明，局部高速區域與實(shí)際閘閥磨損位置吻合，說(shuō)明閘閥內部流場(chǎng)的數值模擬結果正確，同時(shí)也論證了閘閥不宜用于調節或節流的工作特性。

4、結論

　　(1)流體從輸油管道左側流入采油井口閘閥，速度增加，流經(jīng)閘板內壁并向右流動(dòng)，高速流體沖擊閘板內腔上側和閘閥內壁下側，會(huì )使閘閥內壁出現不同程度的磨損，同時(shí)也易使閘閥產(chǎn)生振動(dòng)。

　　(2)通過(guò)對比分析可知，采油井口閘閥內部的流動(dòng)受開(kāi)度影響較大，開(kāi)度較小時(shí)井口閘閥內部的流動(dòng)變化較劇烈，整個(gè)流動(dòng)系統內部低壓區增大，受回流的影響越大，阻力系數和流速明顯增大，對井口閘閥內部產(chǎn)生的沖擊增大。

　　(3)對井口閘閥幾種開(kāi)度的模擬和比較分析而得到的結果，為下一步對其進(jìn)行結構優(yōu)化提供了參考。