几种节流阀受力状况的定性分析及其优选

几种节流阀受力状况的定性分析及其优选内容来源自网络1引言在压井过程中，节流阀的作用举足轻重。一般说来，它有这样几个主要作用：节流阀要能产生足够大的回压，用以维持井底压力与地层压力的平衡；节流阀要能产生较大的压力降，使经过节流阀后的流体静压大大降低1. 引言在压井过程中，节流阀的作用举足轻重。一般说来，它有这样几个主要作用：节流阀要能产生足够大的回压，用以维持井底压力与地层压力的平衡；节流阀要能产生较大的压力降，使经过节流阀后的流体静压大大降低，以满足地面设备的耐压要求；节流阀要易操作，可控性好，要能根据需要调节油、气的产量。一旦节流阀失控，发展成失控井喷，后果十分严重，可以造成轻则几千万元，重则几亿元的损失。正因为如此，节流阀的设计与研究十分重要，国内外生产设计部门无不投入大量的人力物力，进行节流阀的开发与研究1。目前，生产设计部门已经提出了多种节流装置的设计方案，由于，油气井所处地层的压力非常之大，并非所有的节流阀都能适用。因为，油气井的地层压力十分巨大，故油井的节流阀应必须具有安全性、效率高、易调节、易控制的特点。笔者将从流体力学理论的角度出发，分析四种节流阀在管道中的受力状况以及其阀口周围的流动形态2，找出了针型阀与楔型阀、平板阀与套阀安全性却大不相同的物理机制，为了尽可能满足压井的基本要求。最后提出了节流阀的优选方案。2. 节流系统上的受力分析任何节流系统上所受的力都可以由分解成为两个方向的分力表示，统一把力分解成沿节流阀的流向力和垂直于整个流向力的横向力。下面对这两个力进行分析。2.1. 关于流向力的分析这里所考虑的阀体上的流向力是指：当流体流过节流阀所产生的压力降3，4。对于不可压缩流体，无论流体的流动形式如何，若令是流体的密度，V是流体的速度，Po是所处的地层压力，P1是循环通路中的流体静压力，A是流体通过的截面积，流动总满足质量守恒原理：（1）动量守恒定理：（2）当流体做定常、无粘运动时，流动满足伯努利（Bernoulli）定理有：（3）节流装置的种类很多，但概括起来都是流通截面以某种形式先收缩后扩张的限流装置。当气体通过这些流通截面收缩的部件时，其流动的规律是基本一致的，实验证明，都可以用伯努利定理来研究这些节流装置的特性和功能。但扩张段或其某一部分能否采用伯努利定理则要视具体情况而定。因为，当流动发生分离或与周围流体发生强烈掺混后，粘性作用就不能忽略了。图1 板阀示意图图2 套阀示意图图3 针型阀示意图图4 楔型阀示意图常见的几种节流阀如图14分别是平板阀、套阀、针型阀和楔型阀的示意图。为了讨论上的方便起见，假定上述几种节流阀的开孔处最小截面积A0相同以及与之相联接的管道截面积At亦相同。从图中不难看出，板阀和套阀的扩张段都是突然扩张，而针型阀和楔型阀的扩张段则是逐渐扩张。对于突然收缩和突然扩张型节流阀，只要取一个包括阀体的控制体，假定阀体前后管道截面积相同，若压力能完全恢复，则板阀不受力，由此可见，流体作用于平板上的力，就是阀板前后的压力损失。同样，对于逐渐扩张型的节流阀，控制体的选取仍然要包括整个阀体。若流动在沿扩张段流动时，没有发生分离，并忽略流体与壁面的摩擦力。假定节流阀前后的管路截面积相同，则流体流过节流阀后的压力能够完全恢复，此时阀体不受力。但实际流动中，由于逐渐扩张型节流阀流动通道的截面积逐渐加大，由质量守恒原理（1）知，沿阀体的流动速度逐渐减少。因流动没有分离，且忽略流体与壁面的摩擦张段阀体上的流动是逆压流动，这就为流动分离提供了必要条件。事实上，对于一般的母线为直线的倒锥体，流动是存在分离的。一旦发生分离，就形成类似射流的流动。只要有这样的流动存在，掺混过程就不可避免，压力损失就同时产生。根据对逐渐扩张型节流阀所取的控制体知，这种节流阀，在管道中所受的力，就是压力损失。由上面的讨论可以知道，无论那种类型的节流阀，其受力都取决于流体流经该阀所形成的压力损失。由于，收缩阶段都可采用Bernoulli定理，则有：（4）式（4）中下标“1”表示节流阀前的气体参数，下标“2”表示节流阀后仍适用Bernoulli定理最后位置的气体参数。利用动量定理和流体力学的知识可以得到：（5）式（5）中下标“3”表示阀后均匀掺混后处的物理量。根据阀体前后管道截面积相同的假定，由式（1）知：V1=V3。式（4）、（5）得：（6）由于式（6）右边恒大于0，可知P1P3。由质量守恒原理（1）得：（7）考虑到工程流体力学中提到的板阀，在流体流过阀的收缩前缘后形成射流，由于惯性作用这股射流会有收缩现象，设收缩系数为。对于平板节流阀由式（7）得：V2p=V1At/（A0）。考虑到逐渐扩张型节流阀的分离位置在阀后的一定距离处，而该处的流动通道的截面积Ab要大于A0，同样，由对于逐渐扩张型节流阀由式（7）得：V2b=V1At/Ab。因为，AbA0A0，所以，V2pV2b。若对任何阀而言V1相同，则由式（6）显然得到平板节流阀受力大于逐渐扩张型节流阀。事实上，把压力损失作为阀体受力，是有近似的。严格地说：阀体受力应是阀体两端地静压差。虽然，平板阀和套阀同属于突然收缩和突然扩张型节流阀，但仔细观察不难发现，流体流经它们的流动特点，以及它们的节流效率还是有差异的。流体通过平板阀时，流体的速度方向与阀面垂直，没有沿阀面的切向分量，所以对于平板阀上述的讨论是比较准确的。但流体通过套阀时，流体的速度方向与阀面并不垂直，沿阀面存在切向分量，如图4所示的流线所示。用上述对平板阀的讨论作为套阀的近似用来与逐渐扩张型节流阀进行比较，虽有一定近似性，但不会使结论出现逆转。而与平板阀进行比较时，这些流动上的差异就必须考虑。事实上，当流体进入套阀后，流动方向发生了折转。因此，在“2”点和“3”点之间取控制体，使用动量定理时，式（5）中的V2应为V2t。V2t是V2在沿套阀方向上的分量。根据阀体前后管道截面积相同的假定，由质量守恒原理（1）仍可得：V1=V3。但式（4）、（5）就变为：（8）若管路中流量相同，根据管路截面积相同的假定和式（1）知，V1是一样的，若两种阀的开孔截面积A0相同，则仍由质量守恒原理可知，V2亦不变。因为，V2tV2，所以，（V12+V222V2tV1）（V1V2）2。可见在流量相同的情况下，套阀两端的压力损失大于平板阀。设流过套阀的流体运动速度方向与套阀阀面的垂直方向的夹角为，则根据式（7），可将式（6）和式（8）改写为：由式（9）和式（10）可知：因此，若压力损失不变，则套阀管路中的速度小于平板阀管路中的速度，由质量守恒原理可知，流体流经套阀中的速度小于流经平板阀的速度。再考虑到，在流经套阀中的速度中，只有垂直于阀面的速度分量才能对阀体有冲蚀作用。因此，套阀比平板阀更为安全。除此之外，由于套阀的圆柱形阀套设计，使流体中的高压互相抵消，故具有更易调节的特点。2.2. 关于横向力的分析平板型节流阀不受横向力的影响，所以主要讨论针型阀和楔型阀受横向力的情况。为了在无粘的范围内说明问题，首先给出将要用到的一些流体力学中的基本定理、定义给出5。定义：速度沿一闭合曲线按照指定的方向进行的线积分叫做环量。图5 针型阀对称流动示意图图6 针型阀非对称流动示意图图7 楔型阀流动示意图亥姆赫兹环量守恒定理：在均质无粘流体中，沿一闭流体线的环量不随时间而变化。这里有两个概念需要说明：均质是指密度处处相同；流体线是指由永远相同的流体质点组成的线。儒可夫斯基定理：流体中物体所受的举力（横向力）准确地与物体周围的环量成正比。其单位宽度上的大小为R=v。针型阀和楔型阀所受的横向力与绕它们的流态密切相关，流动形态不同，受力亦不同。首先观察一下针型阀的绕流情况。前面已说过，流体沿针型阀逐渐扩张部分的流动是逆压流动，这就有可能导致分离。至于何时分离及分离点的位置及要视流动的速度和针型阀倒锥面的具体形状而定。当阀体进到一定位置，阀面上的流动达到一定速度时，流动就发生分离，形成如图5所示的流动形态。此时的流动还是对称的，尽管由于分离面卷起了一对漩涡，但因这一对漩涡对称，且旋转方向相反，总体的环量依然是零。根据亥姆赫兹环量守恒定理，阀体上不会有环量。所以，此时针型阀不受横向力的作用。当阀体继续前进，流动速度进一步增加，流动就出现了非对称漩涡脱落，形成卡门涡街，如图6所示。此时由于漩涡是上下交替脱落，故阀面附近的环量不再守恒。根据亥姆赫兹环量守恒定理，阀体上一定要出现交替变化的反向环量，才能维持环量守恒。这样根据儒可夫斯基定理可知，阀体上就要受到方向交替变化的横向力的作用。当阀体前进到某一位置，阀体上漩涡脱落的频率达到或接近阀体的故有频率时，将与阀体发生强烈共振，导致阀体折断。值得注意的是，由于阀体在不断前进，流体的流动速度也在不断变化，漩涡的脱落频率也在不断调整，似乎总有一个时刻，阀体前进的位置正好使漩涡的脱落频率达到或接近阀体的故有频率，所以，阀体的折断就很难幸免。那么楔型阀也是逐渐扩张型节流阀，流动也要发生分离，而它却相对安全，从流体在楔型阀周围的流动形态来分析。仔细观察不难发现楔型阀虽然是逐渐扩张型节流阀，但它的外形是不对称的。另外，它的一部分紧贴阀座，没有流体流过。所以，它所引起的流动分离形态同样是不对称的，如图7所示。这样在楔型阀后只形成了一个漩涡，并且，这个漩涡是驻涡，随着流动速度的变化，涡不会脱落，只会根据阀面上速度的变化改变涡的大小和强弱。由于，这个漩涡的出现，使得节流阀后的环量不再为零，根据亥姆赫兹环量守恒定理，阀体上一定要出现一个与之相反的环量，以维持环量守恒。同样根据儒可夫斯基定理可知，阀体上一定要受到的横向力的作用。但由于此时漩涡的方向是不改变的，故横向力的方向也就不会交替变化，只会根据阀面上速度的变化，改变横向力的强度，所以，它不会引起阀体的震动6。事实上，楔型阀此时受力的方向是指向紧贴阀座的一侧，由于，阀杆受到阀座的支撑，所以，楔型阀与针型阀相比，相对安全的多。还有一点值得注意，对于上述两种节流阀，随着物面上流动速度的增加，环量的强度随之增加。根据儒可夫斯基定理知，节流阀所受横向力的强度亦随之增加。3. 结语（1）突然收缩和突然扩张型节流阀与逐渐扩张型节流阀相比，有这样几个特点：所受的流向力较大；可调节性较差；安全性较差；压力损失大。（2）套阀与平板阀相比，有如下几个特点：在流量相同的条件下，具有较大的压力损失；在压力损失相同的情况下，流量较小；由于只有垂直于阀面的分量会对阀体有冲蚀作用，所以更安全；可调节性好。（3）突然收缩和突然扩张的板型节流阀不受横向力的作用。（4）针型阀在一定条件下，会受到方向交替变化的横向力作用。横向力方向交替变化的频率，取决于涡脱落的频率。而脱涡频率又是由物体外形及绕物体的流动决定的。（5）随着节流管道截面积的不断减小，流体流动的速度不断增加，横向力方向交替变化的频率不断变化。当这种交替变化的频率达到或接近阀体的故有频率时，将与阀体发生强烈共振，会导致阀体折断。这个过程很难避免。（6）楔形阀不会受到方向交替变化的横向力作用。同时，由于阀体上所受流体的横向力可以通过阀座对阀体的支撑力平衡，所以，楔形阀相对安全得多。（7）节流阀所受横向力的强度随流体运动速度的增加而增加。根据上述的分析有如下建议：在压井施工中，应优先考虑选用套阀和楔型阀，以提高压井的安全性；平板阀安全性差，不易调节，并不易改进，建议避免采用。根据针型节流阀的特点，有两种改进方案：改变倒锥母线的直线形状，使流体在阀逐渐扩张阶段流动时，不发生分离，这在理论上是行得通的，但这样一来流体流经节流阀几乎没有压力损失，因而，节流效率也大打折扣；在分离位置前，改变阀倒锥的对称性，使流动不产生旋涡的交替脱落。但由环量方向不变的旋涡所引起的，固定方向的横向力，对针型阀这样的悬臂梁，提出更高的要求。参考文献：1周长城，顾亮.减振器叠加节流阀片与节流阀开度研究J.流体机械，2006，34（7）：1923.2韩兵奇，韩正伟，何俊海.液动节流阀的改进设计J.流体传动与控制，2010，43（6）：1923.3吴望一.流体力学M.北京：北京大学出版社，1982.4杨树人，等.工程流体力学M.北京：石油工业出版社，2006.5张鸣远，景思睿，李国君.高等工程流体力学M.西安：西安交通大学出版社，2006.6AmiranteR，DelVescovoG，LippolisA.AflowforcesanalysisofanopencenterhydraulicdirectionallcontrolvalveslidingspoolJ.En-ergyconversemanage，2006（47）：1431.采购前阀门选型的步骤和依据：在流体管道系统中，阀门是控制元件，其主要作用是隔离设备和管道系统、调节流量、防止回流、调节和排泄压力。由于管道系统选择最适合的阀门显得非常重要，所以，了解阀门的特性及选择阀门的步骤和依据也变得至关重要起来。阀门行业到目前为止，已能生产种类齐全的闸阀、截止阀、节流阀、旋塞阀、球阀、电动阀、隔膜阀、止回阀、安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀和紧急切断阀等12大类、3000多个型号、4000多个规格的阀门产品；最高工作压力为600MPa，最大公称通径达5350mm，最高工作温度为1200，最低工作温度为-196，适用介质为水、蒸汽、油品、天然气、强腐蚀性介质（如浓硝酸、中浓度硫酸等）、易燃介质（如笨、乙烯等）、有毒介质（如硫化氢）、易爆介质及带放射性介质（金属钠、-回路纯水等）。阀门承压件材质铸铜、铸铁、球墨铸铁、高硅铸铁、铸钢、锻钢、高、低合金钢、不锈耐酸钢、哈氏合金、因科镍尔、蒙乃尔合金、双相不锈钢、钛合金等。并且能够生产各种电动、气动、液动阀门驱动装置。面对如此众多的阀门品种和如此复杂的各种工况，要选择管道系统最适合安装的阀门产品，我以为，首先应了解阀门的特性；其次应掌握选择阀门的步骤和依据；再者应遵循选择阀门的原则。1阀门的特性一般有两种，使用特性和结构特性。使用特性：它确定了阀门的主要使用性能和使用范围，属于阀门使用特性的有：阀门的类别（闭路阀门、调节阀门、安全阀门等）；产品类型（闸阀、截止阀、蝶阀、球阀等）；阀门主要零件（阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、密封面）的材料；阀门传动方式等。结构特性：它确定了阀门的安装、维修、保养等方法的一些结构特性，属于结构特性的有：阀门的结构长度和总体高度、与管道的连接形式（法兰连接、螺纹连接、夹箍连接、外螺纹连接、焊接端连接等）；密封面的形式（镶圈、螺纹圈、堆焊、喷焊、阀体本体）；阀杆结构形式（旋转杆、升降杆）等。2选择阀门的步骤和依据大体如下：选择步骤1. 明确阀门在设备或装置中的用途，确定阀门的工作条件：适用介质、工作压力、工作温度等等。2. 确定与阀门连接管道的公称通径和连接方式：法兰、螺纹、焊接等。3. 确定操作阀门的方式：手动、电动、电磁、气动或液动、电气联动或电液联动等。4. 根据管线输送的介质、工作压力、工作温度确定所选阀门的壳体和内件的材料：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、碳素钢、合金钢、不锈耐酸钢、铜合金等。5. 确定阀门的型式：闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、节流阀、安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀、等。6. 确定阀门的参数：对于自动阀门，根据不同需要先确定允许流阻、排放能力、背压等，再确定管道的公称通径和阀座孔的直径。7. 确定所选用阀门的几何参数：结构长度、法兰连接形式及尺寸、开启和关闭后阀门高度方向的尺寸、连接的螺栓孔尺寸和数量、整个阀门外型尺寸等。8. 利用现有的资料：阀门产品目录、阀门产品样本等选择适当的阀门产品。选择阀门的依据在了解掌握选择阀门步骤的同时，还应进一步了解选择阀门的依据。1. 所选用阀门的用途、使用工况条件和操纵控制方式。2. 工作介质的性质：工作压力、工作温度、腐蚀性能，是否含有固体颗粒，介质是否有毒，是否是易燃、易爆介质，介质的黏度等等。3. 对阀门流体特性的要求：流阻、排放能力、流量特性、密封等级等等。4. 安装尺寸和外形尺寸要求：公称通径、与管道的连接方式和连接尺寸、外形尺寸或重量限制等。对阀门产品的可靠性、使用寿命和电动装置的防爆性能等的附加要求。（在选定参数时应注意：如果阀门要用于控制目的，必须确定如下额外参数：操作方法、最大和最小流量要求、正常流动的压力降、关闭时的压力降、阀门的最大和最小进口压力。）根据上述选择阀门的依据和步骤，合理、正确地选择阀门时还必须对各种类型阀门的内部结构进行详细了解，以便能对优先选用的阀门做出正确的抉择。管道的最终控制是阀门。阀门启闭件控制着介质在管道内的流束方式，阀门流道的形状使阀门具备一定的流量特性，在选择管道系统最适合安装的阀门时必须考虑到这一点。如下为选择阀门应遵循的原则：截止和开放介质用的阀门流道为直通式的阀门，其流阻较小，通常选择作为截止和开放介质用的阀门。向下闭合式阀门（截止阀、柱塞阀）由于其流道曲折，流阻比其他阀门高，故较少选用。在允许有较高流阻的场合，可选用闭合式阀门。控制流量用的阀门通常选择易于调节流量的阀门作为控制流量用。向下闭合式阀门（如截止阀）适于这一用途，因为它的阀座尺寸与关闭件的行程之间成正比关系。旋转式阀门（旋塞阀、蝶阀、球阀）和挠曲阀体式阀门（夹紧阀、隔膜阀）也可用于节流控制，但通常只能在有限的阀门口径范围内适用。闸阀是以圆盘形闸板对圆形阀座口做横切运动，它只有在接近关闭位置时，才能较好地控制流量，故通常不用于流量控制。换向分流用的阀门根据换向分流的需要，这种阀门可有三个或更多的通道。旋塞阀和球阀较适用于这一目的，因此，大部分用于换向分流的阀门都选取这类阀门中的一种。但是在有些情况下，其他类型的阀门，只要把两个或更多个阀门适当地相互连接起来，也可作换向分流用。带有悬浮颗粒的介质用阀门当介质中带有悬浮颗粒时，最适于采用其关闭件沿密封面的滑动带有擦拭作用的阀门。如果关闭件对阀座的来回运动是竖直的，那末就可能夹持颗粒，因此这种阀门除非密封面材料可以允许嵌入颗粒，否则只适用于基本清洁的介质。球阀和旋塞阀在启闭过程中对密封面均有擦拭作用，故适宜用在带有悬浮颗粒的介质中。目前，无论在石油、化工，还是在别的行业的管道系统，阀门应用、操作频率和服务千变万化，要控制或杜绝那怕是低微的泄漏，最重要、最关键的设备还数阀门。管道的最终控制是阀门，阀门在各个领域的服务和可靠表现是独一无二的。采购后阀门检查及维修保养阀门维修保养不及时，造成阀门失修渗漏或开关不灵;阀门未定期检修试压，甚至使用多年未进行清洗、试压和技术鉴定，致使杂物沉积于阀内，关闭不严，严重渗油、窜油;阀门检修后未关闭，或者拆除阀门后未封堵管口;阀门尘兰垫片使用了不耐油不耐压材料等。因此，要加强对阀门的检查，力争做到防患于未然。阀门检查的主要内容：1、阀杆动密封及法兰垫片静密封处是否渗漏2、启闭状态是否正常3、阀体有无损伤及渗漏等异常现象4、将平时常开或常闭的阀门转动12圈或做1次升降试验5、对常开或常闭阀门阀杆部位润滑6、检查和调试气动阀门的动力头及电气系统