緊急卸荷閥的設(shè)計(jì)與研究

肖艷平，劉方，陳俊澤，詹良斌

（1.蘇州道森鉆采設(shè)備股份有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.長江大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)研究所，湖北 荊州 434023）

1 前言

緊急卸荷閥屬于壓裂作業(yè)配套裝置，通常安裝在高低壓管匯上部，為壓裂系統(tǒng)提供超壓保護(hù)。我國頁巖油儲(chǔ)量超過500 億噸、頁巖氣儲(chǔ)存量超過36 萬億立方米，緊急卸荷閥在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)有這廣闊的市場(chǎng)。目前陸相頁巖油和頁巖氣尚處于起步階段，壓裂裝備的發(fā)展在未來具有廣闊的空間，其中緊急卸荷閥的研發(fā)設(shè)計(jì)是重要一環(huán)，亟需提高其性能和適用性。

為此，太原科技大學(xué)的武宗才對(duì)卸荷閥的工作機(jī)理進(jìn)行了梳理推算出卸荷閥的動(dòng)態(tài)特性方程，對(duì)卸荷閥系統(tǒng)進(jìn)行了頻域分析和模態(tài)分析，得到了卸荷閥穩(wěn)定裕度和固有頻率，采用遺傳算法提高了卸荷閥在實(shí)際應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)特性，并通過試驗(yàn)臺(tái)對(duì)卸荷閥進(jìn)行了主要參數(shù)測(cè)試，對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Kento Kumagai 等人通過試驗(yàn)的方式，對(duì)閥芯位移、空化程度和壓力的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究分析，提出了提升閥振動(dòng)發(fā)生機(jī)理的假設(shè)，得到了空化現(xiàn)象會(huì)放大提升閥振動(dòng)效果的結(jié)論。包括上述學(xué)者在內(nèi)的眾多學(xué)者對(duì)卸荷閥的工作特性進(jìn)行了大量研究，但關(guān)于緊急卸荷閥的開啟壓力精確化控制和密封性鮮有研究，且現(xiàn)有卸荷閥閥芯一般使用錐形結(jié)構(gòu)，在閥芯內(nèi)部安裝彈簧，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造和安裝成本高，且密封性較差，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)開啟壓力的精確控制。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)出一種緊急卸荷閥，其中密封結(jié)構(gòu)為鋼球與閥座之間經(jīng)過配磨的金屬密封，等同于浮動(dòng)球的密封效果，且在閥芯內(nèi)安裝碟簧。通過設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析、試驗(yàn)測(cè)試可得緊急卸荷閥密封效果較好，整體強(qiáng)度滿足要求，且可實(shí)現(xiàn)開啟壓力值的精確設(shè)置，符合工程應(yīng)用需求，對(duì)于新型緊急卸荷閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

2 結(jié)構(gòu)型式與工作原理

本文所設(shè)計(jì)緊急卸荷閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由閥體、閥座、閥桿、鋼球、碟簧、調(diào)節(jié)螺母和一系列零部件組成。該緊急卸荷閥為2 寸140MPa 緊急卸荷閥，泄放壓力為123 ～125MPa。

圖1 緊急卸荷閥結(jié)構(gòu)圖

鋼球與閥座之間形成球面對(duì)錐面的密封，通過壓套、閥蓋將閥座壓緊在閥體上，密封球由閥座和密封球經(jīng)過配磨，實(shí)現(xiàn)金屬密封，實(shí)現(xiàn)等同于浮動(dòng)球的密封效果。閥桿帶有放置碟簧的臺(tái)肩，材料為鑄造高鉛錫青銅，有很高的抗震性能。碟簧則提供一個(gè)初始的密封力。圖1為原始工作位狀態(tài)，此時(shí)，在碟簧的作用下，閥桿推動(dòng)鋼球，使得鋼球與閥體形成密封。緊急卸荷閥通過由壬接口接入壓裂系統(tǒng)的高低壓管匯中，壓裂系統(tǒng)中的壓裂液壓力超過額定壓力時(shí)，壓裂液頂開卸荷單向閥閥芯使得管路中殘余高壓壓裂液經(jīng)過卸荷流道連通卸荷腔實(shí)現(xiàn)卸荷。在碟簧上設(shè)置調(diào)節(jié)螺母，可根據(jù)需要精確調(diào)節(jié)緊急卸荷閥的工作壓力。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的緊急卸荷閥密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，該緊急卸荷閥由鋼球與閥座之間形成球面對(duì)錐面的密封，通過壓套、閥蓋將閥座壓緊在閥體上，密封球由閥座和密封球經(jīng)過配磨，實(shí)現(xiàn)等同于浮動(dòng)球的密封效果。球閥的密封形式浮動(dòng)球閥和其它閥門對(duì)比，有著品質(zhì)輕、體型小、便捷和適用于各種管道施工的特征，并且密封性好，在使用中基本沒有介質(zhì)泄漏。該緊急卸荷閥控制壓裂液卸荷通道開啟方式采用了鋼球與閥座間的金屬密封技術(shù)，更加安全可靠，通過板簧的作用，閥芯的開啟和關(guān)閉受到控制，同時(shí)與閥座密封配合，以達(dá)到精確控制介質(zhì)壓力的目的。

圖2 密封結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 碟簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖3）

圖3 碟簧結(jié)構(gòu)示意圖

碟簧的最小工作負(fù)荷：

碟簧的最大工作負(fù)荷：

式中，每組疊合碟簧中碟簧片數(shù)n=4；承載邊緣處的摩擦系數(shù)fR=0.03；碟簧錐面間的摩擦系數(shù)fM=0.01。

計(jì)算系數(shù)：

式中， 碟簧厚度t=3mm； 單個(gè)碟簧自由高度H0=4.1mm；碟簧外徑D=50mm；碟簧內(nèi)徑d=25.4mm；直徑比C=D/d=1.9685；碟簧厚度t1=3mm。

計(jì)算應(yīng)力：

式中，碟簧厚度t=3mm；無支撐面壓平時(shí)的變形量h0=H0-t=1.1mm；預(yù)壓變形量fz1=0.5mm; 碟簧組數(shù)I=4；單組碟簧預(yù)變形量：；直徑比；泊松比μ=0.3。

安全系數(shù)：

式中，碟簧材料屈服強(qiáng)度σy=1127MPa ；許用抗拉強(qiáng)度σy1=0.75y=845.25MPa ； 許用抗壓強(qiáng)度σy2=1.5y=1690.5MPa。

3.3 材料選擇

密封球與閥桿采用GCr15 高碳鉻軸承鋼，經(jīng)過淬火、回火等工藝后有著優(yōu)良的綜合性能，有較好的耐磨性。閥蓋和閥體采用4140 合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度、淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小。板簧采用50CrVA 彈簧鋼，具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，淬透性較高等特點(diǎn)。緊急卸荷閥材料性能如表1 所示。

表1 緊急卸荷閥材料性能

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值模擬

利用有限元軟件對(duì)緊急卸荷閥閥體進(jìn)行仿真分析，采用單元尺寸為5mm 的四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行局部加密，設(shè)置4140 合金結(jié)構(gòu)鋼材料屬性，對(duì)閥體的外表面施加固定約束，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)閥體內(nèi)表面施加140MPa 壓力載荷（圖4）。

圖4 緊急卸荷閥閥體有限元模型

計(jì)算分析結(jié)果如圖5 所示， 最大應(yīng)力為673.44MPa，位于閥體兩圓柱之間的相貫線位置，圓柱結(jié)構(gòu)發(fā)生變化產(chǎn)生的相貫線位置產(chǎn)生應(yīng)力集中。該最大應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力930 ～1200MPa，故該零件是安全的。

圖5 緊急卸荷閥閥體應(yīng)力云圖

5 結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)

（1）整體強(qiáng)度測(cè)試。將緊急卸荷閥接入測(cè)試設(shè)備從緊急卸荷閥的上游打壓，泵壓210MPa，保壓3min 后泄壓，再次升壓至210MPa，保壓15min，壓力變化小于3.45MPa 無泄漏和損壞，符合卸荷閥強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。（2）整體密封測(cè)試。從緊急卸荷閥下游打壓，升壓到140MPa,保壓15min 后泄壓，壓力變化小于3.45MPa，無可見泄漏。（3）系統(tǒng)開啟試驗(yàn)。按裝配手冊(cè)調(diào)整調(diào)壓螺母的尺寸，從下游打壓125MPa，直到閥門開啟，測(cè)試開啟壓力在123 ～125MPa，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求（圖6）。

圖6 試驗(yàn)測(cè)試圖

6 結(jié)語

本文針對(duì)緊急卸荷閥開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證等研究，主要結(jié)論如下：

（1）該緊急卸荷閥控制壓裂液卸荷通道為直動(dòng)式結(jié)構(gòu)，采用了鋼球與閥體間的金屬密封技術(shù)，運(yùn)用了相互錯(cuò)開的蝶形彈簧結(jié)構(gòu)，可提供更好的緩沖效果，實(shí)現(xiàn)快速精確地調(diào)節(jié)開啟壓力值。（2）該緊急卸荷閥閥體有限元仿真結(jié)果顯示，最大應(yīng)力為673.44MPa，位于閥體兩圓柱之間的相貫線位置，這是由于該處結(jié)構(gòu)發(fā)生變化形成結(jié)構(gòu)尖角而產(chǎn)生應(yīng)力集中，該最大應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力930 ～1200MPa，滿足強(qiáng)度要求，驗(yàn)證了閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和有效性。（3）緊急卸荷閥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，整體強(qiáng)度壓力變化小于3.45MPa，無可見泄漏且閥芯開啟壓力在123 ～125MPa，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求，滿足現(xiàn)場(chǎng)工況的需要。