石油及天然气钻采井口用暗杆闸阀设计与计算.pdf

文章编号 10025855 2010 04000104 作者简介 张清双 1971- , 男, 吉林榆树人, 工程师,主要负责阀门新产品开发、 老产品改造及技术管理工作。 石油及天然气钻采井口用暗杆闸阀设计与计算 张清双 1, 柳志忠2, 刘根节3 1北京市阀门总厂 集团 有限公司, 北京 102601; 2海军驻葫芦岛 431厂军事代表室, 辽宁 葫芦岛 125000; 3浙江柏亨阀门有限公司, 浙江 温州 325102 摘要 介绍了根据 API 6A规范设计的石油及天然气钻采和生产系统井口用暗杆闸阀的结构 特点及工作原理, 分析了井口暗杆闸阀的计算公式。 关键词 井口暗杆闸阀; 波形弹簧; 开关转矩; 结构特点; 计算公式 中图分类号 TH134 文献标识码 A Design and calculation of nonrising stem gate valve for wellhead in the oil and gas drilling ZHANG Q ingshuang1, LIU Zhizhong2, LIU Genjie 3 1Beijing V alveM FG. Combine Co. , L td , Beijing 102601, China ; 2 . M ilitary R epresentative O ffice of theN avy resident inHuludao 431 Factory, Huludao 125000, China ; 3. Zhejiang Byho Valve Co . , Ltd, W enzhou 325102, China Abstract It introduced the structural characteristic andw orking principle of non- rising stem gate valve forw ellhead in the o il and gas drilling in API 6A and analyzed the for m ula of this valve . Key words nonrising stem gate valve forw ellhead ; corrugated spring; sw ithing torque ; structural char acteristic ; for m ula 1 概述 井口暗杆闸阀是海上和陆地石油及天然气钻采 和生产系统的重要部件, 对石化行业的发展起着重 要的作用。但是, 我国的井口暗杆闸阀在设计和制 造技术上与国外相比仍有较大的差距, 高质量或关 键部位的阀门一直依赖进口。在借鉴国外井口暗杆 闸阀技术的基础上, 根据 API 6A规范要求, 设计了 井口暗杆闸阀 简称 API 6A 井口暗杆闸阀 - 下 同 。 2 结构特点 API 6A 井口暗杆闸阀 图 1主要由阀体、 阀 座、 闸板、 阀杆、 波形弹簧、 阀盖、 填料、 轴承、 轴承支 架、 压帽和手轮等零部件组成 图 1。阀杆轴向由 轴承支架和轴承定位, 阀杆下端由梯形螺纹与闸板 相连接。 21 闸板 闸板采用整体式结构可防止管线中的沉淀物进 入阀体内腔。闸板上开有圆形导流孔, 孔径与阀座 及管道的通径一致。阀门全开时, 流体流过的阻力 最小, 与流过相同通径的管道相比, 压降并不增加, 这有利于注气流程的节能。阀门全开时, 闸板所具 有的全通径特点, 使井下工具或仪器通过时, 不发生 挂卡, 阀门密封面避免受损伤及介质冲蚀。在阀全 开时, 闸板与阀座始终贴合, 阻断了异物进入阀腔的 通道, 并能起到清扫密封面的作用, 使密封面不易附 着稠油中的砂粒。 22 阀座 阀座采用浮动对称结构 图 2。阀座浮动是指 阀座对闸板的轴向浮动, 以及阀座对阀体的径向浮 动。浮动量 即间隙 要大于材料的热膨胀量, 以防 止实际工作时产生阀座与阀体之间的擦伤, 或阀座 在阀体上卡住。预留的径向间隙不能过大, 过大会 影响闸板与阀座密封面的贴合度。在阀座与阀体之 间设置一个伸缩补偿性能高的波形弹簧, 其既能使 12010年第 4期 阀 门 阀座实现轴向浮动, 又能实现径向浮动, 保证工作时 阀座不卡住, 而且使阀座带有预紧力, 从而使阀座和 闸板间在低压力时也可以保持良好的密封性能。在 阀座上装有能容纳闸板的导向板, 排除了闸板歪斜 的可能性。阀座和闸板采用膨胀系数相同或相近的 材料, 密封副的表面喷焊镍基合金粉, 增加其抗腐蚀 和抗擦伤性能。 1导板2阀座 3 闸板4阀盖 5 阀杆螺母 6滚动轴承7销 8 上座9填料 10 阀杆 11 波形弹簧 12阀体 图 1 API 6A井口暗杆闸阀 1阀座 2 波形弹簧 3阀体4 闸板 图 2 浮动阀座 23 阀杆组件 阀杆螺母上安装 2个高承载能力的止推轴承吸 收闸板开启和关闭时的载荷, 从而将操作手轮的转 矩降至最低。阀杆采用暗杆式结构, 以保证阀门作 业时不会导致内腔压力的上升并且不会转移内腔里 装填的润滑脂。本体填充物润滑脂通过单一的注塑 实现金属对金属密封。润滑脂接头位于阀杆后座的 下游侧面起到安全作用, 该结构便于针对阀体内腔 进行润滑处理。 图 3 厚壁圆筒受力情况分析 3 工作原理 API 6A井口暗杆闸阀通过手轮带动阀杆转动, 由阀杆与闸板间的梯形螺纹传动副实现闸板的上下 运动, 从而操作阀门的开和关。阀门全开状态时, 进 出口压力相等, 阀座与阀体间的波形弹簧能使闸板 和阀座自动回正。阀门全关状态时, 高压介质将闸 板推向出口端使阀座形成密封。同时入口端阀座在 高压介质和弹簧推力的共同作用下压向闸板, 并达 到必须的密封比压, 实现密封。 4 设计计算 41 壳体强度 考虑到井口装置在正常生产情况下, 其压力相 对稳定, 即筒体内承受的是变化缓慢的压力, 故将其 视为静载荷。根据高压容器厚壁圆筒强度理论计 算, 无外压力时, 壳体受力情况如图 3所示。按照 AS ME 锅炉和压力容器规范第 卷第 2册附录 4叙 述的设计方法, 设计许用应力 [ ]为 [ ] ST 083SY 1 式中 [ ] 设计许用应力, MPa ST 静水压试验压力下的最大许用主膜应 力强度, MPa SY 材料规定的最小屈服强度, MPa 分别计算图 1中 I- I截面和 II- II截面的径向 应力 r及切向应力 t为 r P 1- R2 2 /r 2 K 2 - 1 2 t P 1 R2 2 /r 2 K 2 - 1 3 式中 r 径向应力, MPa P 工作压力, MPa 2 阀 门 2010年第 4期 R2 阀体外圆半径, mm K 管径比 K R2/R1 r R1该处承受应力最大 R1 阀体内孔半径, mm t 切向应力, MPa 当最薄弱截面的径向应力 r和切向应力 t均 小于许用应力 [ ]时, 壳体强度合格。当计算结果 为负值时, 表明该处为压应力。 42 闸板厚度校核 按周边自由支承, 受均布载荷的圆形薄板厚度 SB为 SB 3 3 P 32[ W] DCP 4 式中 SB 闸板厚度, mm 材料的泊松比 DCP 密封面平均直径, mm [ w] 材料的许用弯曲应力, MPa [ w] SY ns 5 ns 安全系数 取 ns 23 43 转矩计算 1轴向力 通过对阀杆进行受力分析 图 4, 得出其受力 关系为 图 4 阀杆受力分析 F关 F1 F2 FP 6 F开 F1 F2- FP 7 式中 F关 关闭阀门时阀杆轴向力, N F开 开启阀门时阀杆轴向力, N F1 阀座与闸板的进口端摩擦力, N F1 QM J Qt 1 8 1 阀座与闸板密封面摩擦系数 QM J 进口端密封面上介质作用力, N QM J D1 bm bmP 9 D1 阀座内径, mm bm 密封面宽度, mm Qt 进口端密封面上弹簧作用力, N Qt 16 KiEbt 3N4 3D m 3 10 Ki 修正系数 E 弹性模量, MPa b 波形弹簧宽度, mm t 波形弹簧厚度, mm N 圆周上波形弹簧波数 弹簧变形量 与闸板位移相关 , mm Dm 波形弹簧平均直径, mm F2 阀座与闸板的出口端摩擦力, N F2 Qz1 11 Qz 出口端密封面上总作用力, N Qz 4 D1 bm 2P 12 FP 阀杆受到的径向介质压力, N FP 4 dF 2P 13 dF 阀杆直径 取螺纹大径 , mm 2最大开关扭矩 通过对阀杆进行扭矩分析, 得出手轮上需施加 的总扭矩 MF为 MFMZJ MFTMFL 14 式中 MZJ 轴承摩擦力矩, Nm MZJ fkFFZDKP 2 15 fk 轴承摩擦系数 fk 001 DKP 轴承平均直径, mm MFT 填料与阀杆摩擦力矩, Nm MFT QTdF 2 16 QT 填料与阀杆的摩擦力, N QT ∀ dFbTP 17 ∀ 系数 按 hT/bT的值和材料类型选取 hT 填料深度, mm bT 填料宽度, mm 32010年第 4期 阀 门 MFL 阀杆与闸板之间的螺纹摩擦力矩, Nm MFL F1 F2RF M 18 RF M 螺纹摩擦半径, mm 3阀杆强度校核 闸阀开启时, 阀杆为受拉状态, 应力为拉应力 b。闸阀关闭时, 阀杆为受压状态, 应力为压应力 Y, 当 b [ ], Y [ ]时, 阀杆强度合格。 b 4 F开 dF 2 19 Y 4 F关 dF 2 20 44 螺柱许用应力校核 按照 API 6A 规范第 19版 434规定, ST 083SY, 则螺柱许用应力 [ ] 083SY, 螺柱承受的 载荷 W、 螺柱总面积 A01、 单个螺柱面积 A1和 Di1为 W 4D2P 21 A01 W /[ ] 22 A1 A01/n 23 Di1 4 KA1 24 式中 W 螺柱载荷, N D 密封圈处直径, mm A01 螺柱总面积, mm 2 A1 单个螺柱面积, mm 2 n 螺柱数量 Di 1 螺柱有效小径, mm K 系数 按螺柱受力不均匀, 取 K 13 螺柱有效小径 Di1小于实际选用的螺柱有效小 径时, 螺柱强度合格。 5 故障及排除方法 API 6A 井口用暗杆闸阀故障及排除方法见 表 1 。 表 1 可能发生的故障及排除方法 可能发生的故障原因排除办法 液体从闸板和阀座处泄漏1闸板或阀座磨损 2手轮未后退 1 更换闸板或阀座 2 将手轮后退 1/4圈 液体从阀杆周围泄漏阀杆密封磨损更换阀杆密封 液体从阀盖边缘处泄漏1阀盖密封圈磨损 2阀盖或阀体环形槽损坏 1 更换阀盖密封圈 2 返修 液体从阀盖接头处泄漏润滑脂嘴内的单向阀磨损更换润滑油嘴 手轮转动困难1止推轴承未润滑 2止推轴承腐蚀 3闸板和阀杆螺纹未润滑 1 润滑止推轴承 2 更换止推轴承 3 通过润滑脂嘴, 润滑闸板和阀杆 手轮旋转无法打开或关闭闸阀阀杆剪切销损坏更换阀杆剪切销 6 结语 API 6A井口暗杆闸阀作为采油树或采气树井 口装置的重要部件,密封性能好, 开启灵活,满足 了油气田钻采需要,采用波纹弹簧使阀座和阀体的 自动补偿效果得到提高。 参考文献 ∀1 陆培文. 实用阀门设计手册第 2版 ∀M . 北京 机械 工业出版社,2007. ∀2 王华. 井控装置实用手册 ∀M . 北京 石油工业出版社, 2008. ∀3 徐学军. 国内外钻井与采油设备新技术 ∀M . 北京 中国 石化出版社,2005 . ∀4 ASM E- BPVC - V III- 2 - 2007, 锅炉和压力容器规范 ∀S. ∀5 API SPEC 6A - 2008, 井口装备和采油树设备规范 ∀S. ∀6 雷俊朝, 李兰生.波形弹簧的结构设计及应用∀J. 机械 产品与科技,1998 , 2. ∀7 李宁, 周思柱,等. 高压井口闸阀开关扭矩计算新方法 ∀J. 石油机械,2006 12. 收稿日期200906 29 欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 4 阀 门 2010年第 4期