节流阀完整版.pdf

四、高压节流阀件的研究 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。在众多的阀门中，节流阀就是其中一 种。在压井施工中，节流阀是为了提高环空流动阻力而在循环通路的末端人为设 置的一个流动障碍，流体流经节流阀时，产生一个适当的流动阻力，这个阻力通 过流体传递到井底，以弥补不足的井底压力。而当节流阀应用在节流管汇，其作 用是控制流量，用于保持整个油气生产系统的压力。可以说节流阀是节流系统的 核心部件。所以要解决节流系统在高压井中的井控问题，首先需要进行高压节流 阀的研究。 为了实现对流体的控制，阀门一般应具备以下性能：即密封性能、强度性 能、调节性能、动作性能和流通性能。对于大多数阀门来说，密封问题是首要问 题。但对于安装在节流管汇、井口采油树或压井管汇上的节流阀等调节类阀，除 了对密封和强度的基本要求外，其调节性能的优劣具有重要意义。 在塔里木油田现场，普遍使用的节流阀是针形阀，亦即锥形阀。通过在现场 的调研及实践，在锥阀的使用过程中，常出现许多对油气田生产不利的现象，如 噪声大，阀杆振动，严重的甚至会造成阀杆断裂，阀座刺穿。针对这种情况，进 行高压节流阀的研究十分必要。 4 ．1 节流阀的流体力学及动力学理论分析 4 ．1．1 管内流动 粘性是流体的固有属性。在油田现场的管道中的真实流动都是具有粘性的流 动。但是由于常见的液体和气体的粘性系数µ 的数值很小，因而在速度梯度不是 很大的流场中，粘性力相对于其它力而言为小量，故可不考虑粘性力的作用，从 而可以假定为理想流体；但在采油井口的油气采输，管道输送以及压井施工中， 由于在管道存在速度梯度很大的区域，则必须考虑粘性力的作用。对于复杂的流 动问题目前只有某些特殊问题，才可以完全用理论方法来求解，而大量实际问题 如节流阀（复杂的三维非等截面弯管）中的流动则主要是依靠数值计算方法和实 验的方法来求解。由于实际实验的方法成本较高，故本文采用计算机数值模拟计 算。 在石油工业管道输送系统中，除了长直区段外，还大量存在几何形状不规则 的区段，这些区段内的流体一般都处于湍流状态，运动十分复杂，如流体在弯管、 非圆管、突然缩小、突然扩大的管道真实流动，情况更为复杂，在那里可能出现 如图 3-1 ，图3-2 所示的脱体流动、二次流；形成旋涡，造成局部障碍及损失。 这些漩涡的发生和发展对边界几何形状有着强烈的依赖性，其形状和强度因流道 的不同而不同，是非均匀和高度各项异性的。其中大涡对平均运动有强烈的影响， 大部分质量、动量和能量的输运都是大涡引起的；二次涡的大小、位置及发生的 频率会对流动系统的阻力、能量损失产生重大的作用。是流体流经转弯方向时， 由于流体惯性而形成的，它是一种回转运动。 脱脱 _ 图3--1 扩散段中的脱体流动 _图 3-2 弯管中的二次流 4 ．1．2 流体动力学方程的建立 流体力学中通常采用欧拉法来研究流体速度、压力、密度、温度等矢量场和 µ 标量场。对于粘性系数 不是很小的时候，由于有流动能量损失、流体阻力等问 题的发生，不能按理想流体来处理，需按粘性流体进行研究。 因为在实际工程中的流动都是粘性流动，要建立节流阀内高速运动的动力学 方程，就必须了解流动的特性。首先，在节流阀内流动的泥浆、或原油他们都是 粘性系数不小的流动，就不能视之为理想流体，而应当作粘性流动来处理；同时 在局部复杂的流动结构中，速度很大，流动呈很强的混乱性，因而又是紊流。 工程中的流动问题紊流较多，习惯上把内部流称为紊流，外部流称为湍流， 以后在本文中简称为紊流。与层流相比，紊流运动是复杂的不规则运动，在数学 模型及数值处理方法方面远不及层流运动那样成熟。至今仍有许多问题未被人们 所认识，不少问题正在深入研究中。紊流计算与层流计算在本质上不同。对于层 流，集中对所建立的方程求解即可；而对于紊流，由于方程组往往不是可以求解 的形式，故必须根据实验数据和物理性的研究，对方程组加以模型化后，进行解 算，得出数值解。关于内部紊流，目前主要在研究和应用的是直接计算法、大涡 模拟法和紊流粘性模型法。本节着重讨论在工程科学中实际应用较多以及本文采 用的紊流粘性模型法，简述前两种方法。 在工程实际计算前要确定流体力学简化模型。工程实际中的流体力学问题都 是十分复杂的，必须抓住问题中的本质因素，忽略次要因素，提出合理的简化假