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关于角式迷宫截止阀的研制与应用

0概述

在油田注水作业中,注水站里的大通径控制总阀通常采用普通针式截止阀,这种调节阀在使用一段时间之后,会因为阀门结垢、盘根密封性能差、自身结构不合理等原因,出现阀杆密封泄漏、开关截止失效等问题,造成阀门既不能关闭也不能完全开启,致使油田注水站需停泵维修,影响油田的正常注水作业。根据2004年对新疆油田的调查结果,仅彩南油田作业区就有30多个注水站出现这种情况,每个注水站控制约6口井的注水作业,这样就有180多口井的注水作业受到影响,严重影响油田的正常生产。针对这一情况,新疆石油管理局采油工艺研究院经过精心设计及一系列室内试验和现场试验,成功地研制出角式迷宫截止阀,有效解决了上述问题。

技术分析

1 结构

角式迷宫截止阀主要由连接法兰、密封球头、迷宫阀心、阀杆、阀体、盘根盒、密封盘根、压板螺栓、支架、手轮等部分组成,结构如图1所示。


图1 角式迷宫截止阀结构示意图

1—手轮;2—支架;3—压板螺栓;4—密封盘根;5—盘根盒;
6—阀体;7—阀杆;8—迷宫阀心;9—密封球头;10—连接法兰

2 工作原理

角式迷宫截止阀的迷宫阀心和密封球头结构如图2所示。

图2 角式迷宫截止阀的迷宫阀心和密封球头

当阀门处于截止状态时(如图2a所示),密封球头与阀座紧密结合,实现阀门的完全截止。当转动手轮时, 阀杆带动迷宫阀心与密封球头向上提起,阀门打开(如图 2b所示),流体通过密封球头与阀座之间的间隙进入迷宫阀心内部孔道,再通过迷宫阀心的内部孔道流向阀体内部,这样就大大降低了水流的流速和压力。随着阀杆的继续上提,水流不再经过迷宫阀心而直接由阀门排出,因而,它不会影响注水流量。当反方向转动手轮使阀门关闭的时候,迷宫阀心随阀杆逐渐下降到阀座空间,密封球头与阀座慢慢接合,此时,流体先被迷宫阀心节流,然后再实现完全截止,即使是在快速关闭阀门的时候,该阀也可以大大减少水击现象对注水管线和注水设备的破坏。

3.主要技术参数

公称通径:100mm;
公称压力:20MPa;
工作温度:常温;
连接方式:法兰连接;
密封方式:透镜垫密封。

4.主要部件的设计与计算

(1)密封盘根的设计 

密封盘根应耐腐蚀,并便于装卸更换。对于此阀主要有2个部位的密封:一个是阀杆的密封,另一个是盘根盒与阀体之间的密封。对于阀杆的密封,笔者采用夹不锈钢丝石墨石棉绳与石墨组合的复合盘根密封方式,对于盘根盒与阀体之间的密封,采用夹不锈钢丝缠绕垫密封方式,根据现场使用情况,这2个部位的密封都达到了设计要求,密封效果好,密封时间长。

(2)阀门密封的设计 

阀门密封主要是在密封球头表面和阀座部位采用堆焊硬质合金的做法,收到了较好的密封截止效果。另外,在阀门开启时水流要冲击到的阀体内部也堆焊了硬质合金,增强阀门的抗冲蚀、耐腐蚀能力,减少阀门的结垢量。

(3)迷宫阀心的设计与计算 

笔者采用多级节流环垒焊结构,通过计算,确定各级开孔大小,这样既便于生产加工,又可实现对流体多级降压功能,延长阀门和注水管及注水设备的使用寿命。迷宫阀心的计算主要考虑阀心阻力系数ξ的大小,ξ越大,节流性能越强,节流效果越明显,反之,则不明显。通过对阀心阻力系数ξ计算来设计迷宫阀心,确定迷宫阀心的级数及各级开孔大小,保证实现迷宫阀心对水流的逐级降压、节流。

流体阻力系数ξ是指某管段内总的能量损失ΔNz与该截面F上的单位时间动能之比,即

或者在流体密度不变时,总压力损失(压差)ΔPz与截面F上的速度压力之比,即

式中 ρ———流体密度,kg/m3
——流体流速,m/s;
 ΔPz——流体压力损失(压差),Pa;
G———流体的平均质量流速,kg/s。

根据现场实际情况,入口水压约为16.5MPa 注水密度约为110×103kg/m3,由现场测得的数据,经计算可知,该迷宫阀心可获得不小于10的阻力系数ξ,因此该阀具有较好的节流性能。

5.技术特点

(1)阀杆采用上、下分体设计,降低了加工难度,更换盘根时不必把阀门全拆开,而且在开关过程中,下阀杆只做往复直线运动,无旋转运动,提高了阀杆的密封性能。

(2)阀门内部设计有迷宫阀心,通过优化其关键参数,实现流体多级降压,在阀门开、关的时候,大大降低了水击现象,增强了流道的耐冲蚀能力,减小了开关振动,延长了阀门的使用寿命。

(3)将迷宫阀心和密封球头做成一体,既保证了阀门的有效通径,又减小了阀门的体积,还便于生产加工和维修。

(4)阀门选用撞击手轮,利用手轮较大的转动惯量保证阀门具有较大的开启和关闭力矩,使阀门开、关截止有效。

现场应用

角式迷宫截止阀的研制成功,很好地解决了油田注水站总阀门开关失效、阀杆密封泄漏等问题,并可大大减少水击现象对注水管线和注水设备的破坏。通过优选阀门内部堆焊硬质合金材料和堆焊部位,减少了阀门结垢量,延长了阀门的使用寿命。

彩南油田从2005年4月开始应用角式迷宫截止阀,至今已有30多套应用于现场。作为注水站里的总阀,它同时控制6条注水管线,因此它对截止性能有较高的要求。经过跟踪调查,在安装过角式迷宫截止阀的注水站里再未出现过阀杆密封泄漏、开关截止失效等问题,也未发现其它功能性问题,据现场反映,该阀开关截止性能很好。该阀未采用特殊生产加工工艺和材料,因此,与以前的老阀门相比未增加过多的成本。若以每个注水站因阀门故障而需停泵维修所产生的费用112万元计算,仅此1项就可为油田节约生产成本36万元。