KANEKO電磁閥沖蝕性能仿真分析與試驗研究

　　是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件，閥芯在閥體內(nèi)移動，改變閥芯與閥座之間的流通面積，從而達(dá)到調(diào)節(jié)被測介質(zhì)的流量，控制工藝參數(shù)的目的。這些工藝參數(shù)包括壓力、溫度、液位及流量。

　　閥芯形式分直行程和角行程兩類。直行程閥芯通過直線運(yùn)動來改變與閥座之間的流通面積；角行程閥芯通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來改變與閥座間的流通面積。

　　KANEKO電磁閥基礎(chǔ)知識

　　KANEKO電磁閥就是以壓縮空氣為動力源，以氣缸為執(zhí)行器，并借助于電/氣閥門定位器、轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥等附件驅(qū)動閥門，（閥芯閥座相對移動）來實現(xiàn)開關(guān)量或比例式調(diào)節(jié)，接收控制信號：4-20mA電流信號并將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫π盘枺ㄓ啥ㄎ黄魍瓿苫螂姶砰y完成）來調(diào)節(jié)管道介質(zhì)的流量、壓力、溫度等各種工藝參數(shù)。

　　KANEKO電磁閥構(gòu)接收4—20mA電流信號，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)使閥芯閥桿產(chǎn)生相對位移（直行程、角行程）來改變閥芯和閥座之間的截面積大小，控制管道介質(zhì)的流量、溫度、壓力等工藝參數(shù)。

　　KANEKO電磁閥優(yōu)點(diǎn)：動作快、適合遠(yuǎn)距離傳送；節(jié)能（只在工作時才消耗電），環(huán)保（無碳排放），安裝快捷方便（無需復(fù)雜的氣動管路和氣泵工作站）。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、推力小、價格貴，適用于防爆要求不太高及缺乏氣源的場合。

　　并向井底提供適當(dāng)?shù)幕貕阂云胶獾貙訅毫? 防止井涌井噴等事故的發(fā)生。高壓節(jié)流閥的損壞會造成災(zāi)難性的后果, 因此對其可靠性和安全性的要求較高。沖蝕磨損是高壓節(jié)流閥的主要失效形式。A.C.等采用有限元體積法研究了固體顆粒對300 MW蒸汽渦輪機(jī)上噴嘴的沖蝕作用, 得出了沖蝕的影響因子有沖擊角、質(zhì)點(diǎn)速度和顆粒直徑等;S.H.等做了液體沖蝕引起管壁變薄的研究;D.W.用金剛石來提高節(jié)流閥的耐沖蝕性能;L.N.對石油專用閥分別進(jìn)行了模擬分析和試驗研究。

　　1 沖蝕機(jī)理分析

　　1) 節(jié)流閥材質(zhì)特點(diǎn)。閥體材質(zhì)為4130, HB197-235;閥芯材質(zhì)均為碳化鎢, HRA90-93。

　　2) 節(jié)流閥沖蝕特點(diǎn)。電子顯微鏡觀測下閥體切片, 出現(xiàn)微切削和犁溝;閥芯沖蝕坑兩邊形成凸起的唇片, 并呈波紋漣漪狀。

　　3) 沖蝕理論。綜合分析確定, 微切削模型理論、鍛造擠壓理論能揭示巖屑沖蝕節(jié)流閥的行為。兩套模型理論并非各自獨(dú)立地簡單拼湊, 而是相互補(bǔ)充, 從不同角度、不同的沖蝕階段來闡述節(jié)流閥不同位置的沖蝕現(xiàn)象, 進(jìn)而確立節(jié)流閥沖蝕磨損機(jī)理。

　　根據(jù)節(jié)流閥沖蝕機(jī)理, 確定采用如下沖蝕計算模型[11]:

　　2 仿真分析與試驗研究

　　對新型筒式節(jié)流閥、楔型節(jié)流閥、孔板型節(jié)流閥在混氣重泥漿條件下分別進(jìn)行動態(tài)模擬試驗, 檢驗3種類型節(jié)流閥在實施節(jié)流壓井時的可靠性、耐沖蝕性和對井控技術(shù)與井控工藝要求的符合性、適應(yīng)性, 為節(jié)流壓井作業(yè)提供決策依據(jù)。

　　1) 新型筒式節(jié)流閥。新型筒式閥芯采用圓柱形結(jié)構(gòu), 閥芯、閥座均為對稱結(jié)構(gòu), 閥芯、閥座采用碳化鎢合金, HRA92, 可提高抗沖蝕能力, 且可調(diào)換方向安裝, 其過流面積與開度如圖1所示。

　　2) 楔形節(jié)流閥。該閥是為了解決針形節(jié)流閥易斷裂而研制的, 閥芯采用楔形結(jié)構(gòu), 閥芯閥座同樣采用碳化鎢合金, HRA94, 其過流面積與開度如圖2所示。

　　孔板式節(jié)流閥。閥瓣的流通截面形狀為扇形, 閥瓣分為上、下兩部分。固定下閥瓣, 旋轉(zhuǎn)上閥瓣, 可以調(diào)整流通面積, 實現(xiàn)對流量的控制和調(diào)節(jié), 閥芯閥座也采用碳化鎢合金[13,14]、HRA92, 其過流面積與開度如圖3所示。

　　 孔板式節(jié)流閥閥芯及過流面積-開度示意

　　根據(jù)3類型閥過流面積與開度示意圖, 在保證最大過流面積一致的前提下, 針對不同的閥芯位移值 (如表1所示) , 開展了相同條件下新型筒式節(jié)流閥、楔形節(jié)流閥和孔板節(jié)流閥的流場和沖蝕有限元仿真分析。

　　表1 閥芯位置及過流面積

　　節(jié)流閥類型新型筒式節(jié)流閥楔形節(jié)流閥孔板節(jié)流閥

　　對于新型筒式節(jié)流閥, 由于圓柱形閥芯具有結(jié)構(gòu)對稱的特點(diǎn), 其流場較平穩(wěn), 過流面為對稱環(huán)形, 流體流過節(jié)流面時, 流體沖蝕力減弱, 減小了對下游設(shè)備的沖蝕, 受力的集中區(qū)域為閥芯與閥座節(jié)流面最小的區(qū)域, 閥芯節(jié)流面段出現(xiàn)環(huán)狀痕跡, 如圖4所示。

　　對楔形節(jié)流閥進(jìn)行沖蝕數(shù)值模擬分析, 速度場分布如圖5a所示, 可知在楔形閥的閥芯與閥座結(jié)合的部位存在應(yīng)力集中區(qū), 且下游變徑處存在單側(cè)高速線流, 因此會對閥芯部位及下游變徑處形成沖蝕, 如圖5所示。

　　對孔板型節(jié)流閥進(jìn)行沖蝕數(shù)值模擬分析, 速度場分布如圖6a所示。從流場圖中可以看出, 閥出口端流體分布不均勻, 介質(zhì)經(jīng)閥瓣后流動明顯偏向一側(cè), 且沿壁面的流速較大, 會導(dǎo)致流體對單邊沖蝕嚴(yán)重, 如圖6所示。

　　為驗證仿真分析的準(zhǔn)確性, 利用元壩12-1H井的井場, 分別對3種節(jié)流閥進(jìn)行了現(xiàn)場沖蝕試驗。試驗設(shè)備主要有 F-1600H型泥漿泵1臺、氣密封檢測車3臺、105 MPa節(jié)流管匯、液氣分離器、泥漿罐等。泥漿參數(shù)為:密度1.8 g/cm3, pH值11, 黏度48 s , 固相含量35%, 含砂量0.20%。泵沖次80～110 min-1。氮?dú)饧兌?/p>

　　1、KANEKO電磁閥動作方式（閥芯運(yùn)動軌跡）分類：

　　KANEKO電磁閥按其能源形式，分為氣動、電動、液動三類。氣動執(zhí)行器由氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（通常稱調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。

　　KANEKO電磁閥還需要配置一些輔助裝置如：閥門定位器和手輪機(jī)構(gòu)。閥門定位器可提高調(diào)節(jié)質(zhì)量，改善執(zhí)行器的性能。手輪機(jī)構(gòu)可以在調(diào)節(jié)系統(tǒng)因停電、停氣、調(diào)節(jié)器無輸出或執(zhí)行機(jī)頭薄膜損壞失靈時由人直接操作，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

　　KANEKO電磁閥構(gòu)的輸出特性是成比例式的，即輸出位移和輸入氣壓信號成正比關(guān)系。當(dāng)信號壓力輸入薄膜氣室時，在薄膜上產(chǎn)生一個推力，使推桿移動并壓縮彈簧，當(dāng)彈簧的反作用力與信號在薄膜上產(chǎn)生的推力平衡時，推桿就穩(wěn)定在一個平衡位置。信號壓力越大，推桿位移量就越大，推桿的位移就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線位移，也稱行程。