壓降隨開度線性變化的節(jié)流閥的設(shè)計(jì)方法及閥芯的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油鉆井技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓降隨開度線性變化的節(jié)流閥的設(shè) 計(jì)方法及采用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的節(jié)流閥的閥芯，該節(jié)流閥尤其是用于控壓鉆井中。
【背景技術(shù)】
[0002] 控制壓力鉆井技術(shù)（Managed Pressure Drilling-MPD)中，一般要求井底壓力 的變化范圍小于50psi，而壓力的變化主要由用于控壓的節(jié)流閥來調(diào)整。因此，用于控壓的 節(jié)流閥的性能直接影響到控壓鉆井工藝實(shí)施的成功率。而良好的調(diào)節(jié)線性的閥芯是決定節(jié) 流閥的控壓性能的關(guān)鍵。
[0003] 調(diào)節(jié)閥作為液壓氣動控制系統(tǒng)中的終端元件，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中必不可少。閥芯作為 調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵部件，閥芯的型面直接決定了調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)特性，其合理的設(shè)計(jì)對于調(diào) 節(jié)閥的性能以及生產(chǎn)效率意義重大。目前，國產(chǎn)節(jié)流閥的閥芯主要包括針形、楔形和筒形這 幾種簡單的"直線式"輪廓閥芯上。針形閥芯的節(jié)流閥的可靠性高，但出口漩渦流較多，閥 芯易抖動，易斷。老式筒形閥芯的節(jié)流閥的節(jié)流效果差，可調(diào)范圍小，容易出現(xiàn)閥芯刺壞和 脫落現(xiàn)象。而且，使用老式筒形閥芯的節(jié)流閥液體中含砂時(shí)，閥桿和閥芯沖蝕嚴(yán)重。楔形閥 芯的耐沖蝕、可靠性強(qiáng)、線性度差。總之，現(xiàn)有的國產(chǎn)節(jié)流閥的控壓線性度差、調(diào)節(jié)精度低， 不能滿足Mro技術(shù)的要求。
[0004] 另外，目前閥芯的設(shè)計(jì)還沒有一個(gè)高效、通用的設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)在主要還是以經(jīng)驗(yàn)、 流量試驗(yàn)和修形結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。然而這樣的設(shè)計(jì)方法過程復(fù)雜、效率低、研發(fā)周期長、開 發(fā)費(fèi)用高，嚴(yán)重降低了企業(yè)的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種壓降隨開度線性變化的節(jié)流閥的設(shè)計(jì)方 法，該設(shè)計(jì)方法能得到控壓調(diào)節(jié)的線性度和精度更好的閥芯的輪廓曲線，而且該設(shè)計(jì)方法 更高效和通用。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種壓降隨開度線性變化的節(jié)流閥的設(shè)計(jì)方法， 其包括以下步驟：
[0007] 根據(jù)節(jié)流閥的壓降與開度的線性關(guān)系的目標(biāo)、節(jié)流閥的壓降流量特性、過流面積 和閥芯幾何條件建立閥芯輪廓的數(shù)學(xué)模型，通過等值面積曲線方程推導(dǎo)出閥芯的輪廓線應(yīng) 滿足的軌跡方程，通過該軌跡方程得出閥芯的輪廓曲線，從而得到節(jié)流閥的閥芯結(jié)構(gòu)。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的壓降隨開度線性變化的節(jié)流閥的設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu) 點(diǎn)。通過該方法能夠得到閥芯的輪廓曲線，與現(xiàn)有直線式的輪廓閥芯相比，采用滿足節(jié)流閥 的壓降與開度的線性關(guān)系的曲線輪廓的閥芯的控壓線性度和調(diào)節(jié)精度均更好。而且該設(shè)計(jì) 方法能夠普遍用于一系列的閥芯的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)具體的閥芯的目標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)來得到對 應(yīng)的閥芯的輪廓曲線和閥芯結(jié)構(gòu)，更加通用。因此該設(shè)計(jì)方法能提高設(shè)計(jì)效率，更加高效。
[0009] 在一個(gè)實(shí)施例中，壓降ΛΡ與閥芯開度L之間的關(guān)系為：
其中Κ、 C為常數(shù)，ΛΡ為閥門前后壓降，L_表示閥門的最大開度。壓降也可稱為壓差，在最大開度 時(shí)對應(yīng)的最大壓降，對于特定的閥芯，設(shè)計(jì)完成后其最大壓降和最大開度 均為一個(gè)定值，壓降ΛΡ與閥芯的開度L成線性關(guān)系。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施例中，通過閥芯的幾何條件d = D_2x,
以及
得到N點(diǎn)的橫坐標(biāo)X與過流面積Ar之間的關(guān)系為：
其中D、 d分別為錐環(huán)體的上下圓直徑，Lmn為母線長，Θ為夾角，X為閥芯輪廓線上N點(diǎn)的橫坐標(biāo)。 建立閥芯輪廓上的點(diǎn)與過流面積之間的關(guān)系。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施例中，節(jié)流閥的壓降流量特性包括經(jīng)過該節(jié)流閥的流體應(yīng)滿足的伯努 利方程和流體的連續(xù)性方程，通過壓降流量特性方程、開度L與過流面積4之間的關(guān)系以 及壓降ΛΡ與閥芯開度L之間的線性關(guān)系建立閥芯輪廓的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型由得到的 等值面積曲線方程
來表示。在等值面積曲線上的點(diǎn)與點(diǎn)M構(gòu) 成的過流面積相等。
[0012] 在一個(gè)實(shí)施例中，若令
得到各開度下等值面積 曲線所組成的等值面積曲線簇，并通過滿足公式
來求解得到閥芯的輪廓線應(yīng)滿足的軌跡方程。F = 0表示各開度下等值面 積曲線所組成的等值面積曲線簇，由于閥芯輪廓線和所有等值面積曲線都相切，所以閥芯 輪廓應(yīng)滿足方程組
[0014] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在排量為72m3/h的工況下設(shè)計(jì)一種大小為2"的閥芯輪 廓曲線，并使得在其20%-80%有效行程內(nèi)其壓降ΛΡ與閥芯開度L成線性關(guān)系。此處的 2"即兩英寸，相當(dāng)于50. 8mm。在控壓鉆井中該尺寸的閥芯使用較多。因此，能較好地保證 控壓線性度和調(diào)節(jié)精度。
[0015] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，若介質(zhì)密度P = I. 7g/cm3,閥芯有效行程在30mm以內(nèi)， 設(shè)APmax = l〇MPa，Lmax = 30mm，在上式中各項(xiàng)參數(shù)采用如下單位：過流面積A的單位cm2 ; 壓降Λ P的單位為IOOKPa ;流體密度P的單位為g/cm3 ;流量Q的單位為m3/h，即可得到關(guān) 于x、y、Θ的方程組如下：
通過方程組能夠得到閥芯輪 廓曲線應(yīng)滿足的軌跡方程。
[0017] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在小于30_的開度范圍內(nèi)每隔Imm取一個(gè)點(diǎn)，并將值賦 給L，求出節(jié)流閥從L = Omm至L = 30mm開度下的閥芯輪廓點(diǎn)。方便取值和計(jì)算。優(yōu)選地， 通過計(jì)算機(jī)軟件來輔助計(jì)算和曲線擬合。
[0018] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，對求出的閥芯輪廓點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到閥芯的輪廓曲線以 及該輪廓曲線滿足的曲線方程：
[0019] y = -2. 1721x5+26. 496x4-130. 27x3+326. 88x2-428. 56x+218. 06 (1. 198 ^ x 彡 3· 064)。
[0020] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，對閥芯的輪廓曲線方程進(jìn)行模擬，繪制開度與壓降 的曲線以進(jìn)行驗(yàn)證。閥芯的輪廓結(jié)構(gòu)擬合出來后，通過驗(yàn)證開度與壓降的曲線是否在 20% -80%有效行程內(nèi)成線性關(guān)系，若滿足條件，則該設(shè)計(jì)的閥芯輪廓符合設(shè)計(jì)要求，采用 該節(jié)流閥進(jìn)行控壓鉆井時(shí)控壓調(diào)節(jié)的線性度和精度均更好。
[0021] 本發(fā)明還涉及一種節(jié)流閥的閥芯，尤其是用于鉆井中的節(jié)流閥的閥芯，其采用上 述中的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而成。該節(jié)流閥可以為節(jié)流閥或其它類型的閥，例如調(diào)速閥。
【附圖說明】
[0022] 圖1所示是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的節(jié)流閥的一種節(jié)流面積的示意圖。
[0023] 圖2所示是圖1中的節(jié)流口的壓力示意圖。
[0024] 圖3所示是圖2中的節(jié)流閥的閥芯在任一開度下的等值面曲線。
[0025] 圖4所示是圖3中的閥芯的等值面曲線簇的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖5所示是根據(jù)圖4的閥芯擬合得到的閥芯輪廓曲線。
[0027] 圖6所示是圖5中的閥芯的開度-壓降關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法的一個(gè)實(shí)施例中，在排量72m3/h的工況下設(shè)計(jì)一種大小為 2"（即2英寸，相當(dāng)于50. 8mm)的閥芯的輪廓曲線。容易理解的是，在本發(fā)明中的具體實(shí)施 例中設(shè)計(jì)2英寸的閥芯僅是示例性的，本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法適用于任何尺寸的閥芯，例如1. 5 英寸、3英寸、5英寸或任何其它尺寸等。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施例中，在