黃 昊，徐 磊，曾學(xué)朋，劉 洋

（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

在石油鉆采的過程中，井控設(shè)備的主要核心部件之一就是地面的節(jié)流管匯系統(tǒng)，而節(jié)流閥則是節(jié)流管匯系統(tǒng)的核心，具有控制井筒壓力的功能，可以有效防止井涌、井噴等安全事故的發(fā)生[1]。節(jié)流閥的種類非常多，其中楔形節(jié)流閥克服了常見節(jié)流閥的閥芯容易脫落和丟失的缺點(diǎn)，具有良好的線性作用，抗沖蝕性好。

隨著我國淺層優(yōu)質(zhì)油氣的逐步開采，深水油氣所在地區(qū)也開始成為我國油氣開發(fā)的重要地區(qū)，然而其壓力和環(huán)境特別復(fù)雜[2-3]。在安全生產(chǎn)中，井控節(jié)流閥的作用極為關(guān)鍵，在井下由于流體的沖蝕作用和高壓的影響，楔形節(jié)流閥的閥芯、閥座、閥體等很容易受到損壞，給鉆采工作帶來了很多不確定的危險(xiǎn)因素，為了改善這些不良影響，需要對楔形節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)，以提高楔形節(jié)流閥的適用性、可靠性和安全性，保證節(jié)流閥的使用壽命和鉆井工作的安全。

1 理論分析

在工程中，根據(jù)失效判斷依據(jù)制定的強(qiáng)度準(zhǔn)則[4]一般為

式中：σri稱為相當(dāng)應(yīng)力，i=1，3，4，分別對應(yīng)第一強(qiáng)度理論、第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論，摩爾強(qiáng)度準(zhǔn)則的相當(dāng)應(yīng)力用σrM表示；[σ]為許用應(yīng)力。各種強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力的表達(dá)式分別為

式中：[σt]為材料的單向拉伸許用應(yīng)力；[σc]為材料的單向壓縮許用應(yīng)力。

由于閥芯為脆性材料，即拉伸應(yīng)力對材料的破壞作用是引起材料失效的主要原因，因此該材料應(yīng)以第一強(qiáng)度理論作為失效判斷依據(jù)。

2 閥桿的設(shè)計(jì)

2.1 閥桿與閥芯的連接方式

由于在節(jié)流閥的手輪轉(zhuǎn)動的時候，閥桿會隨之轉(zhuǎn)動，但是楔形節(jié)流閥的楔形面才具備節(jié)流的作用，因此在實(shí)際工作時，要確保閥桿轉(zhuǎn)動的時候閥芯不會轉(zhuǎn)動。

本文選擇的閥桿與閥芯連接方式為銷釘連接，在閥桿和閥芯的結(jié)合部位各鉆一個銷釘孔，然后在閥桿的銷釘孔部位內(nèi)切一個環(huán)形槽，當(dāng)裝配兩者時，將銷釘插入底。當(dāng)閥桿旋轉(zhuǎn)向下時，會將向下的運(yùn)動傳遞給閥芯；當(dāng)閥桿旋轉(zhuǎn)向上時，閥芯會在銷釘?shù)淖饔孟律弦?，滿足工作要求。在實(shí)際運(yùn)用中，由于高壓流體的沖蝕作用，閥桿容易受到磨損，因此在這里選用經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的2Cr13 作為材料。設(shè)計(jì)閥桿的長度為610 mm，頭部與閥芯連接處的尺寸最大，直徑為66 mm，閥桿的下部帶有梯形的傳動螺紋；由于閥桿較長，因此中間有一段為導(dǎo)向軸端，保證它的行為公差；頭部有一個插銷釘?shù)目祝c閥芯連接的部分采用銷釘連接，拆裝方便，并且內(nèi)部有一個環(huán)形槽可以使閥桿與閥芯相對轉(zhuǎn)動。圖1-a 和圖1-b 分別為閥桿二維結(jié)構(gòu)圖和閥桿三維結(jié)構(gòu)圖。

圖1 閥桿二維結(jié)構(gòu)圖和三維結(jié)構(gòu)圖

2.2 閥芯與閥桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的是楔形閥芯，其上部為一內(nèi)含銷釘孔的圓筒，可以與閥桿的頭部相配合，在工作時更加穩(wěn)定[5]。楔形閥芯的結(jié)構(gòu)可以有效地引導(dǎo)流體沿著中軸線方向流動，保護(hù)了殼體壁不被沖蝕。為了防止閥芯受到流體的沖擊力而被破壞，選用強(qiáng)度很高的硬質(zhì)合金YG8 作為材料。為了使閥芯與閥桿充分連接，由于已知閥桿頭部的最大外徑為66 mm，因此設(shè)計(jì)閥芯長為145 mm，最大外徑為66 mm。圖2-a 和圖2-b 分別為閥芯二維結(jié)構(gòu)圖和閥芯三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2 閥芯二維結(jié)構(gòu)圖和三維結(jié)構(gòu)圖

3 閥芯與閥桿的有限元分析

由于閥芯與閥桿相連接，因此研究閥芯需要與閥桿裝配起來研究。首先，用SolidWorks 完成閥芯和閥桿的裝配；其次，選擇插件中的SolidWorks Simulation 功能，對裝配體進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖3）；然后，約束閥桿的螺紋處、中部大直徑處和閥芯的背面；最后，對閥芯的斜面施加105 MPa 的載荷（見圖4）。

圖3 閥芯與閥桿裝配體的網(wǎng)格劃分

圖4 施加約束和載荷

針對求解的結(jié)果圖像，將閥桿隱藏，單獨(dú)觀察閥芯的應(yīng)力云圖和位移云圖，見圖5 和圖6。

圖5 閥芯的應(yīng)力云圖

圖6 閥芯的位移云圖

由圖5、圖6 可知，閥芯的斜面處變形量最大，最大變形量為0.014 28 mm，此變形量并不大，滿足零件的最大變形量尺寸范圍：閥芯的最大應(yīng)力發(fā)生在楔形截面的邊界處，最大應(yīng)力為318.7 MPa，對于材料為YG8 的閥芯，許用應(yīng)力[σ]=1 500 MPa，因此在105 MPa 的工作環(huán)境下，閥芯十分安全，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述閥芯與閥桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析，得到如下結(jié)論。

1） 設(shè)計(jì)了楔形節(jié)流閥的閥芯與閥桿的新型連接結(jié)構(gòu)，確定了楔形節(jié)流閥的主要零件、安裝位置以及運(yùn)動的傳動方式，設(shè)計(jì)出了主要零部件的尺寸，通過SolidWorks 的建模功能完成了零件的繪制。

2） 閥芯的斜面處變形量最大，最大變形量為0.014 28 mm，此變形量并不大，滿足零件的最大變形尺寸范圍：閥芯的最大應(yīng)力發(fā)生在楔形截面的邊界處，最大應(yīng)力為318.7 MPa。

3） 通過零件的受力分析，采用第一強(qiáng)度理論，完成了閥芯、閥桿的強(qiáng)度校核，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的閥芯與閥桿在105 MPa 的工作環(huán)境下，閥芯十分安全，滿足設(shè)計(jì)要求。