高压油田阀门井口阀门理论

       采油树是井口装置的重要组件之一，主要由套管闸门、总闸门、生产闸门、清蜡闸门、油管四通或三通及油嘴等部件组成，用以控制和调节油井的自喷生产，引导喷出的油气进入输油管线，保证录取油压、套压、计量油、气产量、取样及清蜡等工作[1，2]。工作过程中，井口装置承受高压作用，是典型的特种设备，其每个组成零部件都需有足够的强度。因此，为了保证井口装置在运行过程中的安全性和使用寿命，对井口装置进行受力分析，找出应力分布规律和危险部位，对改进井口装置设计是必要的。
    闸阀是井口装置的关键部件，90年代中期，由于计算方法的限制，只能根据工程力学中的一些经验公式和简化方法来进行估算，这种计算并不能全面反映阀体这样复杂结构的受力情况，也不能给设计人员指出阀体的薄弱环节和改进措施。90年代后期，随着计算机技术和力学理论的发展，有限元法在阀门产品的设计和分析中发挥了重要作用[3，4]。笔者以某石油机械厂生产的井口装置用闸阀为例，采用有限元法和ANSYS平台对阀体的强度进行了计算，并将计算结果与简化计算结构进行了对比，为采油井口装置用阀体的设计和改进提供了参考依据。
    1 井口装置用闸阀阀体的理论简化计算
    闸阀阀体可简化为等壁厚的厚壁圆筒，其内径为r1、外径为r2，令r2/r1=k。若筒体轴向很长，且不计筒体端部的影响，筒体的几何形状、载荷和支承沿z轴均没有变化，筒体沿轴线方向的应变为常数。根据弹性力学理论和拉梅公式，可得在均匀内压p的作用下，筒壁上任一点处的径向应力σr、切向应力σt和轴向应力σz[5]：
         （1）
    其中径向应力σr为压应力，切向应力σt为拉应力，轴向应力σz为拉应力。zui大切向应力σmax出现在r=r1的内壁处，由式（1）可得：
        （2）
    井口装置闸阀阀体常选用塑性材料制成，故在对阀体进行强度计算时，选用第四强度理论进行校核。由第四强度理论（形状改变比能理论）可知阀体材料的等效应力σ应满足：
        （3）
    将闸阀阀体的内外径r1、r2，工作内压p代入式（3）计算，得内壁处等效应力σ=243MPa。
    2 井口装置用闸阀阀体的有限元分析
    2.1 阀体的设计参数
    井口装置用闸阀阀体结构如图1所示，阀门的技术条件如下：
    材料 ZG35Mo
    弹性模量 205GPa
    屈服极限 560MPa
    强度极限 720MPa
    泊松比 0.29
    工作温度 0~50e
    额定工作压力 0~35MPa
    水压试验压力 70MPa

图1 闸阀阀体结构示意图

    2.2 阀体模型的简化和建立
    基于ANSYS平台对DN52闸阀阀体进行了实体建模，建模过程中严格按照图纸要求进行，对不影响应力分析的铸造圆角、小的倒角等细小结构进行了简化。考虑到阀体的结构和载荷均对称，为节省计算资源，同时为了将阀体内腔暴露出来，便于载荷施加，取阀体的1/2模型进行计算。阀体为非规则的实体，采用10节点四面体单元，通过Te-tMesh完成对阀体的网格的自动划分，对可能产生应力集中的区域进行了网格的局部细化，网格划分结构如图2所示。

图2 网格划分

    2.3 边界条件和载荷
    阀体工作压力为35MPa，根据SY/T5127-20025《井口装置和采油树规范》可知，阀体的水压试验压力为70MPa[6，7]。考虑两种工况：工作时，阀体内表面施加载荷为35MPa；水压试验时，阀体内表面施加载荷为70MPa。
    阀门在工作时，阀体的外表面有较好的保温材料包裹，可认为阀体温度分布是均匀的，系统的热应力很小，在此不做分析。另外，在模型中没有考虑螺栓的预紧力和阀体自重产生的影响。
    由于对称性，规定xoy平面上不许有z方向位移。工作状态时，阀体的两端及顶端均与管线连接，而水压试验时，阀体的两端及中端均用盲板封住，并固定在试验装置上，故把阀体两端和顶端看作简支约束，在对称面和法兰各端上施加相应的位移约束。施加边界条件和载荷后的有限元计算模型如图3所示。