CN103759028B - 一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，它包括阀芯（2）、阀杆（1）和连接螺栓（3），阀杆（1）上设有凸柱（5），阀芯（2）上设有凹槽（8），凸柱（5）上设有轴向内孔（6），阀杆（1）上设置径向内孔（7），径向内孔（7）连通轴向内孔（6）与阀杆（1）外部，连接螺栓（3）穿过阀芯（2）的连接孔（9）后通过螺纹与轴向内孔（6）连接，连接螺栓的中心设置有轴向通孔（10）。本发明的有益效果是：寿命长、控制精度高；阀芯由螺栓连接在阀杆上，可以快速更换，降低了阀门维修成本和劳动强度；阀芯形面轮廓设计使节流阀流量系数随开度呈线性变化关系，大幅度提高控压钻井控制系统的调节精度和稳定性。

Description

一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针

技术领域

本发明涉及节流阀技术领域，特别是一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针。

背景技术

控压钻井是当今钻井工况日益复杂情况下的发展趋势。节流阀在控压钻井作业中承担着控制钻井液流速、精确调节井口压力的工作。因此各种形式的阀芯被设计出来，以满足不同的工况要求。目前，筒形阀芯是控压钻井作业中运用最广的阀芯形式之一。它克服了针型阀芯末端易冲蚀破坏、笼套式和孔板式阀芯在泥浆介质下工作寿命短和堵塞的问题。且几何形状规则、结构简单，比其他形式阀芯具有更好的机械加工性能和更简单的装配结构。

流量系数是节流阀最重要的参数之一，表示节流阀对液体的阻碍能力大小，是节流阀的固有参数，不随工况的改变而改变。在工作过程中，节流阀执行机构通过改变阀芯开度，使阀芯与阀座之间形成一定的过流面积，从而得到所需的流量系数，继而得到一定的井口压力。换言之，一种阀芯结构对应一种固定的流量系数-开度关系。且节流阀的流量系数-开度线性程度越高，控压钻井控制系统对井口压力的调节精度就越高。

国内已经出现了一些针对节流阀或调节阀阀芯的研究成果。中国专利85100559公开了一种低压降调节阀及其轮廓曲线的设计方法，主要针对在压降比为0.1工况下的流量调节阀使用。该调节阀具有较好的实用性，但并不适用于控压钻井高压、大流量的工况。中国专利201310375420公开了一种偏心节流阀，包括有阀体、阀盖、阀芯、阀杆及驱动机构。其主要特点是阀芯为密封盘，密封盘上设有偏心导流孔，偏心导流孔随密封盘的旋转与阀座的连接孔重合导通或分离闭合，从而改变过流面积。该节流阀主要优点是流量控制稳定、密封性好，节流原理类似于孔板式节流阀；缺点是耐冲蚀性差，且出口流体偏心明显，在特殊工况下会对下游管路造成严重冲蚀损坏。中国专利201220100901.4公开了一种液动楔形节流阀，其中楔形阀芯具有很好的耐冲蚀性，液动执行机构较手轮驱动更为省力。但楔形阀芯节流特性差，节流效果不明显，且形成的偏心液体容易对下游管路造成破坏。中国专利201320423468.2全自动无级变速线性泄压装置，其通过步进电机控制阀芯的位置，但该阀芯仍为传统针形阀芯，未能改善存在的技术问题。

相比国外系列化、专业化的控压钻井节流阀阀芯产品，目前国内还没有针对控压钻井节流阀阀芯结构及其流量系数-开度特性进行系统化的研究。常用的阀芯结构仍然是根据经验来生产和改进，阀门的节流性能没有得到明显的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种寿命长、控制精度高、拆装更换方便、流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，它包括阀芯、阀杆和连接螺栓，阀杆的下端面上设有一个凸柱，阀芯的上端面上设有与凸柱相配合的凹槽，凸柱的下端面上设有轴向内孔，且轴向内孔沿阀杆轴向延伸至阀杆内部，阀杆的上部设置有沿径向延伸的径向内孔，径向内孔连通轴向内孔与阀杆外部，轴向内孔的底部设置有内螺纹，凹槽的底面上设置有连接孔，阀芯通过凹槽套装于阀杆底部的凸柱上，连接螺栓穿过连接孔后通过螺纹与轴向内孔连接，连接螺栓将阀芯压紧于阀杆上，连接螺栓的中心设置有轴向通孔，轴向通孔连通轴向内孔与阀芯的端面外部的空间。

所述的凸柱为沿从上到下的方向直径逐渐减小的锥台型；所述的凹槽为与凸柱相配合的、直径沿从上到下的方向直径逐渐减小的锥台型槽。

所述的凸柱的锥形面的锥度为8～15°，凹槽的锥形面的锥度也为8～15°。

所述的连接螺栓与阀芯之间设置有弹簧垫圈，阀芯的下端面上设置有容置弹簧垫圈和连接螺栓头部的沉孔。

所述的连接螺栓头部的下端面设有工具孔。

所述的阀芯的材质为YG8合金，阀杆和连接螺栓的材质为12Cr13。

所述的阀芯的形面轮廓方程为其中x为阀芯行程，0mm≤x≤30mm；D为节流阀通径，mm。

本发明具有以下优点：

本发明寿命长、控制精度高、拆装更换方便、流量系数随开度线性变化，针对流量系数对筒形阀芯的几何结构进行理论推导和数学建模，得出了一种流量系数随阀芯开度线性变化的新型筒形阀芯。阀芯工作部分由螺栓连接在阀杆上，可以在冲蚀破坏后进行快速更换，降低了阀门维修成本和劳动强度。本发明具有控制精度高、可控性好、耐冲蚀、使用寿命长等特点。

本发明的阀芯与阀杆采用锥度对中和螺栓连接，操作方便，连接稳固，可降低维修成本。阀芯形面轮廓设计使节流阀流量系数随开度呈线性变化关系，大幅度提高控压钻井控制系统的调节精度和稳定性。连接螺栓及阀杆上的通孔使阀芯两端的液体压力平衡，降低了执行机构操作阀芯时所需的转矩。可更换的阀芯采用YG8硬质合金制造，增强了耐冲蚀能力，使节流阀使用寿命大幅度提高。阀杆和连接螺栓采用12Cr13，保证了节流阀易损件长期使用的强度和稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明的阀芯的结构示意图

图3为本发明的连接螺栓的结构示意图

图4为本发明流量系数与开度关系图

图中，1-阀杆，2-阀芯，3-连接螺栓，4-弹簧垫圈，5-凸柱，6-轴向内孔，7-径向内孔，8-凹槽，9-连接孔，10-轴向通孔，11-工具孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，它包括阀芯2、阀杆1和连接螺栓3，阀杆1的下端面上设有一个凸柱5，如图1、图2所示，阀芯2的上端面上设有与凸柱5相配合的凹槽8，凸柱5的下端面上设有轴向内孔6，且轴向内孔6沿阀杆1轴向延伸至阀杆1内部，阀杆1的上部设置有沿径向延伸的径向内孔7，径向内孔7连通轴向内孔6与阀杆1外部，轴向内孔6的底部设置有内螺纹，凹槽8的底面上设置有连接孔9，阀芯2通过凹槽8套装于阀杆1底部的凸柱5上，连接螺栓3穿过连接孔9后通过螺纹与轴向内孔6连接，连接螺栓3将阀芯2压紧于阀杆1上，如图3所示，连接螺栓的中心设置有轴向通孔10，轴向通孔10连通轴向内孔6与阀芯2的端面外部的空间，在使用中，轴向通孔10、轴向内孔6、径向内孔7三者依次连通，从而连接阀杆1外部和内腔，将流体引入阀盖内腔，平衡阀芯2两端的压差，减少操作阀杆1所需的转矩。本实施例中，轴向内孔6底部设置有的内螺纹型号为M8×1，螺纹长度为10～15mm，连接螺栓3的材质为12Cr13，螺纹型号为M8×1，螺纹长度20mm。

所述的凸柱5为沿从上到下的方向直径逐渐减小的锥台型；所述的凹槽8为与凸柱5相配合的、直径沿从上到下的方向直径逐渐减小的锥台型槽。

所述的凸柱5的锥形面的锥度为8～15°，优选为10°，凹槽8的锥形面与凸柱5的锥形面相配合，因而锥度保持一致，凹槽8的锥形面的锥度也为8～15°，优选为10°。上述锥度阀芯2和阀杆1由于凸柱5和凹槽8的锥度保持良好的同轴度。

所述的连接螺栓3与阀芯2之间设置有弹簧垫圈4。阀芯2套装在阀杆1上后，需通过连接螺栓3和弹簧垫圈4将阀芯2压紧在阀杆1上，被螺栓压紧的弹簧垫圈4可提供预紧力，防止螺栓松动，保证阀芯2稳固地安装在阀杆1上，连接螺栓3和弹簧垫圈4保证阀芯2和阀杆1装配稳固。阀芯2的下端面上设置有容置弹簧垫圈4和连接螺栓3头部的沉孔。连接螺栓3头部的下端面设有工具孔11，可用内六角扳手方便地拆卸螺栓并更换阀芯2。

所述的阀芯2的材质为YG8合金，大幅度提高了钻井工况下的耐冲蚀能力和工作寿命，阀杆1的材质为12Cr13，降低了制造成本。

所述的阀芯2的形面轮廓方程为其中x为阀芯2行程，0mm≤x≤30mm；D为节流阀通径，mm。所述的形面轮廓为阀芯2于中心剖面形成的轮廓线，即被过轴心线的平面所截得的轮廓线。由于本发明的阀芯2存在形面轮廓方程，故阀芯2型面可根据轮廓方程进行数控加工或精密模具制造。本实施例中D=50mm，阀芯2轮廓线的轴向总长度为30mm，在此6mm～24mm行程中节流阀流量系数与开度呈线性变化，如图4所示。

本发明的阀芯2与阀杆1采用锥度对中和螺栓连接，操作方便，连接稳固，可降低维修成本。阀芯2形面轮廓设计使节流阀流量系数随开度呈线性变化关系，大幅度提高控压钻井控制系统的调节精度和稳定性。阀杆1上设有的轴向内孔6和径向内孔7以及连接螺栓3上的轴向通孔10将流体引入阀盖内腔，使阀芯2两端的液体压力平衡，降低了执行机构操作阀芯2时所需的转矩。可更换的阀芯2采用YG8硬质合金制造，增强了耐冲蚀能力，使节流阀使用寿命大幅度提高，阀杆1和连接螺栓3采用12Cr13，既保证了节流阀易损件长期使用的强度和稳定性，同时又降低了成本。

Claims (6)

1.一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，其特征在于：它包括阀芯(2)、阀杆(1)和连接螺栓(3)，阀杆(1)的下端面上设有一个凸柱(5)，阀芯(2)的上端面上设有与凸柱(5)相配合的凹槽(8)，凸柱(5)的下端面上设有轴向内孔(6)，且轴向内孔(6)沿阀杆(1)轴向延伸至阀杆(1)内部，阀杆(1)的上部设置有沿径向延伸的径向内孔(7)，径向内孔(7)连通轴向内孔(6)与阀杆(1)外部，轴向内孔(6)的底部设置有内螺纹，凹槽(8)的底面上设置有连接孔(9)，阀芯(2)通过凹槽(8)套装于阀杆(1)底部的凸柱(5)上，连接螺栓(3)穿过连接孔(9)后通过螺纹与轴向内孔(6)连接，连接螺栓(3)将阀芯(2)压紧于阀杆(1)上，连接螺栓的中心设置有轴向通孔(10)，轴向通孔(10)连通轴向内孔(6)与阀芯(2)的端面外部的空间；

所述的阀芯(2)的形面轮廓方程为其中x为阀芯(2)行程，0mm≤x≤30mm；D为节流阀通径，mm。

2.根据权利要求1所述的一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，其特征在于：所述的凸柱(5)为沿从上到下的方向直径逐渐减小的锥台型；所述的凹槽(8)为与凸柱(5)相配合的、直径沿从上到下的方向直径逐渐减小的锥台型槽。

3.根据权利要求2所述的一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，其特征在于：所述的凸柱(5)的锥形面的锥度为8～15°，凹槽(8)的锥形面的锥度也为8～15°。

4.根据权利要求1所述的一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，其特征在于：所述的连接螺栓(3)与阀芯(2)之间设置有弹簧垫圈(4)，阀芯(2)的下端面上设置有容置弹簧垫圈(4)和连接螺栓(3)头部的沉孔。

5.根据权利要求4所述的一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，其特征在于：所述的连接螺栓(3)头部的下端面设有工具孔(11)。

6.根据权利要求1所述的一种流量系数随开度线性变化的控压钻井节流阀筒形阀针，其特征在于：所述的阀芯(2)的材质为YG8合金，阀杆(1)和连接螺栓(3)的材质为12Cr13。