CN105587707A - 一种深海水下采油树scm双电低压换向阀设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法，具体设计方法包括根据实际使用环境确定设计方案、几何尺寸校核计算、阀体运行受力校核计算、主阀设计、参数校核及样品检测等六步。本发明设计方法合理，计算效率和精度高，且设计值与实际使用值更为接近，有效的提高了深海水下采油树电液控制阀组双电低压换向阀的设计工作的可靠性，从而有助于提高阀体在实际使用中的稳定性和可靠性。

Description

一种深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法

技术领域

本发明涉及一种双电低压换向阀设计方法，确切地说是一种深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法。

背景技术

目前在深海油气资源的开发过程中，深海水下采油树设备应用十分广泛，且在深海油气资源开发中有着至关重要的作用，但在实际使用中发现，当前的在深海采油树上所使用的双电低压换向阀往往是经过经验公式，将传统的淡水水下双电低压换向阀或浅海水下双电低压换向阀进行改造而设计制备的，虽然一定程度上可以满足深海环境作业的需要，但通过这种方式设计制备都得到的深海采油树用双电低压换向阀的运行技术参数与实际使用环境间存在较大的误差，从而导致双电低压换向阀在深海环境下运行稳定性严重不足，同时传统通过的经验在进行双电低压换向阀设计过程中，一方面计算精度严重不足，另一方面计算效率也相对低下，同时也无法对经过计算得到的设计结构进行有效的校核验证，从而也给设计工作造成极大的困扰，因此针对这一现状，迫切需要开发一种通用性强且简单易行的双电低压换向阀设计方法，以满足实际使用的需要。

发明内容

本发明的目的是提供本发明提供一种深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法，包括如下步骤：

第一步，根据实际使用环境确定设计方案，根据阀体的深海水下运行实际环境情况，及工作介质情况，初步确定阀体的有效工作环境适应范围、设阀体的各项运行技术指标及阀体的基本机械结构；

第二步，几何尺寸校核计算，根据第一步设定的阀体技术参数及基本机械结构，对阀体的几何尺寸进行校核计算，其中需对进出油口直径、主球阀阀座内孔和推杆直径、主阀阀口最小开度及主阀芯行程进行校核计算；

第三步，阀体运行受力校核计算，根据第一步设定的运行环境及技术参数，同时结合第二部计算得到的机械结构的具体尺寸，对阀体运行情况中各受力情况进行计算校核，其中需对摩擦阻力、运动阻力、液压卡紧力、稳态液力、阀芯作用力及回位弹簧弹力进行校核计算；

第四步，主阀设计，根据之前三步所得到的数据，进行锁紧活塞直径、回位弹簧的计算、控制活塞直径计算、回位活塞计算及回复弹簧的计算；

第五步，参数校核，根据第一步的设定参数范围，选定至少一组数据，并将选定数据带入到第二步和第三步计算得到的具体数据中，然后结合阀体实际运行情况进行校核复审计算；

第六步，样品检测，将根据计算参数生产制备出的若干成品中选择至少三个，然后根据第一步中的设定环境参数范围，选择其中至少5组环境参数阀体进行模拟环境运行，对阀体的实际运行情况进行严重，其中当合格率为90％以上时，则设计参数合格，若合格率为80％—90％，则再次选择新的成品进行模拟实验，若合格率低于80％时，则返回第二步进行重新设计计算。

进一步的，所述的第二步中需要根据计算得到的数值范围选择至少两组数据进行校核计算。

进一步的，所述的第六步，选择的成品数量不低于成品总数量的30％，且成品中数量不低于20个，选却的环境参数组数量至少为选择成品数量的1倍。

本发明设计方法合理，计算效率和精度高，且设计值与实际使用值更为接近，有效的提高了深海水下采油树电液控制阀组双电低压换向阀的设计工作的可靠性，从而有助于提高阀体在实际使用中的稳定性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示的一种深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法，深海采油树电液控制阀组双电低压换向阀设计方法包括如下步骤：

第一步，根据实际使用环境确定设计方案，根据阀体的深海水下运行实际环境情况，及工作介质情况，初步确定阀体的有效工作环境适应范围、设阀体的各项运行技术指标及阀体的基本机械结构：

工作环境：

阀体在海洋3000米水深的密封容器中

温度要求：

1)存放温度范围：-18℃—+50℃；

2)工作温度范围：-5℃—+40℃。

3)工作介质：水基液，如HW443。

控制原理：油路正常时，阀在供油压力P＝56.9Mpa下，PP＝15.5--37.9Mp范围内电磁阀能够通过控制阀的打开、锁紧和关闭，并为执行器提供工作压力为10.3-56.9Mpa液压油。

注：其中常使用的状态是：P＝56.9Mpa，PP＝34.5Mpa为执行器提供工作压力为10.3-56.9Mpa液压油。

进油路失压时，即P≤6.9Mpa时，阀自动关闭，同时执行器复位。

1)电路出现故障时，通过平台泄进口压力，进行关闭执行器，复位双电低压阀。当进油口压力P≤6.9Mpa时，阀自动复位，同时执行器关闭。

2)阀在供油压力P＝56.9Mpa，控制油路PP＝6.9Mpa时，电磁阀不能打开和关闭阀，执行器的状态与控制油路无关，只与供油口压力有关。执行器保持在某一个位置。

3)阀内弹簧在3.45Mpa-6.9Mpa内开始复位，复位压力通过水上HPU控制。(弹簧的初压力为3.45Mpa时的力，压缩后为6.9Mpa时的力)

试验压时：P＝85.3Mpa，PP＝56.9MpaT＝31Mpa下能够打开、自锁和复位阀。

工作原理：

此阀为先导式二位三通电磁换向阀，并且具有复位和自锁功能，先导油为单独供油，还带有测压口；

第二步，几何尺寸校核计算，根据第一步设定的阀体技术参数及基本机械结构，对阀体的几何尺寸进行校核计算，其中需对进出油口直径、主球阀阀座内孔和推杆直径、主阀阀口最小开度及主阀芯行程进行校核计算：

出油口直径计算公式：

其中：d—油口直径

Q--额定流量(l/min)；

v—进出油口直径d出油液流速，压力越大速度越高，此处选用10m/s所以：

$d\≥\sqrt{\frac{4Q}{\mathrm{\π}4}}==\sqrt{\frac{4\×16.8\×{10}^{-8}}{\mathrm{\π}\×10\×60}}==5.97mm$

$d\≥\sqrt{\frac{4Q}{\mathrm{\π}4}}$

圆整取d＝6mm；

主球阀阀座内孔直径及推杆直径和钢球直径计算公式:

d1≥1/2D1

通过阀口与推杆间环形通道的流量公式为

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{4}\[D_1^2-d_1^2\]V$

上式流量Q以额定流量带入，环形通道中的油液流速V，则

$Q\≤\frac{\mathrm{\π}}{4}\[D_1^2-{\left(\frac{D_1}{2}\right)}^2\]V$

$D_1\≥\sqrt{\frac{16Q}{3\mathrm{\π}V}}=6.89mm$

圆整后取D1＝7mm,d1＝3.5mm，

钢球直径10mm；

其中：d1—推杆直径

D1—推杆直径主球阀阀座内孔直径

v—环形通道中的油液流速

主阀阀口最小开度计算公式：

根据通过阀口的流量计算公式为：

$Q=C_{d}A\sqrt{2\mathrm{\Δ}p/\mathrm{\ρ}}$

式中：

Q——通过阀口液体流量(m3/s)；

A——阀口过流面积(m2)；

Δp——阀口两端压差(Pa)；

Ρ——流体密度(kg/m3)；

Cd——为阀口流量系数；

阀口过流面积A计算公式为：

$A={\mathrm{\πDhX}}_1\left(1+X_1/2h\right)/\sqrt{{\left(D/2\right)}^2+{\left(h+X_1\right)}^2}$

其中， $h=\sqrt{R^2-{\frac{D}{4}}^2};$

当 $X_1<\frac{d}{2}{X}_1<R$ 时， $\sqrt{{(D/2)}^2+{(h+X_1)}^2}\&ap;R,\frac{X_1}{2h}\&ap;0$

上式可变为

$A=\mathrm{\&pi;}D\sqrt{R^2-\frac{D^2}{4}}{X}_1/R;$

所以阀的开口最小开度公式可化解为：

$X_1=\frac{QR}{C_{d}D\sqrt{\frac{2\mathrm{\&Delta;}(R^2-\frac{D^2}{4})}{\mathrm{\&rho;}}}}{\mathrm{\&pi;d}}_t{b}_t;$

取ΔP＝1MPa，C_d＝1，所以

X1＝0.38mm；

主阀芯行程计算公式：

由阀芯的行程S必须大于X1得：S>X1，取

S＝2mm；

其中：S—阀芯的行程；

X1—主阀阀口最小开度；

第三步，阀体运行受力校核计算，根据第一步设定的运行环境及技术参数，同时结合第二部计算得到的机械结构的具体尺寸，对阀体运行情况中各受力情况进行计算校核，其中需对摩擦阻力、运动阻力、液压卡紧力、稳态液力、阀芯作用力及回位弹簧弹力进行校核计算：

摩擦阻力计算公式：

由于b_t＝0.55d；

d0为O形密封圈的端面直径。假定在Pb的作用下，O形圈与控制活塞只发生接触移动，而接触宽度不变。

O形圈对控制活塞的卡紧力为

$N=\frac{P_b}{2}{\mathrm{\&pi;d}}_t{b}_t;$

则

F_m＝fN＝0.275πfP_bd_bd₀

其中：F_m——摩擦阻力；

f——摩擦系数，可取f＝0.1；

dt——活塞杆直径；

d0——O形圈端面直径；

Pb——允许背压；

所以

F_m＝0.0864P_bd_bd₀

设主阀芯上有5个O形密封圈，为了安全，计算时按照每个O形密封圈的最大摩擦力即最大背压时计算，所以各自的摩擦力为：

自锁控制活塞

控制活塞最大背压为P_b1＝569bar，O形圈截面直径d₀₁＝1.8mm，活塞直径d_t1

F_m1＝0.0864P_b1d_b1d₀₁＝4916d_t1

开启控制活塞

控制活塞最大背压为Pb2＝569bar，O形圈截面直径d02＝1.8mm，活塞直径dt2

F_m2＝0.0864P_b2d_b2d₀₂＝4916d_t2

关闭控制活塞推杆

推杆最大背压为P_b3＝569bar，O形圈截面直径d₀₃＝1.8mm，活塞直径d_t3

F_m3＝0.0864P_b3d_t3d₀₃＝4916d_t3

取d_t3＝6mm

F_m3＝4916×0.006＝29.5N

关闭控制活塞

控制活塞最大背压为P_b4＝379bar，O形圈截面直径d₀₂＝1mm，活塞直径d_t4

F_m4＝0.0864P_b4d_t4d₀₄＝3275d_t4；

运动阻力计算公式：

$F_V=\frac{\mathrm{\&pi;}DLV\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&Delta;}r}$

其中：F_v——运动阻力；

D——控制活塞直径；

L——控制活塞与阀体孔的接触长度；

V——阀芯运动速度，可用阀芯动作时间为0.01s时的平均速度代替；所以阀芯 $V=\frac{s}{\&lsqb;tdh\&rsqb;}=\frac{0.002}{0.01}0.2m/s;$

μ——油液动力粘度，HW443的运动粘度为1.9mm2/s；

Δr——阀芯与阀体孔的单边配合间隙，这里取0.05mm。

所以

$F_{V1}=\frac{x_{t1}LV\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&Delta;}r}=\mathrm{0.14.}{d}_{t1}$

由式可知，由于液压油粘度低，并且阀的配合间隙相对大，所以运动阻力非常小，所以在计算式将其忽略。

液压卡紧力计算时，液压卡紧力的产生是因为流体在液压阀阀芯与阀体之间的配合间隙中的流动时，由于阀芯和阀体孔有锥度和偏心量，使圆周方向的不同间隙处存在压力分布变化，而对阀芯产生了一个径向不平衡力，同时由于本设计的阀芯与阀体间采用O形密封圈密封，泄漏量几乎为零，本设计忽略液压卡紧力；

稳态液力计算公式：

F_W＝C_dπDδΔpsinα₁

同时，由于阀芯的结构，在阀芯换向时两口都处于开启状态，一边的液流成下流形式，一边的液流成上流形式，但是阀芯受到的稳态液动力都朝一个方向，都与液流方向相反，所以在计算式需计算两个球阀的稳态液动力。并且阀芯不管是处于左位还是右位，情况都是相同的，在计算时，只用计算阀芯在一边的稳态液动力，阀芯的稳态液动力计算需计算两种情况下的稳态液动力，一种是小开口，即δ＝1/3δmax，一种是阀芯全开时；

由此得到，稳态液动力总和为：

∑F_W＝F_W1+F_W2＝C_dπDδΔpsinα₁+C_dπD(S-δ)Δpsinα₂

式中：

Cd——为阀口流量系数，取Cd＝1；

D——阀口直径；

δ——阀的开口量；

Δp——阀口两端压差(Pa)，小开口时取1MPa，大开口时取0.1MPa；

α——液流角，大开口时取α＝69°，小开口时取α＝21°；

由于阀芯的结构，在阀芯换向时两口都处于开启状态，一边的液流成下流形式，一边的液流成上流形式，但是阀芯受到的稳态液动力都朝一个方向，都与液流方向相反，所以在计算式需计算两个球阀的稳态液动力。并且阀芯不管是处于左位还是右位，情况都是相同的，在计算时，只用计算阀芯在一边的稳态液动力。

阀芯的稳态液动力计算需计算两种情况下的稳态液动力，一种是小开口，即δ＝1/3δmax，一种是阀芯全开时。

当阀芯处于小开口时，δ＝0.127mm，此时的稳态液动力总和为：

∑F_W＝F_W1+F_W2＝C_dπDδΔpsinα₁+C_dπD(S-δ)Δpsinα₂

∑F_W＝4.8N

当阀处于全开时，δ＝S＝2mm，此时的稳态液动力总和为

∑F_W＝C_dπDδΔpsinα₁＝4.1N

阀芯作用力计算公式：

弹簧的最大工作负荷可按下式进行计算

F_t2＞∑F_w+F_p1＝8N

∑F_w——阀芯上的稳态稳态液动力；

F_p1——阀芯上的液压力

取Ft2＝15N

所以弹簧的刚度：

$K_1=\frac{F_{t2}-F_{t1}}{S}=2.5N/mm$

式中：

∑F_m——摩擦阻力总和；

F_p——阀芯产生的压力；

F_t1——弹簧最小工作负荷。

∑F_w——阀芯圈打开时的稳态液动力；

F_t2——小弹簧最大工作负荷；

K1——弹簧的刚度；

由此得：

开启控制活塞

开启控制活塞欲打开阀芯，需满足以下条件

F_开1＞∑F_m+F_p+F_t1

F_开1——开启状态阀芯作用力；

F_开2——闭合状态阀芯作用力；

∑F_m——摩擦阻力总和；

F_p——阀芯产生的压力；

F_t1——小弹簧最小工作负荷；

当阀芯到位后，需满足以下条件:

F_开2＞∑F_W+F_t2+F_自；

为了阀能稳定可靠的动作，取FP最大时，即系统压力最大时计算；

自锁控制活塞

自锁控制活塞是在阀芯打开后，将阀芯顶住，迫使阀芯一直处于开启状态。所以自锁活塞需满足以下条件

F_自＞∑F_W+F_P+F_t2

关闭控制活塞

当阀关闭时，关闭活塞推开主阀芯，此时需克服自锁活塞的力和摩擦力还有稳态液动力。阀关闭时P、R、C相通，阀处于卸荷状态，自锁活塞内的液体失去压力，关闭控制活塞只需很小的力即可关闭，所以只用计算关闭控制活塞在阀开始关闭时的力。

关闭控制活塞需满足以下条件

F_关＞∑F_m+∑F_W+F_自-K(X_t+S)-F_p

回位弹簧弹力计算公式：

K₁(X_T+S)＝∑F_W1+∑F_m1+F_P1

式中：

∑F_w1——阀芯在569bar全开口时的稳态液动力；

∑F_m1——阀芯在569bar时摩擦阻力之和；

F_p1——球阀芯在569bar时受到的液体压力；

当阀芯到位后，需满足以下条件，由于阀芯动作速度很快，一般＜0.01s，所以为了阀芯的可靠，假设控制活塞内液体还没有来得及流出，所以此处需计算控制活塞产生的作用力；

KX_t＞F_自1

当阀芯到小开口位置时，需满足以下条件，同样需计算控制活塞产生的作用力。

K(X_t+S-1/3δ_max)＞∑F_自1+∑F_m1

∑F_w1——阀芯在69bar小开口时的稳态液动力。

第四步，主阀设计，根据之前三步所得到的数据，进行锁紧活塞直径、回位弹簧的计算、控制活塞直径计算、回位活塞计算及回复弹簧的计算；

第五步，参数校核，根据第一步的设定参数范围，选定至少三组数据，并将选定数据带入到第二步和第三步计算得到的具体数据中，然后结合阀体实际运行情况进行校核复审计算；

第六步，样品检测，将根据计算参数生产制备出的50成品中选择25个，然后根据第一步中的设定环境参数范围，选择其中至少50组环境参数阀体进行模拟环境运行，对阀体的实际运行情况进行严重，其中当合格率为90％以上时，则设计参数合格，若合格率为80％—90％，则再次选择新的成品进行模拟实验，若合格率低于80％时，则返回第二步进行重新设计计算。

本发明设计方法合理，计算效率和精度高，且设计值与实际使用值更为接近，有效的提高了深海水下采油树电液控制阀组双电低压换向阀的设计工作的可靠性，从而有助于提高阀体在实际使用中的稳定性和可靠性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法，其特征在于：所述的深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法包括如下步骤：

第一步，根据实际使用环境确定设计方案，根据阀体的深海水下运行实际环境情况，及工作介质情况，初步确定阀体的有效工作环境适应范围、设阀体的各项运行技术指标及阀体的基本机械结构；

第二步，几何尺寸校核计算，根据第一步设定的阀体技术参数及基本机械结构，对阀体的几何尺寸进行校核计算，其中需对进出油口直径、主球阀阀座内孔和推杆直径、主阀阀口最小开度及主阀芯行程进行校核计算；

第三步，阀体运行受力校核计算，根据第一步设定的运行环境及技术参数，同时结合第二部计算得到的机械结构的具体尺寸，对阀体运行情况中各受力情况进行计算校核，其中需对摩擦阻力、运动阻力、液压卡紧力、稳态液力、阀芯作用力及回位弹簧弹力进行校核计算；

第四步，主阀设计，根据之前三步所得到的数据，进行锁紧活塞直径、回位弹簧的计算、控制活塞直径计算、回位活塞计算及回复弹簧的计算；

第五步，参数校核，根据第一步的设定参数范围，选定至少一组数据，并将选定数据带入到第二步和第三步计算得到的具体数据中，然后结合阀体实际运行情况进行校核复审计算；

第六步，样品检测，将根据计算参数生产制备出的若干成品中选择至少三个，然后根据第一步中的设定环境参数范围，选择其中至少5组环境参数阀体进行模拟环境运行，对阀体的实际运行情况进行严重，其中当合格率为90%以上时，则设计参数合格，若合格率为80%—90%，则再次选择新的成品进行模拟实验，若合格率低于80%时，则返回第二步进行重新设计计算。

2.根据权利要求1所述的一种深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法，其特征在于：所述的第二步中需要根据计算得到的数值范围选择至少两组数据进行校核计算。

3.根据权利要求1所述的一种深海水下采油树SCM双电低压换向阀设计方法，其特征在于：所述的第六步，选择的成品数量不低于成品总数量的30%，且成品中数量不低于20个，选却的环境参数组数量至少为选择成品数量的1倍。