CN111047106A - 井口阀门寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井口阀门寿命预测方法，按如下步骤进行，第一步分析阀门的破坏机理；第二步分析阀门的受损规律，建立冲刷磨损模型；第三步，外部监测阀门阀体的受损情况，并根据监测结果构建阀门内部结构缺陷预测模型；第四步根据缺陷预测模型预测阀门生命周期。建立系统科学的寿命预测方法，有利于实现阀门实时动态的分析预测，并根据阀门情况作出合理运维制度的调整，或根据预测结果进行维修更换准备，避免发生安装事故，缩短停产时间，降低经济损失等。

Description

井口阀门寿命预测方法

技术领域

本发明涉及石油设备寿命评估技术领域，具体涉及一种井口阀门寿命预测方法。

背景技术

石油或天然气的井口均会安装相应的采输树，采输树及其连接管线上则会用到较多的控制阀门(多为节流阀)，主要利用阀门的开度实现生产工况的调节，且通常利用阀门节流原理为油气的运输提供压差，确保正常输送，因而阀门内部受到各种因素影响，如流体压差导致的固体粒子冲击、天然气水合物沉积、硫化氢气体腐蚀等，特别是针对一些超高压、高含硫的气井而言，阀门受到冲蚀、冲刷和腐蚀作用极大，阀门极易损坏，而阀门一旦损坏则可能导致较大的安全事故或生产事故，且必须经过关井、燃气置换、拆卸、更换、试压等一系列复杂作业后才能恢复生产，极大地影响了油气田的平稳、高效生产，进而产生较大的经济损失。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种井口阀门寿命预测方法，可有效预测阀门使用寿命，便于及时合理调整生产参数，延长使用寿命，或根据预测结果及时更换维修阀门，避免发生安全事故，缩短停产时间等。

其技术方案如下：

一种井口阀门寿命预测方法，其关键在于，按如下步骤进行：

S1：分析阀门的破坏机理；

S2：分析阀门的受损规律，建立冲刷磨损模型；

S3：外部监测阀门阀体的受损情况，并根据监测结果构建阀门内部结构缺陷预测模型；

S4：根据缺陷预测模型预测阀门生命周期。

采用以上方案，阀门的物理结构，结合其使用环境的破损机理，精准构建磨损模型，再通过外部点面检测，根据阀体受损情况，在磨损模型基础之上，掌握阀体内其余部位的磨损扩展规律，再根据阀门完整的强度安全系数，达到精准预测阀门的生命周期的目的，为运维制度制定提供科学依据，或根据情况及时准备维修和更换工作，避免安全事故，有效减少经济损失。

作为优选：所述步骤S1中，首先采集产液/产气，分析固液气三项含量，其次采集生产参数，结合阀门几何结构进行流场仿真，最后收集阀门故障因素并做好记录。采用以上方案，根据阀门实际应用环境，可精准仿真阀门内部流场，再通过收集故障因素，对比流场分析，确定破损主要因素和次要因素，有利于后期精准预测破损规律。

作为优选：所述步骤S2中，根据采集数据和流场仿真，确定阀门内部各部位受冲击的应力分布，构建冲刷磨损模型。采用以上方案，以应力分布结合材料强度，可以更直观的了解阀门的薄弱点。

作为优选：所述步骤S3中，根据阀门内部各部位的应力分布，结合外部监测阀体的受损情况，以应力为基准构建阀门内部结构缺陷预测模型。采用以上方案，通过外部检测，可比较直观的得到阀体受损情况，然后通过应力分布及受损主要因素，从而可推断阀门内部其余各部位的损伤情况，构建较为精确的缺陷预测模型，精准把握各部位情况。

作为优选：所述步骤S3中采用超声相控阵监测方法对阀门阀体进行检测，所述超声相控阵监测方法中的扫描顺序为面扫查、线性扫查和定点扫查。采用以上方案，有利于提高异形件阀门检测的精度和效率，保证寿命预测结果的可靠性。

作为优选：所述阀门内流场控制模型为：

其中Γ为控制体积Ω的边界面，

p为压强，E为总能量，ρ为流体密度，k＝1.4；

所述冲刷磨损模型为：

其中：

其中:δ为壁面冲蚀磨损率，kg(m²·s)；γ₁为颗粒路径与靶材表面相对角度，°；V_p为颗粒速度，m/s；R_T为切向恢复比；γ₀为最大磨损角，°；V₁、V₂、V₃、k₁、k₁₂为经验常数。

采用以上方案，以清楚的流场控制模型结合冲刷模型，可以更快速的利用软件进行计算，得到阀体内的磨损缺陷，提高寿命预测效率和准确性。

作为优选：所述步骤S2中考虑阀门阀芯安装方位角的影响因子。不同的阀芯安装方位，过流孔朝向不同，导致流场发生改变，故在考虑阀门阀芯的安装方位角之后，有利于提高流场仿真的真实性。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的井口阀门寿命预测方法，建立系统科学的寿命预测方法，有利于实现阀门实时动态的分析预测，并根据阀门情况做出合理运维制度的调整，或根据预测结果进行维修更换准备，避免发生安装事故，缩短停产时间，降低经济损失等。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为阀门结构示意图；

图3为图2所示阀门的内部结构示意图；

图4为利用本方法对某气井井口节流阀的寿命预测表。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

为便于理解，本文先以笼套式节流阀为例对其结构做进一步描述，参考图2和图3，其主要包括阀体8，以及安装在阀体8内的阀芯7，阀芯7上活动套装有阀套6，阀体8的后端具有与其相匹配的后端盖2，阀杆1从后端盖2伸入阀体8内并与阀套6固定连接，后端盖2与阀杆1之间设有盘根盒3，同时盘根盒3与阀杆1接触部位具有阀杆密封结构4，盘根盒3与阀体8之间具有密封圈5，其工作时，利用阀杆1转动调节阀套6在阀芯7上的位置，即可改变阀芯7流体的过流面积来控制流量和阀两端的压降。

其工作过程中因为受到固体颗粒或流体的高速冲击以及腐蚀冲刷等，极易造成阀套6脆裂、阀芯脱落或异物堵塞等故障，一旦发生故障，则可能发生安全事故或生产事故，造成较大的经济损失，故只提前准确预测阀门寿命，做好准备，才能有效延长阀门使用寿命或做好准备，降低经济损失等。

因此，如图1所示，本申请提出了一种井口阀门寿命预测方法，第一步分析阀门的破坏机理，即弄清阀门损坏的主要因素和次要因素，后续再根据损坏因为进行针对性的模型建立，一般而言，阀门损坏主要是由高速流体的的冲刷造成的。第二步分析阀门的受损规律，并建立冲刷磨损模型，此步中首先采集产液/产气，分析固液气三项含量，其次采集生产参数，结合阀门几何结构进行流场仿真，最后收集阀门故障因素并做好记录，同时根据采集数据和流场仿真，确定阀门内部各部位受冲击的应力分布，构建冲刷磨损模型。

第三步，通过外部检测手段，检测阀体8的受损情况，并根据检测结果，配合冲刷磨损模型，建立缺陷预测模型，其大体思路为，根据前期的磨损模型，即磨损率，结合冲击应力分布，进行缺陷预测模型的推断建立，同等材质下，部位受同等应力冲击时，可近似认为二者所产生的冲刷磨损相等，相应的，若冲击应力较小时，其所产生的冲刷磨损也相对较少。

第四步，根据缺陷预测模型预测阀门生命周期，根据缺陷预测模型，可推断阀门各部位当前的损耗情况，以及在当前生产参数下，其将会发生的磨损，结合阀门材质自身强度安全系数，当低于某一安全系数时，则判定阀门的寿命到期，从而达到准确预测阀门寿命的目的。

需要注意的是，本申请中为提高预测可靠性，在第三步进行阀体8的监测时，采用超声相控阵监测方法对阀体8进行监测，并且以依次进行面扫查、线扫查和定点扫查的方式进行，以满足异形阀体内腔监测的需求。

参考图1至图4，以天然气井口笼套式节流阀为例，其具体寿命预测如下：

第一步，分析阀门的破坏机理：高压流体从节流阀入口进入笼套与阀芯7之间的环形空间，并改变流体的流动方向，通过阀套6的节流孔眼后膨胀进入阀套6中心，流体相互撞击、挤压完成节流压降过程。

从节流阀的内部结构可知，阀套6的固定方式为卡套式固定而非采用螺纹连接，同时阀套6与阀芯7之间的进气缓冲空间较小，因此当节流阀受到较大的瞬时冲击力时，无法有效分散酸气对节流阀件的冲击，极易造成节流阀阀件损毁。

其次，节流阀与流体接触的外套筒(阀体8内壁)、阀芯7和阀套6通常均选用5CB碳化钨材质，5CB是指碳化钨合金内含有5％的复合黏结剂(主要为钴、镍、铬等添加物)，碳化钨具有极高的硬度，能抗磨损、抗腐蚀，因此常被用于制作硬质合金。然而碳化钨为六方晶系结构，滑移系少，即塑性变形困难，当碳化钨受到较强的拉伸应力或扭力的时候容易发生局部脆断现象。

采集井口产出物，可知道气体含有较少量的固体颗粒，固体颗粒随气流高速移动时也会对阀门内接触部位造成磨损，由收集到的发明故障可知，主要是由气体或固体冲蚀造成的穿刺孔，节流阀小孔扩展或阀套脆断等，因此可认定影响阀门寿命的主要因素在于流体的冲蚀或腐蚀。

在此基础之上，根据三维可压缩无黏流动，求解欧拉方程：

连续方程：

动量守恒方程:

能量方程:

可压缩无黏流动是指忽略了耗散率、粘性输运、质量扩散以及热传导的流动，在计算三维定常无黏流动时，忽略重力与其它彻体力，无质量添加与多组分，故上述方程中存在：S_m＝0，

再结合压力p和密度ρ的状态方程，p＝F(ρ,T)才能使控制方程组式上述方程封闭求解，最终得到阀门内部仿真流场模型如下：

其中Γ为控制体积Ω的边界面，

p为压强，E为总能量，ρ为流体密度，对于完全气体，k＝1.4，当然k是由产出物决定的常数。

第二步，根据第一步中的分析及仿真流场，建立冲刷磨损模型。

考虑到流过节流阀介质为天然气，并且夹杂着岩屑、砂石等固体颗粒，所以，故在进行流体冲蚀磨损分析时应综合考虑为气、固两相流模型，又根据雷诺数对流体流态进行判断，流经阀门的流体为湍流状态，再利用欧拉—拉格朗日法进行离散相粒子运动轨迹计算，并基于粒子轨迹模型信息(包括粒子位置、碰撞速度、角度等)，计算得到离散相粒子碰撞而引起的冲蚀磨损，根据流场仿真及粒子运动轨迹，主要根据流体运动速度，得到阀门的应力分布，各部位所受到的冲击力。

本申请中冲刷磨损模型主要以冲蚀磨损率δ来表示，冲蚀磨损率就是单位时间、单位面积内，颗粒对表面冲蚀的材料量：

其中：

其中:δ为壁面冲蚀磨损率，kg(m²·s)；γ₁为颗粒路径与靶材表面相对角度，°；V_p为颗粒速度，m/s；R_T为切向恢复比；γ₀为最大磨损角，°；V₁、V₂、V₃、k₁、k₁₂为经验常数。

再根据材料设置及相应边界条件，通过冲蚀磨损率公式和颗粒轨迹模型(流场仿真模型)信息即可计算由于离散相粒子碰撞引起的冲蚀磨损量。

当然此步中模拟粒子运动轨迹时，还应充分考虑阀芯7的安装方位角，粒子随气流经入射口垂直、均匀射入后，平行进入阀体环腔，经结构复杂且急剧缩小的阀芯小孔时，大部分高速粒子垂直打在正面0°小孔上面，由此进入下游；另一部分高速粒子由于惯性，无法急剧改变速度方向，沿着环腔弧面途径90°、270°位置，运动到笼套背面180°小孔位置，大量粒子被高速气流拖动并聚集于此，经高速撞击、反弹、冲蚀，久而久之，会造成内腔出现划痕或者麻点，最终从背面小孔进入下游。只有极少部分粒子从90°、270°处小孔进入下游。然后，当高速粒子进入阀芯7内表面后，由于每个方位粒子能量和数量的近似对称性，从四周射出的粒子能量相互抵消、干扰，使得下游粒子轨迹混乱，出现不同程度的湍流波动，并对阀芯内壁造成冲蚀。

故阀芯小孔冲蚀磨损以局部冲蚀磨损为主，垂直进口面入射的高速粒子正面撞击、冲蚀阀芯表面，使得阀套6在气流入口正面(0°±30°)区域，粒子冲蚀磨损速率达到1.37x 10^-6kg/(m².s)。在90°与270°附近区域范围，由于阀芯7表面相对于粒子运动轨迹，属于圆弧过渡地带，粒子速度方向基本与圆弧面平行，这样大部分高速运动粒子在自身惯性作用力下运动到阀芯7背面180°附近区域，故这两片区域阀芯冲蚀磨损速率最低。当大量粒子聚集在阀芯7背面180°附近区域时，经高速气流拖动与阀套6和内腔壁面撞击、反弹，易造成阀芯背面小孔及其附近区域(180°±30°)冲蚀磨损严重，最大速率为9.5x10^-7kg/(m².s)，一部分粒子一次性打入小孔，进入下游，剩余部分粒子可能会经二次、三次甚至更多次撞击，直到进入小孔下游。

通过上述分析，再对不同安装角度下各方位小孔最大冲蚀磨损速率进行拟合，即可得到不同方位安装角的磨损影响，在进行计算过程则需引入附加值。

第三步，通过超声相控阵监测方法对阀体8进行受损情况检测，主要采用面扫查、线性扫查和定点扫查的检测方式。检测过程中为了覆盖整个阀门被检测面的面积，将检测面沿壁厚方向分成高度大致相等的若干区域，每一个区域约2-3mm，它的具体尺寸取决于阀门检测面坡口的几何尺寸、位置、壁厚和检测的要求。

每一个发射器(一组晶片或一个探头)产生特定角度的波束(聚焦或非聚焦)，并定位到阀门检测面的一个小区域上。入射角度以可获得缺陷的最大反射波为准来选取，在被冲蚀处波束的点尺寸一般为2-3mm或更小，由于波束足够小，它们就可以有效地检测各自的区域，而且使校准试块邻近区域反射体上的重叠最小化。一般地，邻近通道的分贝差在-6～-14dB之间(即当主反射体的反射波在80％FSH时，邻近反射体的反射波位于5％-40％FSH)。

在探头移动的过程中，检测系统可以同时使用聚焦和非聚焦的声束对阀门被检测面进行扫描。扫描的方式包括A扫描、B扫描和TOFD(衍射波时差法)，A扫描是检测中的主要判断依据。它选用聚焦的横波检测，在显示图象中表示为双门带状图。它主要依据检测被冲蚀面的缺陷的需要来选择角度。通常可以采用自发自收和一发一收2种方式。设定有时间和波幅门，通过它可以了解信号在阀门检测面壁厚方向的位置，信号相对于坡口面的位置，还能判断出缺陷的性质。

B扫描是检测中的辅助判断依据，在检测体积型缺陷时尤为重要。本实施例中选用非聚焦的横波检测，并将其分成检测根部的“根部B扫通道”和检测阀门检测面其他部分的“体积型通道”。“根部B扫通道”采用与检测根部的带状图通道同样的角度，“体积型通道”通常采用45°和50°检测。通过它们可帮助操作者确认缺陷的性质，检测出有些在带状图通道上反映不明显的体积型缺陷，弥补TOFD通道的检测盲区。

TOFD是检测中的一个主要辅助判断依据，可以有效地发现表面开口型缺陷和在阀门检测面中间的缺陷。它选用非聚焦的纵波检测。通常选择大入射角(70°左右)一发一收的方式检测。通过它可以帮助操作者分辨伪缺陷波，发现一些在带状图通道上不明显的层间未熔合和表面开口型缺陷，帮助操作者比较精确地测量缺陷的深度和自身高度。

感应片在检测过程中是直接贴在阀门的外表面进行扫描的，在扫描过程中沿着中心线区域进行移动扫描，从而达到超声相控的数据采集。

超声波在不同材料中传递的速度v(m/s)不同，在检测过程中，当遇到阀门内部装配接触面时，超声波会有反馈一个数据，因此通过不同的反射回来的数据的时间差△t与材料传播速度v(m/s)的关系即可得到实际的破坏面的形状，其计算公式为：△d＝v*△t，其中△d为磨损厚度。

接着根据阀体8的磨损检测结果，结合其内部的冲刷应力分布，以及冲刷磨损模型构建缺陷预测模型，缺陷预测模型是以时间和磨损量与产量相关模型，因为不同的产量所对应的流量产生冲击力不同，流速不同导致的冲击力不同和冲击位置不同，阀门内的应力分布也相应不同，随着时间的累计，磨损量也会相应发生改变。

第四步，根据缺陷预测模型预测阀门生命周期。通过磨损量与部件厚度比例，以及部件厚度与疲劳损坏的关系，建立安全系数、使用寿命和产量关系表，如图4所示，通过关系表可直观获取阀门在相应生产模式下的使用寿命，当安全系数靠近安全临界线时，此时阀门的运行风险较大，而当安全系数靠近事故易发线(安全系数小于等于1)时，此时阀门很容易发生事故，故通常界定当阀门靠近安全临界线时，其达到寿命终点，只有通过改变生产运维制度来有效延长其使用寿命，或早做准备进行维修或更换。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种井口阀门寿命预测方法，其特征在于，按如下步骤进行：

S1：分析阀门的破坏机理；

S2：分析阀门的受损规律，建立冲刷磨损模型；

S3：外部监测阀门阀体的受损情况，并根据监测结果构建阀门内部结构缺陷预测模型；

S4：根据缺陷预测模型预测阀门生命周期。

2.根据权利要求1所述的井口阀门寿命预测方法，其特征在于：所述步骤S1中，首先采集产液/产气，分析固液气三项含量，其次采集生产参数，结合阀门几何结构进行流场仿真，最后收集阀门故障因素并做好记录。

3.根据权利要求2所述的井口阀门寿命预测方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据采集数据和流场仿真，确定阀门内部各部位受冲击的应力分布，构建冲刷磨损模型。

4.根据权利要求3所述的井口阀门寿命预测方法，其特征在于：所述步骤S3中，根据阀门内部各部位的应力分布，结合外部监测阀体的受损情况，以应力为基准构建阀门内部结构缺陷预测模型。

5.根据权利要求1或4所述的井口阀门寿命预测方法，其特征在于：所述步骤S3中采用超声相控阵监测方法对阀门阀体进行检测，所述超声相控阵监测方法中的扫描顺序为面扫查、线性扫查和定点扫查。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的井口阀门寿命预测方法，其特征在于：所述阀门内流场控制模型为：

其中Γ为控制体积Ω的边界面，

p为压强，E为总能量，ρ为流体密度，k＝1.4；

所述冲刷磨损模型为：

其中：

其中:δ为壁面冲蚀磨损率，kg/(m²·s)；V_p为颗粒速度，m/s；γ₁为颗粒路径与靶材表面相对角度，0；R_T为切向恢复比；γ₀为最大磨损角，0；V₁、V₂、V₃、k₁、k₁₂为经验常数。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的井口阀门寿命预测方法，其特征在于：所述步骤S2中考虑阀门阀芯安装方位角的影响因子。

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