CN112012693A - 一种节流阀 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种节流阀，包括阀体、球头、阀套座和油嘴。其中，阀套座布置在阀体的内腔中，油嘴位于阀套座内并且与阀体的内腔连通，球头位于阀体的顶部。油嘴上靠近阀体的内腔的入口段的内表面构造为圆弧面。本发明提供的节流阀，能够有效提在气固两相流工作环境中的抗冲蚀磨损能力。
Description
技术领域
本发明属于采油工程技术领域，具体涉及一种节流阀。
背景技术
在石油工程领域的试井作业中，固定节流阀是一种常用的控制气井产量的节流装置，其采用固定的变径比控制生产压差，调节油气产量。然而在实际应用过程中，对于一些高压气井，气体携带重晶石粉等固相颗粒的高速气固两相流在通过固定节流阀时会对节流阀产生冲蚀磨损作用，容易造成油嘴的结构破坏，如璧面刺穿、管径增大等。这种现象给生产安全带来了一定隐患，同时，油嘴的频繁更换给生产效益带来了严重影响。在常规的固定节流阀中，流体入口与流体出口呈90°，在管径缩小处形成一个90°的拐角，高流速的气固两相流在流经管径缩小处时流动方向的骤变与管径的突变加剧了固体颗粒与壁面间的摩擦与碰撞，使得固定节流阀的油嘴容易刺穿或磨损。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够有效提高在气固两相流工作环境中的抗冲蚀磨损能力的节流阀。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种节流阀，包括阀体、球头、阀套座和油嘴。其中，阀套座布置在阀体的内腔中，油嘴位于阀套座内并且与阀体的内腔连通，球头位于阀体的顶部。油嘴上靠近阀体的内腔的入口段的内表面构造为圆弧面。
根据本发明的节流阀，通过在油嘴入口段设置圆弧面代替常规垂直型入口，在流体进入油嘴时过渡更为圆滑，流场具有较大改善，减小了变径时气固两相流对入口璧面的冲击作用。
对于上述技术方案，还可进行如下所述的进一步的改进。
根据本发明的节流阀，在一个优选的实施方式中，圆弧面上设有凹槽。
进一步地，根据本发明的节流阀，利用仿生学原理，将常规固定节流阀的圆滑内表面改为不规则内表面，即在油嘴的圆弧面上设置若干仿生凹槽，利用凹槽的作用进一步减少气固两相流对油嘴的冲击与磨损，因此能够大大改善油嘴入口内部的抗冲蚀磨损能力。
具体地，在一个优选的实施方式中，凹槽为半圆球状凹槽。
构造为半圆球状的凹槽能够确保油嘴入口处的内表面具有良好地耐磨特性从而能够进一步改善油嘴入口内部的抗冲蚀磨损能力。
具体地，在一个优选的实施方式中，凹槽呈圆环阵列的形式布置在圆弧面上。
进一步地，在一个优选的实施方式中，圆弧面设有镀镍层。
圆弧凹槽面采用镀镍处理，能够进一步提高节流阀的使用寿命。
具体地，在一个优选的实施方式中，圆弧面为椭圆形圆弧面。
将圆弧面设置成椭圆形圆弧面，能够进一步使得油嘴入口段的过渡更加圆滑，从而能够进一步减小变径时气固两相流对入口璧面的冲击作用。
具体地，在一个优选的实施方式中，椭圆形圆弧面的弧长为整个椭圆形弧长的四分之一，椭圆形的短轴为水平方向，椭圆形的长轴为垂直方向。
这种结构形式能够增加油嘴入口段的圆弧过渡长度和减小过渡坡度，从而更加有效地保证减小变径时气固两相流对入口璧面的冲击作用。
进一步地，在一个优选的实施方式中，球头通过锁紧帽与阀体固定。
通过锁紧帽的结构形式固定球头，能够确保节流阀的整体结构简单可靠。
具体地，在一个优选的实施方式中，阀套座与阀体通过螺纹连接的方式固定。
螺纹连接的形式可以简化整个节流阀的结构并且装配简单便捷。
具体地，在一个优选的实施方式中，油嘴与阀套座通过螺纹连接的方式固定。
螺纹连接的形式可以简化整个节流阀的结构并且装配简单便捷。
相比现有技术，本发明的优点在于：能够有效提高节流阀在气固两相流工作环境中的抗冲蚀磨损能力。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示意性显示了本发明实施例的节流阀的整体剖面结构；
图2示意性显示了本发明实施例的节流阀的油嘴的俯视结构；
图3示意性显示了常规节流阀模型；
图4示意性显示了本发明实施例的节流阀模型；
图5示意性显示了本发明实施例的节流阀在不同流速下的抗冲蚀率变化情况；
图6示意性显示了本发明实施例的节流阀在不同颗粒质量流量下的抗冲蚀率变化情况。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
图1示意性显示了本发明实施例的节流阀10的整体剖面结构。图2示意性显示了本发明实施例的节流阀10的油嘴4的俯视结构。图3示意性显示了常规节流阀模型。图4示意性显示了本发明实施例的节流阀10模型。图5示意性显示了本发明实施例的节流阀10在不同流速下的抗冲蚀率变化情况。图6示意性显示了本发明实施例的节流阀10在不同颗粒质量流量下的抗冲蚀率变化情况。
如图1和图2所示，本发明实施例的节流阀10，包括阀体1、球头2、阀套座3和油嘴4。其中，阀套座3布置在阀体1的内腔中，油嘴4位于阀套座3内并且与阀体1的内腔连通，球头2位于阀体1的顶部。油嘴4上靠近阀体1的内腔的入口段的内表面构造为圆弧面41。根据本发明实施例的节流阀，通过在油嘴入口段设置圆弧面代替常规垂直型入口，在流体进入油嘴时过渡更为圆滑，流场具有较大改善，减小了变径时气固两相流对入口璧面的冲击作用。
如图1和图2所示，在本实施例中，优选地，圆弧面41上设有凹槽42。进一步地，根据本发明实施例的节流阀，利用仿生学原理，将常规固定节流阀的圆滑内表面改为不规则内表面，即在油嘴的圆弧面上设置若干仿生凹槽，利用凹槽的作用进一步减少气固两相流对油嘴的冲击与磨损，因此能够大大改善油嘴入口内部的抗冲蚀磨损能力。
进一步地，在本实施例中，圆弧面41设有镀镍层。圆弧凹槽面采用镀镍处理，能够进一步提高节流阀的使用寿命。
优选地，如图1所示，在本实施例中，凹槽42为半圆球状凹槽。构造为半圆球状的凹槽能够确保油嘴入口处的内表面具有良好地耐磨特性从而能够进一步改善油嘴入口内部的抗冲蚀磨损能力。具体地，如图2所示，在本实施例中，凹槽42呈圆环阵列的形式布置在圆弧面41上。
具体地，在本实施例中，圆弧面41为椭圆形圆弧面。将圆弧面设置成椭圆形圆弧面，能够进一步使得油嘴入口段的过渡更加圆滑，从而能够进一步减小变径时气固两相流对入口璧面的冲击作用。优选地，在本实施例中，椭圆形圆弧面的弧长为整个椭圆形弧长的四分之一，椭圆形的短轴为水平方向，椭圆形的长轴为垂直方向。这种结构形式能够增加油嘴入口段的圆弧过渡长度和减小过渡坡度，从而更加有效地保证减小变径时气固两相流对入口璧面的冲击作用。
如图1所示，优选地，在本实施例中，球头2通过锁紧帽5与阀体1固定。通过锁紧帽的结构形式固定球头，能够确保节流阀的整体结构简单可靠。具体地，在本实施例中，阀套座与阀体通过螺纹连接的方式固定。油嘴与阀套座通过螺纹连接的方式固定。节流阀的各零部件采用螺纹连接的形式可以简化整个节流阀的结构并且装配简单便捷。
为验证本发明实施例的节流阀10在抗冲蚀磨损能力上的优势，利用计算流体学软件对比本发明所涉及的节流阀10与常规的固定节流阀的抗冲蚀磨损能力。
采用高雷诺数下的标准k-ε两方程湍流模型，求解节流阀内部的紊流场，控制方程为：
连续性方程：
动量方程：
k方程：
ε方程：
式中，i、j分别为坐标方向和速度分量方向，i＝1,2,3，j＝1,2,3；ui、uj是不同坐标方向上的速度，m/s；ρ为水的密度，kg/m3；μ为动力粘度，mPa·s；
为雷诺应力；μt为紊流粘性系数，μt＝ρCμk2/ε；σk，σε为紊流普朗特数；C为常数，取Cμ＝0.09，C1＝1.44，C2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3[8]。
磨损率定义为：
式中：Re是磨损率，kg/(m2·s)；C(dp)为与颗粒直径相关的函数；α为碰撞时的角度，(°)；f(α)为与角度相关的函数；vp为碰撞速度，m/s；b(vp)为与碰撞速度相关的函数；Af为壁面计算单元的面积，m2；mp为计算过程中颗粒所代表的质量流率，kg/s；N为在单元面积上发生碰撞的数目。
利用简化的二维模型完成数值模拟过程，如图3和图4所示。
在相同的模拟条件下，通过对比常规固定节流阀与本发明涉及的新型节流阀的平均冲蚀率，即可得到新型节流阀的抗冲蚀情况，定义抗冲蚀率计算公式为：
其中，En为常规固定节流阀的平均冲蚀率，Eb为新型节流阀的平均冲蚀率。当抗冲蚀率为正时，表示常规固定节流阀的冲蚀率大于新型节流阀的冲蚀率，即新型节流阀有抗冲蚀磨损效果。
图5为本发明实施例的节流阀10在相同粒径、颗粒质量流量及不同射流速度条件下，计算求得的抗冲蚀率变化曲线。从图5可以看出，不同射流速度条件下，本发明实施例的节流阀10均具有抗冲蚀磨损效果，最大冲蚀率达到10.3％，模拟结果证实了本发明实施例的节流阀的抗冲蚀磨损能力大大强于常规固定节流阀。同时，随着射流速度的增加，抗冲蚀率缓慢减小，这主要是因为随着流速的增加，油嘴壁面边界层厚度逐渐减小，颗粒在流场影响下的运动状态改变减弱。
图4为本发明实施例的节流阀10在相同射流速度、粒径及不同颗粒质量流量条件下，计算求得的抗冲蚀率变化曲线。从图4可以看出随着颗粒质量流量的增加，本发明实施例的节流阀的抗冲蚀率有增加的趋势。在相同的粒径条件下，颗粒质量流量越大，颗粒数量就越多，由冲蚀模型可知，壁面的冲蚀率就越大，同时越多的颗粒运动状态在凹槽42结构的影响下改变，使本发明实施例的节流阀10的抗冲蚀率增大。
根据上述实施例，可见本发明涉及的节流阀，能够有效提在气固两相流工作环境中的抗冲蚀磨损能力。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种节流阀，其特征在于，包括阀体、球头、阀套座和油嘴；其中，
所述阀套座布置在所述阀体的内腔中，所述油嘴位于所述阀套座内并且与所述阀体的内腔连通，所述球头位于所述阀体的顶部；
所述油嘴上靠近所述阀体的内腔的入口段的内表面构造为圆弧面。
2.根据权利要求1所述的节流阀，其特征在于，所述圆弧面上设有凹槽。
3.根据权利要求2所述的节流阀，其特征在于，所述凹槽为半圆球状凹槽。
4.根据权利要求2或3所述的节流阀，其特征在于，所述凹槽呈圆环阵列的形式布置在所述圆弧面上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的节流阀，其特征在于，所述圆弧面设有镀镍层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的节流阀，其特征在于，所述圆弧面为椭圆形圆弧面。
7.根据权利要求6所述的节流阀，其特征在于，所述椭圆形圆弧面的弧长为整个椭圆形弧长的四分之一，椭圆形的短轴为水平方向，椭圆形的长轴为垂直方向。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的节流阀，其特征在于，所述球头通过锁紧帽与所述阀体固定。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的节流阀，其特征在于，所述阀套座与所述阀体通过螺纹连接的方式固定。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的节流阀，其特征在于，所述油嘴与所述阀套座通过螺纹连接的方式固定。
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