CN115264108A - 一种低剪切力控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种低剪切力控制方法，包括以下步骤：根据流体的属性选择适配规格的流量控制体，并将流量控制体安装于球阀的输出流道上，然后将球阀接入输送管路上；通过阀杆控制球阀内的球体旋转设定角度，使设定流量的流体从球阀的流体进口进入并通过球体中心的通道；然后流体进入流量控制体的螺旋通道，螺旋通道使流体以旋转的方式流动，并提高了流体的流动速度，从而增大了流量控制体内的压差，即减小了流量控制体内的能量耗散率，进而降低了球阀的剪切力，减少了液滴变形和破裂的形成。本申请解决了现有技术中阀门内高强度湍流区域形成的剪切力会使多相流中的液滴破裂、变形和乳化，进而导致下游分离设备效率低的问题。

Description

一种低剪切力控制方法

技术领域

本申请属于阀门技术领域，具体涉及一种低剪切力控制方法。

背景技术

石油、天然气开采输运系统中，在采出物脱水和含油污水处理环节，都有提高油水分离效率的需求。对于系统中重力沉降及离心分离类分离设备，离散相液滴粒径是影响油水分离效率的最关键因素，而阀门内高强度湍流区域形成的剪切力会导致多相流中的液滴破裂、变形和乳化，离散相的乳化和液滴破碎会降低下游分离设备的效率。

发明内容

本申请实施例通过提供一种低剪切力控制方法，解决了现有技术中阀门内高强度湍流区域形成的剪切力会使多相流中的液滴破裂、变形和乳化，进而导致下游分离设备效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种低剪切力控制方法，包括以下步骤：

根据流体的属性选择适配规格的内螺旋涡流室和外螺旋涡流室，内螺旋涡流室和外螺旋涡流室组合形成流量控制体；

内螺旋涡流室包括中心轴、以及多个结构相同的内螺旋翅片；多个内螺旋翅片呈螺旋形设置于中心轴的侧壁；

外螺旋涡流室包括环形结构的轴环、以及多个结构相同的外螺旋翅片，多个外螺旋翅片呈螺旋形设置于轴环的外侧壁；

将内螺旋涡流室安装于所述轴环内，再将组合后的流量控制体安装于球阀的输出流道上；

两个相邻的内螺旋翅片、中心轴的侧壁、轴环的内侧壁之间形成内螺旋通道，两个相邻的外螺旋翅片、轴环的外壁、球阀流道的侧壁形成外螺旋通道，内螺旋通道和外螺旋通道共同形成螺旋通道；然后将球阀接入输送管路上；

通过阀杆控制球阀内的球体旋转设定角度，使设定流量的流体从球阀的流体进口进入并通过球体中心的通道；

然后流体进入所述螺旋通道，螺旋通道使流体以旋转的方式流动，并提高了流体的流动速度，从而增大了流量控制体内的压差，即减小了流量控制体内的能量耗散率，进而降低了球阀的剪切力，减少了液滴变形和破裂的形成。

在一种可能的实现方式中，流体离开流量控制体后依次进入渐缩流道和渐扩流道后通过球阀的流体出口流出；

渐缩流道提高了流体的流速，降低了流体的压力，从而减小了流量控制体内的能量耗散率，进而进一步降低了剪切力，减少了液滴变形和破裂的形成；

渐扩流道降低了流体的流速，以便于后续分离操作。

在一种可能的实现方式中，内螺旋通道和外螺旋通道使混合介质的所述流体在以旋转的方式流动前实现初步分离，即混合介质的所述流体中高密度相在外螺旋通道内通过，混合介质的所述流体中低密度相在内螺旋通道通过，进而提高后续分离效率。

在一种可能的实现方式中，将内螺旋涡流室转动安装于所述轴环内，内螺旋涡流室在流体的作用下在原位做旋转运动，进而能提供更大的旋流场和离心力，有利于液滴汇集，提高后续分离效率。

在一种可能的实现方式中，若流体的速度高、流量大和/或流体的粘度大则提高能量耗散的流体体积。

在一种可能的实现方式中，通过提高螺旋通道的容积来提高能量耗散的流体体积；

通过提高螺旋通道的截面积来提高能量耗散的流体体积；通过提高螺旋通道的长度来提高能量耗散的流体体积。

在一种可能的实现方式中，通过增大内螺旋翅片和/或外螺旋翅片与输出流道中心轴的夹角、以及增大内螺旋翅片和/或外螺旋翅片的长度来提高螺旋通道的长度；

通过调节两个相邻内螺旋翅片和/或外螺旋翅片的距离、以及内螺旋翅片和/或外螺旋翅片的高度来调节螺旋通道的截面积。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供了一种低剪切力控制方法，该方法的螺旋通道使流体以旋转的方式流动，流体在离开流量控制体之后继续以旋转的方式流动，在这过程中增大了流量控制体内的压差，降低了球阀的剪切力，减少了液滴变形和破裂的形成。流量控制体完成介质分离、扰动，抑制了泡沫及乳液的形成，同时降低了流体上的剪切力，提高了分离系统的整体稳健性。避免了现有技术中阀门内高强度湍流区域形成的剪切力会使多相流中的液滴破裂、变形和乳化，进而导致下游分离设备效率低的问题。

本发明无需改变现有开采输运工艺，通过在控制球阀内增加流量控制体入手解决高剪切力的问题，实现了流体能量耗散目的，因此本发明是减小剪切力最经济、实用、而且可行的理想方法，避免了现有技术中通过加热、加入化学品或者增加介质在分离器内的停留时间等方法来减小剪切力，而存在成本高、以及实施难度大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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是本申请中记载的一些实施例，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为本发明实施例提供的低剪切力控制球阀的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的低剪切力控制球阀的内部结构示意图。

图3为本发明实施例提供的流量控制体的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的内螺旋涡流室的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的外螺旋涡流室的结构示意图。

附图标记：1-左侧体；2-右侧体；21-涡流室安装流道；22-渐缩流道；23-渐扩流道；24-柱形流道；3-阀体；4-阀杆；5-密封圈；6-流量控制体；61-内螺旋涡流室；611-中心轴；612-内螺旋翅片；613-内螺旋通道；62-外螺旋涡流室；621-轴环；622-外螺旋翅片；623-外螺旋通道；624-限位环；7-球体；8-固定轴；9-驱动装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

如图1至图5所示，本发明实施例提供的低剪切力控制方法，采用了低剪切力控制球阀，该球阀包括左侧体1、右侧体2、阀体3、阀杆4、密封圈5、流量控制体6、以及设置于阀体3内的球体7。左侧体1和右侧体2分别安装于阀体3的左右两侧，阀杆4的下端穿过阀体3顶部的阀孔后连接于球体7的上部。左侧体1、右侧体2、以及球体7的中心设置有供流体通过的通道。左侧体1的端部为流体进口，右侧体2的端部为流体出口。左侧体1靠近阀体3的一端设置有密封圈5，密封圈5的端面与球体7抵接。右侧体2靠近阀体3的一端设置有流量控制体6，流量控制体6的内部设置有螺旋通道。

转动阀杆4可使球体7转动，进而实现该球阀的开合，球体7转动角度不同，流体通过球体7的流量也不同，球体7转动角度为0°～90°。流量控制体6可以通过直接铸造、3D打印或铣削获得。流体为气、油和水的混合物。

阀体3内的下部设置有固定轴8，固定轴8的上端伸入球体7下部的盲孔。固定轴8起到固定球体7的作用。

阀体3的顶部安装有驱动装置9，驱动装置9的动力输出端连接于阀杆4。工作人员可通过驱动装置9驱动阀杆4转动，驱动装置9可采用手轮也可采用减速电机驱动。

流量控制体6包括内螺旋涡流室61和外螺旋涡流室62，内螺旋涡流室61的端部靠近球体7设置。内螺旋涡流室61包括中心轴611、以及多个结构相同的内螺旋翅片612。多个内螺旋翅片612均布于中心轴611的周向，内螺旋翅片612呈螺旋形设置于中心轴611的侧壁上，螺旋形布置的内螺旋翅片612形成内螺旋通道613。外螺旋涡流室62包括环形结构的轴环621、以及多个结构相同的外螺旋翅片622。多个外螺旋翅片622均布于轴环621的周向，外螺旋翅片622呈螺旋形设置于轴环621的外侧壁上，两个相邻的外螺旋翅片622之间形成外螺旋通道623。内螺旋涡流室61安装于轴环621内，内螺旋通道613和外螺旋通道623共同形成螺旋通道。轴环621的外径小于球体7内通道的内径。使得球体7通道内的流体能够进入外螺旋通道623。外螺旋翅片622和内螺旋翅片612对应的圆心角位于45～1080度之间。外螺旋翅片622、内螺旋翅片612对应的圆心角为180度时，也即外螺旋翅片622、内螺旋翅片612正好绕轴环621、中心轴611一周，因此圆心角能够清楚地表达外螺旋翅片622、内螺旋翅片612的缠绕长度。

本实施例一中，内螺旋涡流室61和轴环621为固定连接。也即流量控制体6为一体式结构，一体式结构的流量控制体6制造工艺简单。

本实施例二中，内螺旋涡流室61和轴环621为转动连接，轴环621远离球体7的一端设置有限位环624，内螺旋涡流室61的端部和限位环624的侧壁抵接。

涡流室安装流道21远离球体7的一侧依次设置有渐缩流道22、渐扩流道23和柱形流道24。渐缩流道22、渐扩流道23的存在，对于增大流动阻力，实现流体能量耗散具有积极作用。

如图1至图5所示，本发明实施例提供的低剪切力控制方法，包括以下步骤：

根据流体的属性选择适配规格的流量控制体6，并将流量控制体6安装于球阀的输出流道上，然后将球阀接入输送管路上。

通过阀杆4控制球阀内的球体7旋转设定角度，使设定流量的流体从球阀的流体进口进入并通过球体7中心的通道。

然后流体进入流量控制体6的螺旋通道，螺旋通道使流体以旋转的方式流动，并提高了流体的流动速度，从而增大了流量控制体6内的压差，即减小了流量控制体6内的能量耗散率，进而降低了球阀的剪切力，减少了液滴变形和破裂的形成。

需要说明的是，螺旋通道使流体以旋转的方式流动，流体在离开流量控制体6之后继续以旋转的方式流动，在这过程中增大了流量控制体6内的压差，降低了球阀的剪切力，减少了液滴变形和破裂的形成。流量控制体6完成介质分离、扰动，抑制了泡沫及乳液的形成，同时降低了流体上的剪切力，提高了分离系统的整体稳健性。避免了现有技术中阀门内高强度湍流区域形成的剪切力会使多相流中的液滴破裂、变形和乳化，进而导致下游分离设备效率低的问题。

本发明无需改变现有开采输运工艺，通过在控制球阀内增加流量控制体6入手解决高剪切力的问题，实现了流体能量耗散目的，因此本发明是减小剪切力最经济、实用、而且可行的理想方法，避免了现有技术中通过加热、加入化学品或者增加介质在分离器内的停留时间等方法来减小剪切力，而存在成本高、以及实施难度大的问题。

本实施例中，流体离开流量控制体6后依次进入渐缩流道22和渐扩流道23后通过球阀的流体出口流出。

渐缩流道22提高了流体的流速，降低了流体的压力，从而减小了流量控制体6内的能量耗散率，进而进一步降低了剪切力，减少了液滴变形和破裂的形成。

渐扩流道23降低了流体的流速，以便于后续分离操作。

本实施例中，根据流体的属性选择适配规格的内螺旋涡流室61和外螺旋涡流室62，内螺旋涡流室61和外螺旋涡流室62组合形成流量控制体6。

内螺旋涡流室61包括中心轴611、以及多个结构相同的内螺旋翅片612。多个内螺旋翅片612呈螺旋形设置于中心轴611的侧壁。

外螺旋涡流室62包括环形结构的轴环621、以及多个结构相同的外螺旋翅片622，多个外螺旋翅片622呈螺旋形设置于轴环621的外侧壁。

将内螺旋涡流室61安装于轴环621内，再将组合后的流量控制体6安装于球阀的输出流道上。

两个相邻的内螺旋翅片612、中心轴611的侧壁、轴环621的内侧壁之间形成内螺旋通道613，两个相邻的外螺旋翅片622、轴环621的外壁、球阀流道的侧壁形成外螺旋通道623，内螺旋通道613和外螺旋通道623共同形成螺旋通道。

需要说明的是，根据流体的属性选择适配规格的内螺旋涡流室61和外螺旋涡流室62，进而最大化降低球阀的剪切力，减少液滴变形和破裂的形成。

本实施例中，内螺旋通道613和外螺旋通道623使混合介质的流体在以旋转的方式流动前实现初步分离，即混合介质的流体中高密度相在外螺旋通道623内通过，混合介质的流体中低密度相在内螺旋通道613通过，进而提高后续分离效率。

需要说明的是，流量控制体6利用气旋流来增加流动能量耗散。当流体流过内螺旋通道613和外螺旋通道623时，气体可以通过局部闪蒸沿外螺旋翅片622、内螺旋翅片612的表面形成，以将流体的剩余部分的气体分离。

本实施例中，将内螺旋涡流室61转动安装于轴环621内，内螺旋涡流室61在流体的作用下在原位做旋转运动，进而能提供更大的旋流场和离心力，有利于液滴汇集，提高后续分离效率。

需要说明的是，流体为低流速的工况时，分体式的流量控制体6分离效果更好。

本实施例中，若流体的速度高、流量大和/或流体的粘度大则提高能量耗散的流体体积。

本实施例中，通过提高螺旋通道的容积来提高能量耗散的流体体积。

通过提高螺旋通道的截面积来提高能量耗散的流体体积。通过提高螺旋通道的长度来提高能量耗散的流体体积。

需要说明的是，这里较为清楚地限定了如何根据流体的属性选择适配规格的内螺旋涡流室61和外螺旋涡流室62。

本实施例中，通过增大内螺旋翅片612和/或外螺旋翅片622与输出流道中心轴611的夹角、以及增大内螺旋翅片612和/或外螺旋翅片622的长度来提高螺旋通道的长度。

通过调节两个相邻内螺旋翅片612和/或外螺旋翅片622的距离、以及内螺旋翅片612和/或外螺旋翅片622的高度来调节螺旋通道的截面积。

需要说明的是，增大内螺旋翅片612和/或外螺旋翅片622与输出流道中心轴611的夹角来提高螺旋通道的长度时，不改变内螺旋翅片612和/或外螺旋翅片622的圆心角。

本实施例中，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种低剪切力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据流体的属性选择适配规格的内螺旋涡流室（61）和外螺旋涡流室（62），内螺旋涡流室（61）和外螺旋涡流室（62）组合形成流量控制体（6）；

内螺旋涡流室（61）包括中心轴（611）、以及多个结构相同的内螺旋翅片（612）；多个内螺旋翅片（612）呈螺旋形设置于中心轴（611）的侧壁；

外螺旋涡流室（62）包括环形结构的轴环（621）、以及多个结构相同的外螺旋翅片（622），多个外螺旋翅片（622）呈螺旋形设置于轴环（621）的外侧壁；

将内螺旋涡流室（61）安装于所述轴环（621）内，再将组合后的流量控制体（6）安装于球阀的输出流道上；

两个相邻的内螺旋翅片（612）、中心轴（611）的侧壁、轴环（621）的内侧壁之间形成内螺旋通道（613），两个相邻的外螺旋翅片（622）、轴环（621）的外壁、球阀流道的侧壁形成外螺旋通道（623），内螺旋通道（613）和外螺旋通道（623）共同形成螺旋通道；然后将球阀接入输送管路上；

通过阀杆（4）控制球阀内的球体（7）旋转设定角度，使设定流量的流体从球阀的流体进口进入并通过球体（7）中心的通道；

然后流体进入所述螺旋通道，螺旋通道使流体以旋转的方式流动，并提高了流体的流动速度，从而增大了流量控制体（6）内的压差，即减小了流量控制体（6）内的能量耗散率，进而降低了球阀的剪切力，减少了液滴变形和破裂的形成。

2.根据权利要求1所述的低剪切力控制方法，其特征在于：流体离开流量控制体（6）后依次进入渐缩流道（22）和渐扩流道（23）后通过球阀的流体出口流出；

渐缩流道（22）提高了流体的流速，降低了流体的压力，从而减小了流量控制体（6）内的能量耗散率，进而进一步降低了剪切力，减少了液滴变形和破裂的形成；

渐扩流道（23）降低了流体的流速，以便于后续分离操作。

3.根据权利要求2所述的低剪切力控制方法，其特征在于：内螺旋通道（613）和外螺旋通道（623）使混合介质的所述流体在以旋转的方式流动前实现初步分离，即混合介质的所述流体中高密度相在外螺旋通道（623）内通过，混合介质的所述流体中低密度相在内螺旋通道（613）通过，进而提高后续分离效率。

4.根据权利要求3所述的低剪切力控制方法，其特征在于：将内螺旋涡流室（61）转动安装于所述轴环（621）内，内螺旋涡流室（61）在流体的作用下在原位做旋转运动，进而能提供更大的旋流场和离心力，有利于液滴汇集，提高后续分离效率。

5.根据权利要求4所述的低剪切力控制方法，其特征在于：若流体的速度高、流量大和/或流体的粘度大则提高能量耗散的流体体积。

6.根据权利要求5所述的低剪切力控制方法，其特征在于：通过提高螺旋通道的容积来提高能量耗散的流体体积；

通过提高螺旋通道的截面积来提高能量耗散的流体体积；通过提高螺旋通道的长度来提高能量耗散的流体体积。

7.根据权利要求6所述的低剪切力控制方法，其特征在于：通过增大内螺旋翅片（612）和/或外螺旋翅片（622）与输出流道中心轴（611）的夹角、以及增大内螺旋翅片（612）和/或外螺旋翅片（622）的长度来提高螺旋通道的长度；

通过调节两个相邻内螺旋翅片（612）和/或外螺旋翅片（622）的距离、以及内螺旋翅片（612）和/或外螺旋翅片（622）的高度来调节螺旋通道的截面积。

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