关于注气阀设计计算及有限元分析

目前我国已开发的油气田大部分进入中后期，尽管采取注水等一系列措施取得了显著成效，但近年来在低渗透油田注水开发中反映出注水压力高、成本高、渗透率低、产能低等一系列问题，有相当一部分原油在地下开采不出来，剩余油和复杂油气藏的开采就显得尤为重要。为了提高原油采收率，注气等采油（气）工艺技术得到越来越多的应用。由于气体具有易流动、降低粘度、体积膨胀、降低界面张力的作用，注气适用的油藏种类、深度和范围较为广泛，且不受地层温度和矿化度的影响，因此在低渗透油藏开发中有明显优势。

注气阀的设计计算是注气开发工艺中的重要内容。本文进行了注气阀结构设计，并对阀杆和阀座进行了有限元分析。

1　结构设计

1.1　总体结构

注气阀总体结构如图1，主要由阀座、阀杆、弹簧、铜套、下接头5部分组成。注气阀工作时，由于阀杆在气体作用下与下接头频繁接触，阀杆与下接头之间容易发生磨损，影响注气阀的工作性能和使用寿命，所以在下接头与阀杆之间设计一个铜套，可以对阀杆和下接头起到很好的缓冲和保护作用。

1 阀座（上接头）；2 阀杆；3 弹簧；4 铜套；5 下接头

图1　注气阀结构

1.2　基本参数

最大工作压力 11MPa

最高工作温度 200℃

注气量 10×10⁴m³/d

介质 弱腐蚀气体

1.3　工作原理

单向注气阀属于方向控制阀，主要作用是控制系统中流体的流动方向，其工作原理是利用阀芯和阀体之间相对位置的改变来实现通道的接通或断开，以满足系统对通道的不同要求。

单向注气阀与油管相连，一端为公螺纹，一端为母螺纹。气体通过油管进入到上接头，使上接头内气压升高，气压力使弹簧压缩，阀芯被推开，气体从上接头进入到下接头，通过下接头注入到油管。

1.4　密封面

在单向注气阀密封面堆焊一层具有特殊性能的合金，目的是提高注气阀密封面的抗擦伤、抗腐蚀、抗冲蚀、抗高温等综合性能，该工艺不但可以降低成本，而且提高了注气阀的使用寿命。

选择注气阀密封面堆焊材料，首先应满足注气阀的使用要求，寿命长，密封性能好，并根据注气阀密封面的主要失效形式来考虑材料的综合性能、工艺性、加工性和经济性；其次要根据使用温度、压力、介质以及堆焊材料的焊接工艺适用性，其中材料堆焊的抗裂性是极其重要的指标。

根据注气阀的设计工况，在阀杆和阀座密封面处堆焊钴基D812合金能够满足密封性、硬度、耐磨性等要求。

1.5　弹簧

钢丝直径d=3.5mm，弹簧内径D₁=23.5mm，弹簧中径D₂=D₁+d=27mm，切变模量G=8×10⁴MPa，弹簧工作圈数n=9，弹簧刚度λ=Gd⁴/8D³₂n=8.47N/mm。

2　有限元分析

2.1　阀座

2.1.1　有限元模型

建模选用SOLID185单元，在阀座内环面施加的压力为11MPa。阀座有限元模型如图2。

图2　阀座有限元模型

SOLID185单元用于构造三维固体结构，通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着x、y、z方向平移的自由度。SOLID185单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力，还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料。

2.1.2　结果分析

阀座的变形云图和应力云图如图3～4，可以看出，阀座的最大变形为0.001 17mm，最大应力为17.594MPa，出现在阀座内环。

图3　阀座变形云图

图4　阀座应力云图

2.2　阀杆

2.2.1　有限元模型

选用SOLID185单元建立阀杆有限元模型，在阀杆的各个面施加11MPa的压力，只取部分阀套，主要获得阀杆的应力以及阀杆和阀套的变形。阀杆有限元模型如图5。

图5　阀杆有限元模型

2.2.2　结果分析

阀杆的变形云图和应力云图如图6～7，可以看出，阀杆的最大变形为0.003 556mm，最大应力为12.528MPa，在杆头（大径）和杆（小径）的连接处。

图6　阀杆变形云图

图7　阀杆应力云图

3　结论

1）调节阀中注气阀为单向控制阀。

2）阀杆的最大变形为0.003 556mm，最大应力为12.528MPa，出现在阀杆与弹簧接触处。

3）阀座的最大变形为0.001 17mm，最大应力为17.594MPa，出现在阀座内环。