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日本SMC電磁閥沖蝕仿真分析與試驗研究
日本SMC電磁閥沖蝕仿真分析與試驗研究
日本SMC電磁閥新疆、川渝地區的油氣資源埋藏較深, 地層壓力大, 產量高。在鉆井過程中, 井控裝置, 特別是105 MPa節流管匯在高壓、高產、高固相的惡劣工況條件下, 節流閥出現不同程度的沖蝕磨損, 引發安全隱患, 難以滿足井控安全需要。針對節流閥沖蝕磨損嚴重的困局, 急需開105 MPa節流閥耐沖蝕研究。本文選取了新型筒式節流閥、楔形節流閥、孔板節流閥進行了對比研究。
1 沖蝕機理分析
1) 日本SMC電磁閥材質特點。閥體材質為4130, HB197-235;閥芯材質均為碳化鎢, HRA90-93。
2) 日本SMC電磁閥沖蝕特點。電子顯微鏡觀測下閥體切片, 出現微切削和犁溝;閥芯沖蝕坑兩邊形成凸起的唇片, 并呈波紋漣漪狀。
3) 沖蝕理論。綜合分析確定, 微切削模型理論、鍛造擠壓理論能揭示巖屑沖蝕節流閥的行為。兩套模型理論并非各自獨立地簡單拼湊, 而是相互補充, 從不同角度、不同的沖蝕階段來闡述節流閥不同位置的沖蝕現象, 進而確立節流閥沖蝕磨損機理。
根據日本SMC電磁閥沖蝕機理, 確定采用如下沖蝕計算模型[11]:
日本SMC電磁閥為沖蝕磨損速率, kg/ (m2·s) ;C (dpn) 為顆粒直徑的函數, m;f (α) 為顆粒對靶面攻角的α函數, rad;b (vpn) 是顆粒相對于靶材面速度的函數, m/s;Awall節流閥內表面單位沖蝕面積, 為顆粒的質量流量, kg/s;n表示大加重材料顆粒數。
2 仿真分析與試驗研究
日本SMC電磁閥在混氣重泥漿條件下分別進行動態模擬試驗, 檢驗3種類型節流閥在實施節流壓井時的可靠性、耐沖蝕性和對井控技術與井控工藝要求的符合性、適應性, 為節流壓井作業提供決策依據。
1) 日本SMC電磁閥閥芯采用圓柱形結構, 閥芯、閥座均為對稱結構, 閥芯、閥座采用碳化鎢合金, HRA92, 可提高抗沖蝕能力, 且可調換方向安裝, 其過流面積與開度如圖1所示。
日本SMC電磁閥安全可靠性嚴，其終端控制元件的準確、快速調節是*的重要環，控制結果必須保證工藝指標要求，衰減比、超調量不超出工藝允許范圍。對此，如何選擇適用的氣動調節閥類型，使之在工藝控制回路中安全可靠、經濟適用，是儀控設計和管理人員普遍關心的問題。氣動調節閥的選擇般從以下四個方面考慮：
1> 日本SMC電磁閥結構和類型:
日本SMC電磁閥的產品類型很多，結構多種多樣，選擇時應綜合考慮調節功能、泄漏等級、耐壓能力、切斷壓差、腐蝕性、沖蝕和汽蝕、性價比、維護保養方便程度。從經驗而言，選擇順序應為：單（雙）座控制閥、籠式控制閥、偏心旋轉閥、蝶閥、角閥、球閥。
確定 日本SMC電磁閥開關方式的原則是：當信號壓力中斷時，應保證工藝設備和的安全。如果閥門在信號中斷后處于打開位置，流體不中斷安全，則選用氣關閥；如果閥門在信號壓力中斷后處于關閉位置，流體不通過安全，則選用氣開閥。
2>流量特性:
從以下3個方面內容對閥的工作流量特性進行分析：
1）從控制系統的控制質量方面分析
對于個簡單的控制系統，它是由控制對象、變送器、調節器和調節閥幾個基本環節組成的，系統的總放大系數K=K1K2K3K4K5,K1-K5分別表示變送器、調節器、執行器、執行機構、閥、控制對象的放大系數。在負荷變動的情況下，要使控制系統能保持預定的控制指標，希望總放大系數在控制系統的整個操作范圍內保持不變。般在個確定的系統里，K1-K3的系數是固定不變的，只有對象的放大系數K隨負荷的變化而變，保證K4K5的乘積是個常數就保證了系統的總放大系數K是個穩定值。
2）工藝配管情況分析
日本SMC電磁閥總是與管道設備連在起使用的，管道阻力會使閥的工作特性與固有特性不同。所以，應根據對象的特性，選擇合適的工作 特性，再根
用于調節由井底返回的鉆井液壓力, 并向井底提供適當的回壓以平衡地層壓力, 防止井涌井噴等事故的發生。高壓節流閥的損壞會造成災難性的后果, 因此對其可靠性和安全性的要求較高。沖蝕磨損是高壓節流閥的主要失效形式。A.C.等采用有限元體積法研究了固體顆粒對300 MW蒸汽渦輪機上噴嘴的沖蝕作用, 得出了沖蝕的影響因子有沖擊角、質點速度和顆粒直徑等;S.H.等做了液體沖蝕引起管壁變薄的研究;D.W.用金剛石來提高節流閥的耐沖蝕;L.N.對石油閥分別進行了模擬分析和試驗研究。
日本SMC電磁閥沖蝕仿真分析與試驗研究