KANEKO电磁阀冲蚀性能仿真分析与试验研究

　　是一个局部阻力可以改变的节流元件，阀芯在阀体内移动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而达到调节被测介质的流量，控制工艺参数的目的。这些工艺参数包括压力、温度、液位及流量。

　　阀芯形式分直行程和角行程两类。直行程阀芯通过直线运动来改变与阀座之间的流通面积；角行程阀芯通过旋转运动来改变与阀座间的流通面积。

　　KANEKO电磁阀基础知识

　　KANEKO电磁阀就是以压缩空气为动力源，以气缸为执行器，并借助于电/气阀门定位器、转换器、电磁阀、保位阀等附件驱动阀门，（阀芯阀座相对移动）来实现开关量或比例式调节，接收控制信号：4-20mA电流信号并将电信号转变为压力信号（由定位器完成或电磁阀完成）来调节管道介质的流量、压力、温度等各种工艺参数。

　　KANEKO电磁阀构接收4—20mA电流信号，通过电机的正反转驱使阀芯阀杆产生相对位移（直行程、角行程）来改变阀芯和阀座之间的截面积大小，控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。

　　KANEKO电磁阀优点：动作快、适合远距离传送；节能（只在工作时才消耗电），环保（无碳排放），安装快捷方便（无需复杂的气动管路和气泵工作站）。缺点：结构复杂、推力小、价格贵，适用于防爆要求不太高及缺乏气源的场合。

　　并向井底提供适当的回压以平衡地层压力, 防止井涌井喷等事故的发生。高压节流阀的损坏会造成灾难性的后果, 因此对其可靠性和安全性的要求较高。冲蚀磨损是高压节流阀的主要失效形式。A.C.等采用有限元体积法研究了固体颗粒对300 MW蒸汽涡轮机上喷嘴的冲蚀作用, 得出了冲蚀的影响因子有冲击角、质点速度和颗粒直径等;S.H.等做了液体冲蚀引起管壁变薄的研究;D.W.用金刚石来提高节流阀的耐冲蚀性能;L.N.对石油专用阀分别进行了模拟分析和试验研究。

　　1 冲蚀机理分析

　　1) 节流阀材质特点。阀体材质为4130, HB197-235;阀芯材质均为碳化钨, HRA90-93。

　　2) 节流阀冲蚀特点。电子显微镜观测下阀体切片, 出现微切削和犁沟;阀芯冲蚀坑两边形成凸起的唇片, 并呈波纹涟漪状。

　　3) 冲蚀理论。综合分析确定, 微切削模型理论、锻造挤压理论能揭示岩屑冲蚀节流阀的行为。两套模型理论并非各自独立地简单拼凑, 而是相互补充, 从不同角度、不同的冲蚀阶段来阐述节流阀不同位置的冲蚀现象, 进而确立节流阀冲蚀磨损机理。

　　根据节流阀冲蚀机理, 确定采用如下冲蚀计算模型[11]:

　　2 仿真分析与试验研究

　　对新型筒式节流阀、楔型节流阀、孔板型节流阀在混气重泥浆条件下分别进行动态模拟试验, 检验3种类型节流阀在实施节流压井时的可靠性、耐冲蚀性和对井控技术与井控工艺要求的符合性、适应性, 为节流压井作业提供决策依据。

　　1) 新型筒式节流阀。新型筒式阀芯采用圆柱形结构, 阀芯、阀座均为对称结构, 阀芯、阀座采用碳化钨合金, HRA92, 可提高抗冲蚀能力, 且可调换方向安装, 其过流面积与开度如图1所示。

　　2) 楔形节流阀。该阀是为了解决针形节流阀易断裂而研制的, 阀芯采用楔形结构, 阀芯阀座同样采用碳化钨合金, HRA94, 其过流面积与开度如图2所示。

　　孔板式节流阀。阀瓣的流通截面形状为扇形, 阀瓣分为上、下两部分。固定下阀瓣, 旋转上阀瓣, 可以调整流通面积, 实现对流量的控制和调节, 阀芯阀座也采用碳化钨合金[13,14]、HRA92, 其过流面积与开度如图3所示。

　　 孔板式节流阀阀芯及过流面积-开度示意

　　根据3类型阀过流面积与开度示意图, 在保证最大过流面积一致的前提下, 针对不同的阀芯位移值 (如表1所示) , 开展了相同条件下新型筒式节流阀、楔形节流阀和孔板节流阀的流场和冲蚀有限元仿真分析。

　　表1 阀芯位置及过流面积

　　节流阀类型新型筒式节流阀楔形节流阀孔板节流阀

　　对于新型筒式节流阀, 由于圆柱形阀芯具有结构对称的特点, 其流场较平稳, 过流面为对称环形, 流体流过节流面时, 流体冲蚀力减弱, 减小了对下游设备的冲蚀, 受力的集中区域为阀芯与阀座节流面最小的区域, 阀芯节流面段出现环状痕迹, 如图4所示。

　　对楔形节流阀进行冲蚀数值模拟分析, 速度场分布如图5a所示, 可知在楔形阀的阀芯与阀座结合的部位存在应力集中区, 且下游变径处存在单侧高速线流, 因此会对阀芯部位及下游变径处形成冲蚀, 如图5所示。

　　对孔板型节流阀进行冲蚀数值模拟分析, 速度场分布如图6a所示。从流场图中可以看出, 阀出口端流体分布不均匀, 介质经阀瓣后流动明显偏向一侧, 且沿壁面的流速较大, 会导致流体对单边冲蚀严重, 如图6所示。

　　为验证仿真分析的准确性, 利用元坝12-1H井的井场, 分别对3种节流阀进行了现场冲蚀试验。试验设备主要有 F-1600H型泥浆泵1台、气密封检测车3台、105 MPa节流管汇、液气分离器、泥浆罐等。泥浆参数为:密度1.8 g/cm3, pH值11, 黏度48 s , 固相含量35%, 含砂量0.20%。泵冲次80～110 min-1。氮气纯度

　　1、KANEKO电磁阀动作方式（阀芯运动轨迹）分类：

　　KANEKO电磁阀按其能源形式，分为气动、电动、液动三类。气动执行器由气动执行机构和调节机构（通常称调节阀）两部分组成。

　　KANEKO电磁阀还需要配置一些辅助装置如：阀门定位器和手轮机构。阀门定位器可提高调节质量，改善执行器的性能。手轮机构可以在调节系统因停电、停气、调节器无输出或执行机头薄膜损坏失灵时由人直接操作，保证生产的正常运行。

　　KANEKO电磁阀构的输出特性是成比例式的，即输出位移和输入气压信号成正比关系。当信号压力输入薄膜气室时，在薄膜上产生一个推力，使推杆移动并压缩弹簧，当弹簧的反作用力与信号在薄膜上产生的推力平衡时，推杆就稳定在一个平衡位置。信号压力越大，推杆位移量就越大，推杆的位移就是执行机构的直线位移，也称行程。