KANEKO電磁閥沖蝕性能仿真分析與試驗研究

　　是一個局部阻力可以改變的節流元件，閥芯在閥體內移動，改變閥芯與閥座之間的流通面積，從而達到調節被測介質的流量，控制工藝參數的目的。這些工藝參數包括壓力、溫度、液位及流量。

　　閥芯形式分直行程和角行程兩類。直行程閥芯通過直線運動來改變與閥座之間的流通面積；角行程閥芯通過旋轉運動來改變與閥座間的流通面積。

　　KANEKO電磁閥基礎知識

　　KANEKO電磁閥就是以壓縮空氣為動力源，以氣缸為執行器，并借助于電/氣閥門定位器、轉換器、電磁閥、保位閥等附件驅動閥門，（閥芯閥座相對移動）來實現開關量或比例式調節，接收控制信號：4-20mA電流信號并將電信號轉變為壓力信號（由定位器完成或電磁閥完成）來調節管道介質的流量、壓力、溫度等各種工藝參數。

　　KANEKO電磁閥構接收4—20mA電流信號，通過電機的正反轉驅使閥芯閥桿產生相對位移（直行程、角行程）來改變閥芯和閥座之間的截面積大小，控制管道介質的流量、溫度、壓力等工藝參數。

　　KANEKO電磁閥優點：動作快、適合遠距離傳送；節能（只在工作時才消耗電），環保（無碳排放），安裝快捷方便（無需復雜的氣動管路和氣泵工作站）。缺點：結構復雜、推力小、價格貴，適用于防爆要求不太高及缺乏氣源的場合。

　　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性能;L.N.對石油專用閥分別進行了模擬分析和試驗研究。

　　1 沖蝕機理分析

　　1) 節流閥材質特點。閥體材質為4130, HB197-235;閥芯材質均為碳化鎢, HRA90-93。

　　2) 節流閥沖蝕特點。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。

　　根據節流閥沖蝕機理, 確定采用如下沖蝕計算模型[11]:

　　2 仿真分析與試驗研究

　　對新型筒式節流閥、楔型節流閥、孔板型節流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) 新型筒式節流閥。新型筒式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。

　　2) 楔形節流閥。該閥是為了解決針形節流閥易斷裂而研制的, 閥芯采用楔形結構, 閥芯閥座同樣采用碳化鎢合金, HRA94, 其過流面積與開度如圖2所示。

　　孔板式節流閥。閥瓣的流通截面形狀為扇形, 閥瓣分為上、下兩部分。固定下閥瓣, 旋轉上閥瓣, 可以調整流通面積, 實現對流量的控制和調節, 閥芯閥座也采用碳化鎢合金[13,14]、HRA92, 其過流面積與開度如圖3所示。

　　 孔板式節流閥閥芯及過流面積-開度示意

　　根據3類型閥過流面積與開度示意圖, 在保證最大過流面積一致的前提下, 針對不同的閥芯位移值 (如表1所示) , 開展了相同條件下新型筒式節流閥、楔形節流閥和孔板節流閥的流場和沖蝕有限元仿真分析。

　　表1 閥芯位置及過流面積

　　節流閥類型新型筒式節流閥楔形節流閥孔板節流閥

　　對于新型筒式節流閥, 由于圓柱形閥芯具有結構對稱的特點, 其流場較平穩, 過流面為對稱環形, 流體流過節流面時, 流體沖蝕力減弱, 減小了對下游設備的沖蝕, 受力的集中區域為閥芯與閥座節流面最小的區域, 閥芯節流面段出現環狀痕跡, 如圖4所示。

　　對楔形節流閥進行沖蝕數值模擬分析, 速度場分布如圖5a所示, 可知在楔形閥的閥芯與閥座結合的部位存在應力集中區, 且下游變徑處存在單側高速線流, 因此會對閥芯部位及下游變徑處形成沖蝕, 如圖5所示。

　　對孔板型節流閥進行沖蝕數值模擬分析, 速度場分布如圖6a所示。從流場圖中可以看出, 閥出口端流體分布不均勻, 介質經閥瓣后流動明顯偏向一側, 且沿壁面的流速較大, 會導致流體對單邊沖蝕嚴重, 如圖6所示。

　　為驗證仿真分析的準確性, 利用元壩12-1H井的井場, 分別對3種節流閥進行了現場沖蝕試驗。試驗設備主要有 F-1600H型泥漿泵1臺、氣密封檢測車3臺、105 MPa節流管匯、液氣分離器、泥漿罐等。泥漿參數為:密度1.8 g/cm3, pH值11, 黏度48 s , 固相含量35%, 含砂量0.20%。泵沖次80～110 min-1。氮氣純度

　　1、KANEKO電磁閥動作方式（閥芯運動軌跡）分類：

　　KANEKO電磁閥按其能源形式，分為氣動、電動、液動三類。氣動執行器由氣動執行機構和調節機構（通常稱調節閥）兩部分組成。

　　KANEKO電磁閥還需要配置一些輔助裝置如：閥門定位器和手輪機構。閥門定位器可提高調節質量，改善執行器的性能。手輪機構可以在調節系統因停電、停氣、調節器無輸出或執行機頭薄膜損壞失靈時由人直接操作，保證生產的正常運行。

　　KANEKO電磁閥構的輸出特性是成比例式的，即輸出位移和輸入氣壓信號成正比關系。當信號壓力輸入薄膜氣室時，在薄膜上產生一個推力，使推桿移動并壓縮彈簧，當彈簧的反作用力與信號在薄膜上產生的推力平衡時，推桿就穩定在一個平衡位置。信號壓力越大，推桿位移量就越大，推桿的位移就是執行機構的直線位移，也稱行程。