壓降隨開度線性變化的節流閥的設計方法及閥芯的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及石油鉆井技術領域，具體涉及一種壓降隨開度線性變化的節流閥的設 計方法及采用該設計方法設計的節流閥的閥芯，該節流閥尤其是用于控壓鉆井中。
【背景技術】
[0002] 控制壓力鉆井技術（Managed Pressure Drilling-MPD)中，一般要求井底壓力 的變化范圍小于50psi，而壓力的變化主要由用于控壓的節流閥來調整。因此，用于控壓的 節流閥的性能直接影響到控壓鉆井工藝實施的成功率。而良好的調節線性的閥芯是決定節 流閥的控壓性能的關鍵。
[0003] 調節閥作為液壓氣動控制系統中的終端元件，在調節系統中必不可少。閥芯作為 調節閥的關鍵部件，閥芯的型面直接決定了調節閥的流量調節特性，其合理的設計對于調 節閥的性能以及生產效率意義重大。目前，國產節流閥的閥芯主要包括針形、楔形和筒形這 幾種簡單的"直線式"輪廓閥芯上。針形閥芯的節流閥的可靠性高，但出口漩渦流較多，閥 芯易抖動，易斷。老式筒形閥芯的節流閥的節流效果差，可調范圍小，容易出現閥芯刺壞和 脫落現象。而且，使用老式筒形閥芯的節流閥液體中含砂時，閥桿和閥芯沖蝕嚴重。楔形閥 芯的耐沖蝕、可靠性強、線性度差。總之，現有的國產節流閥的控壓線性度差、調節精度低， 不能滿足Mro技術的要求。
[0004] 另外，目前閥芯的設計還沒有一個高效、通用的設計方法。現在主要還是以經驗、 流量試驗和修形結合的設計方法。然而這樣的設計方法過程復雜、效率低、研發周期長、開 發費用高，嚴重降低了企業的效率。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是，提供一種壓降隨開度線性變化的節流閥的設計方 法，該設計方法能得到控壓調節的線性度和精度更好的閥芯的輪廓曲線，而且該設計方法 更高效和通用。
[0006] 本發明的技術解決方案是，提供一種壓降隨開度線性變化的節流閥的設計方法， 其包括以下步驟：
[0007] 根據節流閥的壓降與開度的線性關系的目標、節流閥的壓降流量特性、過流面積 和閥芯幾何條件建立閥芯輪廓的數學模型，通過等值面積曲線方程推導出閥芯的輪廓線應 滿足的軌跡方程，通過該軌跡方程得出閥芯的輪廓曲線，從而得到節流閥的閥芯結構。
[0008] 與現有技術相比，本發明的壓降隨開度線性變化的節流閥的設計方法具有以下優 點。通過該方法能夠得到閥芯的輪廓曲線，與現有直線式的輪廓閥芯相比，采用滿足節流閥 的壓降與開度的線性關系的曲線輪廓的閥芯的控壓線性度和調節精度均更好。而且該設計 方法能夠普遍用于一系列的閥芯的設計，然后根據具體的閥芯的目標和設計參數來得到對 應的閥芯的輪廓曲線和閥芯結構，更加通用。因此該設計方法能提高設計效率，更加高效。
[0009] 在一個實施例中，壓降ΛΡ與閥芯開度L之間的關系為：
其中Κ、 C為常數，ΛΡ為閥門前后壓降，L_表示閥門的最大開度。壓降也可稱為壓差，在最大開度 時對應的最大壓降，對于特定的閥芯，設計完成后其最大壓降和最大開度 均為一個定值，壓降ΛΡ與閥芯的開度L成線性關系。
[0010] 在一個實施例中，通過閥芯的幾何條件d = D_2x,
以及
得到N點的橫坐標X與過流面積Ar之間的關系為：
其中D、 d分別為錐環體的上下圓直徑，Lmn為母線長，Θ為夾角，X為閥芯輪廓線上N點的橫坐標。 建立閥芯輪廓上的點與過流面積之間的關系。
[0011] 在一個實施例中，節流閥的壓降流量特性包括經過該節流閥的流體應滿足的伯努 利方程和流體的連續性方程，通過壓降流量特性方程、開度L與過流面積4之間的關系以 及壓降ΛΡ與閥芯開度L之間的線性關系建立閥芯輪廓的數學模型，該數學模型由得到的 等值面積曲線方程
來表示。在等值面積曲線上的點與點M構 成的過流面積相等。
[0012] 在一個實施例中，若令
得到各開度下等值面積 曲線所組成的等值面積曲線簇，并通過滿足公式
來求解得到閥芯的輪廓線應滿足的軌跡方程。F = 0表示各開度下等值面 積曲線所組成的等值面積曲線簇，由于閥芯輪廓線和所有等值面積曲線都相切，所以閥芯 輪廓應滿足方程組
[0014] 在一個優選的實施例中，在排量為72m3/h的工況下設計一種大小為2"的閥芯輪 廓曲線，并使得在其20%-80%有效行程內其壓降ΛΡ與閥芯開度L成線性關系。此處的 2"即兩英寸，相當于50. 8mm。在控壓鉆井中該尺寸的閥芯使用較多。因此，能較好地保證 控壓線性度和調節精度。
[0015] 在一個優選的實施例中，若介質密度P = I. 7g/cm3,閥芯有效行程在30mm以內， 設APmax = l〇MPa，Lmax = 30mm，在上式中各項參數采用如下單位：過流面積A的單位cm2 ; 壓降Λ P的單位為IOOKPa ;流體密度P的單位為g/cm3 ;流量Q的單位為m3/h，即可得到關 于x、y、Θ的方程組如下：
通過方程組能夠得到閥芯輪 廓曲線應滿足的軌跡方程。
[0017] 在一個優選的實施例中，在小于30_的開度范圍內每隔Imm取一個點，并將值賦 給L，求出節流閥從L = Omm至L = 30mm開度下的閥芯輪廓點。方便取值和計算。優選地， 通過計算機軟件來輔助計算和曲線擬合。
[0018] 在一個優選的實施例中，對求出的閥芯輪廓點進行擬合，得到閥芯的輪廓曲線以 及該輪廓曲線滿足的曲線方程：
[0019] y = -2. 1721x5+26. 496x4-130. 27x3+326. 88x2-428. 56x+218. 06 (1. 198 ^ x 彡 3· 064)。
[0020] 在一個優選的實施例中，對閥芯的輪廓曲線方程進行模擬，繪制開度與壓降 的曲線以進行驗證。閥芯的輪廓結構擬合出來后，通過驗證開度與壓降的曲線是否在 20% -80%有效行程內成線性關系，若滿足條件，則該設計的閥芯輪廓符合設計要求，采用 該節流閥進行控壓鉆井時控壓調節的線性度和精度均更好。
[0021] 本發明還涉及一種節流閥的閥芯，尤其是用于鉆井中的節流閥的閥芯，其采用上 述中的設計方法設計而成。該節流閥可以為節流閥或其它類型的閥，例如調速閥。
【附圖說明】
[0022] 圖1所示是根據本發明的設計方法設計的節流閥的一種節流面積的示意圖。
[0023] 圖2所示是圖1中的節流口的壓力示意圖。
[0024] 圖3所示是圖2中的節流閥的閥芯在任一開度下的等值面曲線。
[0025] 圖4所示是圖3中的閥芯的等值面曲線簇的結構示意圖。
[0026] 圖5所示是根據圖4的閥芯擬合得到的閥芯輪廓曲線。
[0027] 圖6所示是圖5中的閥芯的開度-壓降關系曲線。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0029] 根據本發明的設計方法的一個實施例中，在排量72m3/h的工況下設計一種大小為 2"（即2英寸，相當于50. 8mm)的閥芯的輪廓曲線。容易理解的是，在本發明中的具體實施 例中設計2英寸的閥芯僅是示例性的，本發明的設計方法適用于任何尺寸的閥芯，例如1. 5 英寸、3英寸、5英寸或任何其它尺寸等。
[0030] 在一個實施例中，在