双阀座止动式旋塞阀设计及接触应力分析*

1 引言

随着钻井和井控技术的发展，内防喷工具越来越得到人们的重视，方钻杆旋塞阀作为防喷工具中核心的部件，近些年尤其受到人们的重视。方钻杆旋塞阀分为上旋塞阀和下旋塞阀，上旋塞阀安装在水龙头和方钻杆之间，下旋塞装在方钻杆与钻杆之间，是一种防止钻井液喷溅、改善钻工工作条件、阻止井喷事故发生的钻柱内防喷工具，在工程实践中已得到广泛应用。但是目前国内生产的旋塞阀多为整体浮动式结构，旋塞阀中最主要的密封形式为阀座和阀芯之间的金属接触密封，在遇到井喷高压流体时，阀芯关闭后再开启时转动困难，从而导致旋塞阀转动失效，主要原因是在井喷高压流体作用下球形阀芯变形和旋塞阀主密封面间的接触压力过大，从而导致转动摩擦力矩过大［1］。因此在保证旋塞阀主密封面能密封的情况下减小井喷时球形阀芯和阀座接触面之间的接触应力，减小球形阀芯的变形是十分必要的。笔者针对旋塞阀容易发生转动失效的问题设计了一种新的旋塞阀结构，称之为双阀座止动式旋塞阀，有效减小了旋塞阀关闭时阀座和球形阀芯之间的接触应力，并通过建立球形阀芯和阀座接触的力学模型和Ansys有限元分析软件对阀座和阀芯之间的接触应力进行了理论计算和有限元分析。

2 旋塞阀结构分析［2－6］

2.1 常用的旋塞阀结构

目前常用的旋塞阀结构基本相同，为整体浮动式结构，主要由阀本体、分半环、挡圈、上下阀座、球形阀芯、旋钮和波形弹簧组成，如图1所示。正常钻进时，方钻杆旋塞阀处于开启状态，图1所示位置，钻井液可顺利通过旋塞阀，当发生井喷时，通过旋钮将球形阀芯绕其轴线旋转90°，在井喷流体的压力和弹簧力的共同作用下，阀座和球形阀芯的接触面接触并压紧形成金属密封，从而截断井喷流体，防止井喷。

该结构的优点:①启闭迅速方便，只需将球形阀芯转动90°即可;②结构简单紧凑;③体积小，质量较轻，密封性能较好。该结构的缺点在于当遇到井喷阀芯关闭时，在井喷流体压力和弹簧力的共同作用下推动下阀座和球形阀芯均往上产生小的位移，同时在阀芯和上下阀座的接触面上均产生较大的接触应力，使球形阀芯和上下阀座的接触面均能密封井喷流体，井喷流体不能进入球形阀芯的内腔，因此球形阀芯受外力较大，容易发生变形，且与上下阀座的接触面上接触应力较大，导致球形阀芯转动力矩较大，重新开启旋塞阀很困难，发生转动失效。

图1 常用旋塞阀结构示意图

2.2 双阀座止动式浮动旋塞阀

针对常用旋塞阀结构容易发生转动失效和球形阀芯变形的问题，这里提出了一种新的旋塞阀结构，即双阀座止动式旋塞阀，其结构如图2所示，主要由阀本体、分半环、挡圈、弹簧压盖、上阀座、下阀座、球形阀芯、波形弹簧和旋钮组成。该结构的工作原理与目前常用的旋塞阀相同，正常钻进时，方钻杆旋塞阀处于开启状态，如图2所示位置，钻井液可顺利通过旋塞阀，当发生井喷时，通过旋钮将球形阀芯绕其轴线旋转90°，在井喷流体的压力的作用下，上阀座和球形阀芯的接触面接触形成金属接触密封，从而截断井喷流体，防止井喷。

图2 双阀座止动式浮动旋塞阀结构示意图

该结构除具备常用旋塞阀的优点外，还具有在遇到井喷时，球形阀芯关闭后，可减小球形阀芯受到的井喷流体的压力，减小球形阀芯变形，方便阀芯开启的优点。其结构与目前常用的旋塞阀结构相比，在上、下阀座均安装了波形弹簧，且在上、下阀座上均安装了阻止上、下阀座向球形阀芯方向移动的挡圈8和12。当遇到井喷时，转动旋塞阀球形阀芯，球形阀芯在高压流体压力作用下，球形阀芯和上阀座压缩波形弹簧6向上移动，而下阀座在挡圈12的限制下，不能向上移动，因此在下阀座和球形阀芯之间就会产生一个小的间隙，高压流体便可通过这个间隙进入球形阀芯内腔，从而可平衡掉球形阀芯外部的一部分压力，减小了球形阀芯和上阀座之间的接触应力，同时也减少了球形阀芯变形，方便转动，容易开启;同样当高压流体从旋塞阀上部进入旋塞阀时，在井喷高压流体压力作用下，球形阀芯推动下阀座压缩波形弹簧13往下移动，而上阀座在挡圈8的作用下不能向下移动，从而在上阀座和球形阀芯之间产生一个小的间隙，高压流体通过此间隙进入球形阀芯内部，平衡掉球形阀芯外部的一部分压力，如图3所示。

图3 球形阀芯工作示意图

3 主密封面间的接触应力的理论分析［7－8］

对双阀座止动式旋塞阀进行主密封面间的接触应力的理论分析。阀球受力如图4所示，阀座与阀球的接触面为球上一环形面，由受力平衡方程:

式中:σ为阀座与球形阀芯接触面间的接触压力;R为阀球的半径;P为井喷流体的压力;α1、α2分别为阀球中心与阀座和阀球接触表面上、下边线的连线与旋塞阀中心线的夹角。

图4 球形阀芯受力示意

由上式可看出，当井喷流体的压力P确定后，阀座与阀球接触面间的接触压力σ只与α1和α2有关。以本文设计的旋塞阀为例，α1=39.42°，α2=49.46°，R=60 mm，此时井喷压力为70 MPa，带入式(1)得阀座与阀球接触面间的接触应力σ为232 MPa。

4 主密封面间的接触数值分析［9］

影响转动力矩的摩擦力主要是由阀球与上阀座之间的主密封面间的接触正压力产生的，故只需对主密封面间的接触对进行有限元数值分析。接触问题是一种高度非线性问题ANSYS在解决接触、大变形等复杂的非线性问题方面有很大的优势。

有限元分析步骤:阀芯及上阀座的材料均取42 CrMnMo，其弹性模量为 206 MPa，泊松比为 0.3，密度7850 kg/m3。根据尺寸在ANSYS里直接建模并装配，基于结构和载荷的对称性，只取模型的1/2的进行分析。根据接触对中主从面选择原则，本文选上阀座为主面，阀芯为从面，摩擦系数取0.1。用三维实体单元对旋塞阀的球形阀芯和上阀座实体模型进行网格划分，并对应力集中和关键的部位进行网格细划，共划分64300个单元。由于只取模型的1/2，因此在对称面上施加对称约束边界条件，根据实际工况在上阀座的底面施加固定约束。载荷为70 MPa，采用幅值曲线加载方式，分析结果如图5、6所示。

图5 应变云图

图6 接触面上的压力分布

由上述云图5、6分析得知:双阀座止动式浮动旋塞阀工作时最大应变发生在阀球上部中心部位，最大弹性变形量为0.124 mm;球形阀芯与阀座接触面上的接触应力在200～300 MPa之间，与理论计算结果相符，只有在接触面边缘少数区域由于存在应力集中，接触应力较大，最大接触应力为613 MPa，仍小于材料的屈服极限785 MPa。

5 结论

(1)双阀座止动式旋塞阀通过结构上的改进，改善了球形阀芯井喷时在高压井喷流体作用下的受力情况，减小了球形阀芯的变形，减小了旋塞阀发生转动失效的可能性。

(2)建立了球形阀芯和阀座的力学分析模型，使用理论公式计算了高压下旋塞阀阀芯与阀座密封接触应力，另根据双阀座止动式浮动旋塞阀的结构尺寸建立有限元分析模型，使用ANSYS软件进行了旋塞阀主密封面的接触分析，得到了主密封面的接触应力。通过把理论计算值与仿真结果进行对比，发现了两者的误差在允许范围之内，从而建立了一套利用有限元来分析高压旋塞阀金属密封接触应力问题的方法。