一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針的製作方法

2023-05-26 18:09:46 1

一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，它包括閥芯（2）、閥杆（1）和連接螺栓（3），閥杆（1）上設有凸柱（5），閥芯（2）上設有凹槽（8），凸柱（5）上設有軸向內孔（6），閥杆（1）上設置徑向內孔（7），徑向內孔（7）連通軸向內孔（6）與閥杆（1）外部，連接螺栓（3）穿過閥芯（2）的連接孔（9）後通過螺紋與軸向內孔（6）連接，連接螺栓的中心設置有軸向通孔（10）。本發明的有益效果是：壽命長、控制精度高；閥芯由螺栓連接在閥杆上，可以快速更換，降低了閥門維修成本和勞動強度；閥芯形面輪廓設計使節流閥流量係數隨開度呈線性變化關係，大幅度提高控壓鑽井控制系統的調節精度和穩定性。
【專利說明】一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針
【技術領域】
[0001]本發明涉及節流閥【技術領域】，特別是一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針。
【背景技術】
[0002]控壓鑽井是當今鑽井工況日益複雜情況下的發展趨勢。節流閥在控壓鑽井作業中承擔著控制鑽井液流速、精確調節井口壓力的工作。因此各種形式的閥芯被設計出來，以滿足不同的工況要求。目前，筒形閥芯是控壓鑽井作業中運用最廣的閥芯形式之一。它克服了針型閥芯末端易衝蝕破壞、籠套式和孔板式閥芯在泥漿介質下工作壽命短和堵塞的問題。且幾何形狀規則、結構簡單，比其他形式閥芯具有更好的機械加工性能和更簡單的裝配結構。
[0003]流量係數是節流閥最重要的參數之一，表示節流閥對液體的阻礙能力大小，是節流閥的固有參數，不隨工況的改變而改變。在工作過程中，節流閥執行機構通過改變閥芯開度，使閥芯與閥座之間形成一定的過流面積，從而得到所需的流量係數，繼而得到一定的井口壓力。換言之，一種閥芯結構對應一種固定的流量係數-開度關係。且節流閥的流量係數-開度線性程度越高，控壓鑽井控制系統對井口壓力的調節精度就越高。
[0004]國內已經出現了一些針對節流閥或調節閥閥芯的研究成果。中國專利85100559公開了一種低壓降調節閥及其輪廓曲線的設計方法，主要針對在壓降比為0.1工況下的流量調節閥使用。該調節閥具有較好的實用性，但並不適用於控壓鑽井高壓、大流量的工況。中國專利201310375420公開了 一種偏心節流閥，包括有閥體、閥蓋、閥芯、閥杆及驅動機構。其主要特點是閥芯為密封盤，密封盤上設有偏心導流孔，偏心導流孔隨密封盤的旋轉與閥座的連接孔重合導通或分離閉合，從而改變過流面積。該節流閥主要優點是流量控制穩定、密封性好，節流原理類似於孔板式節流閥；缺點是耐衝蝕性差，且出口流體偏心明顯，在特殊工況下會對下遊管路造成嚴重衝蝕損壞。中國專利201220100901.4公開了一種液動楔形節流閥，其中楔形閥芯具有很好的耐衝蝕性，液動執行機構較手輪驅動更為省力。但楔形閥芯節流特性差，節流效果不明顯，且形成的偏心液體容易對下遊管路造成破壞。中國專利201320423468.2全自動無級變速線性洩壓裝置，其通過步進電機控制閥芯的位置，但該閥芯仍為傳統針形閥芯，未能改善存在的技術問題。
[0005]相比國外系列化、專業化的控壓鑽井節流閥閥芯產品，目前國內還沒有針對控壓鑽井節流閥閥芯結構及其流量係數-開度特性進行系統化的研究。常用的閥芯結構仍然是根據經驗來生產和改進，閥門的節流性能沒有得到明顯的提高。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於克服現有技術的缺點，提供一種壽命長、控制精度高、拆裝更換方便、流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針。
[0007]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，它包括閥芯、閥杆和連接螺栓，閥杆的下端面上設有一個凸柱，閥芯的上端面上設有與凸柱相配合的凹槽，凸柱的下端面上設有軸向內孔，且軸向內孔沿閥杆軸向延伸至閥杆內部，閥杆的上部設置有沿徑向延伸的徑向內孔，徑向內孔連通軸向內孔與閥杆外部，軸向內孔的底部設置有內螺紋，凹槽的底面上設置有連接孔，閥芯通過凹槽套裝於閥杆底部的凸柱上，連接螺栓穿過連接孔後通過螺紋與軸向內孔連接，連接螺栓將閥芯壓緊於閥杆上，連接螺栓的中心設置有軸向通孔，軸向通孔連通軸向內孔與閥芯的端面外部的空間。
[0008]所述的凸柱為沿從上到下的方向直徑逐漸減小的錐臺型；所述的凹槽為與凸柱相配合的、直徑沿從上到下的方向直徑逐漸減小的錐臺型槽。
[0009]所述的凸柱的錐形面的錐度為8~15°，凹槽的錐形面的錐度也為8~15°。 [0010]所述的連接螺栓與閥芯之間設置有彈簧墊圈，閥芯的下端面上設置有容置彈簧墊圈和連接螺栓頭部的沉孔。
[0011]所述的連接螺栓頭部的下端面設有工具孔。
[0012]所述的閥芯的材質為YG8合金，閥杆和連接螺栓的材質為12Crl3。


0 268SD + X
[0013]所述的閥芯的形面輪廓方程為y = ——其中X為閥芯行程，



丄丄.Jy(
Omm ^ X ^ 30mm ；D為節流閥通徑，mm。
[0014]本發明具有以下優點:
[0015]本發明壽命長、控制精度高、拆裝更換方便、流量係數隨開度線性變化，針對流量係數對筒形閥芯的幾何結構進行理論推導和數學建模，得出了一種流量係數隨閥芯開度線性變化的新型筒形閥芯。閥芯工作部分由螺栓連接在閥杆上，可以在衝蝕破壞後進行快速更換，降低了閥門維修成本和勞動強度。本發明具有控制精度高、可控性好、耐衝蝕、使用壽命長等特點。
[0016]本發明的閥芯與閥杆採用錐度對中和螺栓連接，操作方便，連接穩固，可降低維修成本。閥芯形面輪廓設計使節流閥流量係數隨開度呈線性變化關係，大幅度提高控壓鑽井控制系統的調節精度和穩定性。連接螺栓及閥杆上的通孔使閥芯兩端的液體壓力平衡，降低了執行機構操作閥芯時所需的轉矩。可更換的閥芯採用YG8硬質合金製造，增強了耐衝蝕能力，使節流閥使用壽命大幅度提高。閥杆和連接螺栓採用12Crl3，保證了節流閥易損件長期使用的強度和穩定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的結構示意圖
[0018]圖2為本發明的閥芯的結構示意圖
[0019]圖3為本發明的連接螺栓的結構示意圖
[0020]圖4為本發明流量係數與開度關係圖
[0021 ] 圖中，1-閥杆，2-閥芯，3-連接螺栓，4-彈簧墊圈，5-凸柱，6-軸向內孔，7-徑向內孔，8-凹槽，9-連接孔，10-軸向通孔，11-工具孔。
【具體實施方式】[0022]下面結合附圖對本發明做進一步的描述，本發明的保護範圍不局限於以下所述:
[0023]如圖1所示，一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，它包括閥芯2、閥杆I和連接螺栓3，閥杆I的下端面上設有一個凸柱5，如圖1、圖2所示，閥芯2的上端面上設有與凸柱5相配合的凹槽8，凸柱5的下端面上設有軸向內孔6，且軸向內孔6沿閥杆I軸向延伸至閥杆I內部，閥杆I的上部設置有沿徑向延伸的徑向內孔7，徑向內孔7連通軸向內孔6與閥杆I外部，軸向內孔6的底部設置有內螺紋，凹槽8的底面上設置有連接孔9，閥芯2通過凹槽8套裝於閥杆I底部的凸柱5上，連接螺栓3穿過連接孔9後通過螺紋與軸向內孔6連接，連接螺栓3將閥芯2壓緊於閥杆I上，如圖3所示，連接螺栓的中心設置有軸向通孔10，軸向通孔10連通軸向內孔6與閥芯2的端面外部的空間，在使用中，軸向通孔10、軸向內孔6、徑向內孔7三者依次連通，從而連接閥杆I外部和內腔，將流體引入閥蓋內腔，平衡閥芯2兩端的壓差，減少操作閥杆I所需的轉矩。本實施例中，軸向內孔6底部設置有的內螺紋型號為M8X1，螺紋長度為10~15mm，連接螺栓3的材質為12Crl3，螺紋型號為M8X1，螺紋長度20mm。
[0024]所述的凸柱5為沿從上到下的方向直徑逐漸減小的錐臺型；所述的凹槽8為與凸柱5相配合的、直徑沿從上到下的方向直徑逐漸減小的錐臺型槽。
[0025]所述的凸柱5的錐形面的錐度為8~15°，優選為10°，凹槽8的錐形面與凸柱5的錐形面相配合，因而錐度保持一致，凹槽8的錐形面的錐度也為8~15°，優選為10°。上述錐度閥芯2和閥杆I由於凸柱5和凹槽8的錐度保持良好的同軸度。
[0026]所述的連接螺栓3與閥芯2之間設置有彈簧墊圈4。閥芯2套裝在閥杆I上後，需通過連接螺栓3和彈簧墊圈4將閥芯2壓緊在閥杆I上，被螺栓壓緊的彈簧墊圈4可提供預緊力，防止螺栓鬆動，保證閥芯2穩固地安裝在閥杆I上，連接螺栓3和彈簧墊圈4保證閥芯2和閥杆I裝配穩固。閥芯2的下端面上設置有容置彈簧墊圈4和連接螺栓3頭部的沉孔。連接螺栓3頭部的下端`面設有工具孔11，可用內六角扳手方便地拆卸螺栓並更換閥芯2。
[0027]所述的閥芯2的材質為YG8合金，大幅度提高了鑽井工況下的耐衝蝕能力和工作壽命，閥杆I的材質為12Crl3，降低了製造成本。


0 2685D + X
[0028]所述的閥芯2的形面輪廓方程為y = ^11 Qn7 ，其中X為閥芯2行程，



丄丄.0yI
Omm X ^ 30mm ；D為節流閥通徑,mm。所述的形面輪廓為閥芯2於中心剖面形成的輪廓線，即被過軸心線的平面所截得的輪廓線。由於本發明的閥芯2存在形面輪廓方程，故閥芯2型面可根據輪廓方程進行數控加工或精密模具製造。本實施例中D=50mm，閥芯2輪廓線的軸向總長度為30mm，在此6mm~24mm行程中節流閥流量係數與開度呈線性變化，如圖4所
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[0029]本發明的閥芯2與閥杆I採用錐度對中和螺栓連接，操作方便，連接穩固，可降低維修成本。閥芯2形面輪廓設計使節流閥流量係數隨開度呈線性變化關係，大幅度提高控壓鑽井控制系統的調節精度和穩定性。閥杆I上設有的軸向內孔6和徑向內孔7以及連接螺栓3上的軸向通孔10將流體引入閥蓋內腔，使閥芯2兩端的液體壓力平衡，降低了執行機構操作閥芯2時所需的轉矩。可更換的閥芯2採用YG8硬質合金製造，增強了耐衝蝕能力，使節流閥使用壽命大幅度提高，閥杆I和連接螺栓3採用12Crl3，既保證了節流閥易損件長期使用的強度和穩定性，同時又降低了成本。
【權利要求】
1.一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，其特徵在於:它包括閥芯(2)、閥杆(1)和連接螺栓(3)，閥杆(1)的下端面上設有一個凸柱(5)，閥芯(2)的上端面上設有與凸柱(5)相配合的凹槽(8)，凸柱(5)的下端面上設有軸向內孔(6)，且軸向內孔(6)沿閥杆(1)軸向延伸至閥杆(1)內部，閥杆(1)的上部設置有沿徑向延伸的徑向內孔(7)，徑向內孔(7)連通軸向內孔(6)與閥杆(1)外部，軸向內孔(6)的底部設置有內螺紋，凹槽(8)的底面上設置有連接孔(9)，閥芯(2)通過凹槽(8)套裝於閥杆(1)底部的凸柱(5)上，連接螺栓(3)穿過連接孔(9)後通過螺紋與軸向內孔(6)連接，連接螺栓(3)將閥芯(2)壓緊於閥杆(1)上，連接螺栓的中心設置有軸向通孔(10)，軸向通孔(10)連通軸向內孔(6)與閥芯(2)的端面外部的空間。
2.根據權利要求1所述的一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，其特徵在於:所述的凸柱(5)為沿從上到下的方向直徑逐漸減小的錐臺型；所述的凹槽(8)為與凸柱(5)相配合的、直徑沿從上到下的方向直徑逐漸減小的錐臺型槽。
3.根據權利要求2所述的一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，其特徵在於:所述的凸柱(5)的錐形面的錐度為8~15°，凹槽(8)的錐形面的錐度也為8 ~15°。
4.根據權利要求1所述的一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，其特徵在於:所述的連接螺栓(3)與閥芯(2)之間設置有彈簧墊圈(4)，閥芯(2)的下端面上設置有容置彈簧墊圈(4 )和連接螺栓(3 )頭部的沉孔。
5.根據權利要求1所述的一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，其特徵在於:所述的連接螺栓(3)頭部的下端面設有工具孔(11)。
6.根據權利要求1所述的一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，其特徵在於:所述的閥芯(2)的材質為YG8合金，閥杆(1)和連接螺栓(3)的材質為12Crl3。
7.根據權利要求1所述的一種流量係數隨開度線性變化的控壓鑽井節流閥筒形閥針，其特徵在於:所述的閥芯(2)的形面輪廓方程為
【文檔編號】F16K1/34GK103759028SQ201410030141
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】王國榮, 陶思宇, 朱顥, 楚飛 申請人:西南石油大學