V某卡瓦式節(jié)流器的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵部位的計算校核目錄TOC\o"1-3"\h\u31247某卡瓦式節(jié)流器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計案例分析 146791.1工作原理 1159311.2節(jié)流器的裝配 3269401.3各部分機(jī)構(gòu)設(shè)計 4300961.3.1卡定機(jī)構(gòu)的設(shè)計 468471.3.2密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計 513854第2章卡瓦節(jié)流器零件結(jié)構(gòu)設(shè)計 6181552.1芯軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 683772.2中心管的結(jié)構(gòu)設(shè)計 740602.3銷釘?shù)脑O(shè)計 7105572.4活塞的設(shè)計 821355第3章關(guān)鍵部位的計算校核 9127713.1卡瓦與管壁應(yīng)力計算 9326753.2薄壁筒應(yīng)力計算與校核 1067463.3節(jié)流嘴嘴徑計算 12163913.4井下節(jié)流優(yōu)化設(shè)計 13通過查閱大量的文獻(xiàn)與資料后設(shè)計出大管柱卡瓦式節(jié)流器的工作任務(wù)，本章節(jié)著重對其工作原理及各個機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的講解。1.1工作原理井下節(jié)流器的主要工作原理是利用井下節(jié)流工具在油管內(nèi)固定一個節(jié)流嘴，從而實現(xiàn)在井下油管內(nèi)節(jié)流降壓的技術(shù)，這樣就使得氣流在到達(dá)井口之前在井下充分地受到地溫的熱量，使得氣流在節(jié)流后溫度高于節(jié)流后壓力條件下天然氣水合物生成的初始溫度。如圖1.1以及圖1.2所示的長慶某氣井在采用井下節(jié)流前后井下壓力溫度的分布，我們可以看出，在采用井下節(jié)流技術(shù)后，井口到節(jié)流位置之間的壓力明顯較地面節(jié)流更低，從而水合物生成溫度隨之降低，而且在節(jié)流位置處出現(xiàn)了溫度降低，但隨著氣流上升，地溫加熱，節(jié)流后的氣體溫度會逐漸回升至節(jié)流前的溫度。圖1.1井下節(jié)流器與地面節(jié)流器壓力對比圖1.2井下節(jié)流與地面節(jié)流溫度對比本節(jié)流器如圖1.3所示；中心管9，且包括在所述中心管9兩側(cè)分別設(shè)有坐封機(jī)構(gòu)和解封機(jī)構(gòu)。坐封機(jī)構(gòu)包括卡瓦托4、卡瓦5、卡瓦座6、膠筒10?？ㄍ弑凰鎏淄?固定，所述套筒3不被中心管所限制。當(dāng)下放時，下放一段連接到下放頭處，以一個初速度下降，當(dāng)節(jié)流器到達(dá)目標(biāo)位置時，緊提下放端，使中心管連接的整個節(jié)流器瞬間停止運(yùn)動。此時，由于卡瓦機(jī)構(gòu)不被節(jié)流器本體限制，所以仍保有原來的速度下落。卡瓦由于速度關(guān)系順著卡瓦座向兩側(cè)張開，從而與井壁接觸，當(dāng)接觸力達(dá)到一定大小時卡瓦機(jī)構(gòu)不再繼續(xù)下落，此時完成了第一次卡定。此時上提下放頭，所述芯軸7與上所述筒帽2帶動的所述下套管12上提，壓縮所述膠筒10使所述膠筒10受擠壓變形。變形過程中所述膠筒10與井壁緊貼形成密封系統(tǒng)并實現(xiàn)第二次坐封。當(dāng)上提力達(dá)到一定大小后剪切銷釘斷裂，芯軸隨之抽出，完成坐封作業(yè)。解封時下放打撈器，以一定的速度下放到節(jié)流器時，抓進(jìn)所述套筒3的梯形臺階下并鎖定。不斷震擊打撈器使剪切銷釘斷裂使卡瓦松動，不斷上提使卡瓦解封。使卡瓦鉤住鎖環(huán)，繼續(xù)上提，將膠筒緩慢復(fù)原成原來的樣子直至完全解封。此時上提鋼絲繩將整個節(jié)流器提出井口完成解封打撈作業(yè)。圖1.3節(jié)流器示意圖1.下放頭2.上筒帽1.套筒4.卡瓦托5.卡瓦座6.連接塊7.芯軸8.中心套管9.中心管10.膠筒11.下管柱12.下套管11.下座筒14.防塵罩1.2節(jié)流器的裝配本申請的井下節(jié)流器的裝配過程為：將所述套管從下端套在所述提掛管外周面上，再將上筒帽按裝配方向套裝在所述套管中部的外周面上，在所述中心管安裝密封圈并涂好密封脂，將所述中心管穿過所述套管的下端內(nèi)周面與所述提掛管的螺紋相連接并使密封面配合密封；將所述托管的下端(帶鎖扣的一端)從卡瓦托的上端插入并使所述托管的徑向通孔對準(zhǔn)卡瓦托中部的環(huán)狀鎖球凹槽，用密封脂將鎖球限制在卡瓦托的環(huán)狀鎖球凹槽內(nèi)，將卡瓦托、托管和鎖球的組合件從中心管的下端整體套入，調(diào)整好套入位置使卡瓦托上的徑向剪釘螺紋孔對準(zhǔn)所述掛環(huán)上的剪釘環(huán)槽，安裝解封剪釘，將所述掛帽外螺紋與卡瓦托的內(nèi)螺紋相連接；將所述卡瓦、楔形體和密封膠筒依次配套安裝在所述托管的外周面；將所述鎖環(huán)套裝在鎖環(huán)托內(nèi)并將所述鎖環(huán)托放入鎖環(huán)托套的第一托套內(nèi)，將所述膠筒托的內(nèi)螺紋與所述鎖環(huán)托套的外螺紋相連接后的整體套裝在膠所述托管的下端，將所述鎖環(huán)托套的底部的內(nèi)螺紋與所述中心管底部的內(nèi)螺紋相連接，并調(diào)節(jié)位置使所述膠筒托頂部與密封膠筒的低端相抵接，在所述中心管的底部裝入所述氣嘴(氣嘴所述內(nèi)孔的大小根據(jù)氣井的需求可更換調(diào)整)，將所述濾網(wǎng)罩從所述連接帽的頂部穿過并掛在連接帽底部的連接部處，將所述連接帽上端的內(nèi)螺紋與所述環(huán)托套下端的外螺紋相連接并安裝所述調(diào)節(jié)穩(wěn)銷，最后將所述接頭下端插入所述提掛管上端的內(nèi)孔上段301處并安裝所述剪切銷釘從而完成本申請的井下井下節(jié)流器的組裝。1.3各部分機(jī)構(gòu)設(shè)計整體裝配完成后下面進(jìn)行各個部分機(jī)構(gòu)設(shè)計的講解，其中包括井下節(jié)流器的卡定機(jī)構(gòu)和井下節(jié)流器的密封機(jī)構(gòu)。1.3.1卡定機(jī)構(gòu)的設(shè)計本卡瓦式節(jié)流器通過中心管周圍的三個卡瓦所固定，如圖1.4。圖中只標(biāo)出一扇的卡瓦；圖1.4卡瓦示意圖本節(jié)流器設(shè)計了3個卡瓦數(shù)量的節(jié)流器，整個卡瓦的長度為80毫米，共11個牙型角?？ㄍ吲c中心管外管相連，并于楔形快形成了一定的夾角，通過計算算定本節(jié)流器可以完成卡定要求。1.3.2密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計本卡瓦式節(jié)流器的密封機(jī)構(gòu)采用了環(huán)形膠筒，如圖1.5所示；圖1.5密封膠筒示意圖本密封膠筒采用了氫化丁腈的材料制作；氫化丁腈橡膠具有良好耐油\t"/item/%E6%B0%A2%E5%8C%96%E4%B8%81%E8%85%88%E6%A9%A1%E8%83%B6/_blank"性能（對燃料油、潤滑油、芳香系溶劑耐抗性良好）；并且由于其高度飽和的結(jié)構(gòu)，使其具良好的耐熱性能，優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性能（對氟利昂、酸、堿的具有良好的抗耐性），優(yōu)異的耐臭氧性能，較高的抗\t"/item/%E6%B0%A2%E5%8C%96%E4%B8%81%E8%85%88%E6%A9%A1%E8%83%B6/_blank"壓縮永久變形性能；同時氫化丁腈橡膠還具有高強(qiáng)度，高撕裂性能、耐磨性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是綜合性能極為出色的橡膠之一。這也是可以使其作用到高溫高壓的環(huán)境中去，使其在深井環(huán)境中可以正常作業(yè)。本密封機(jī)構(gòu)通過上提芯軸擠壓密封圈使其壓縮擴(kuò)張，密封膠筒與管壁持續(xù)接合至剪切銷釘斷裂，此時節(jié)流器與管道之間形成了一個密封結(jié)構(gòu)，達(dá)成了密封的要求。第2章卡瓦節(jié)流器零件結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)上一章節(jié)所示，對節(jié)流器的總體進(jìn)行了詳細(xì)的解說，本章節(jié)則對節(jié)流器的各個零件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。2.1芯軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計芯軸是本節(jié)流器最中心的零件結(jié)構(gòu)，關(guān)系的坐封與上提的重要環(huán)節(jié)。整體設(shè)計圖如圖2.1所示；圖2.1芯軸示意圖本芯軸總長540mm，其中在中心管經(jīng)內(nèi)456mm，下放頭共84mm。最上端為外螺紋，中間配有放置剪切銷釘?shù)目?。與中心管之間形成間隙配合。2.2中心管的結(jié)構(gòu)設(shè)計中心管是氣體通過的管徑，也是包裹芯軸的重要零件。中心管的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2.2所示；圖2.2中心管示意圖中心管柱總長552mm，其中壁厚9mm，上面的臺階端總長30mm，與上鎖環(huán)形成間隙配合。2.3銷釘?shù)脑O(shè)計根據(jù)本節(jié)流器的放置銷釘?shù)目讖絹砜?，需要?×7、φ2.4活塞的設(shè)計活塞是連接各個管柱的重要零件，而且在井下工作環(huán)境中溫度過高，需要使用良好的材料進(jìn)行設(shè)計。圖2.3活塞示意圖我們采用鋁合金的材料來制作活塞，并且活塞直徑D為14mm，高h(yuǎn)為10mm的標(biāo)注活塞件。本節(jié)流器設(shè)計一共需要活塞件，均裝在下管柱套和中心管與楔形快的連接上。第3章關(guān)鍵部位的計算校核3.1卡瓦與管壁應(yīng)力計算如圖所示，卡瓦節(jié)流器結(jié)構(gòu)在于卡定使的整體受力分析，由平面坐標(biāo)系分析受力分析，可列平衡方程為：Sacosα-Sbcosα=0Sasinα+Sbsinα-p=0Sa、Sb卡瓦對楔形快的力節(jié)流器壓差α錐面角度推導(dǎo)得：Sa=Sb=p/(2sinα)我們假設(shè)α=15°，節(jié)流壓差為25Mpa，則：P=30·(r/2)2Sa=p/(2sin15°)=137KNF=Sa·cosα=132KNF油管對卡瓦的力經(jīng)計算后我們發(fā)現(xiàn)，這種卡定方式會使卡瓦對油管內(nèi)壁產(chǎn)生F=132kN的徑向作用力，可以保證這種大管柱井下節(jié)流器可以在井下完成正常的作業(yè)。3.2薄壁筒應(yīng)力計算與校核由于當(dāng)節(jié)流器工作時氣體在節(jié)流器管筒內(nèi)流通并產(chǎn)生向中心管各個部位的應(yīng)力，那么需要計算中心管壁是否能承受氣體向管壁四周產(chǎn)生的應(yīng)力。經(jīng)檢驗已知筒壁周圍因氣體產(chǎn)生的均勻應(yīng)力為120Mpa。如圖3.1所示，橫與縱截面上均存在正應(yīng)力，對于薄壁圓筒，可認(rèn)為沿壁厚均勻分布?！ぽS向應(yīng)力FR=p·πCσX=圖3.1從設(shè)計已知δ=2.5，所以：σX=120圖3.2·周向應(yīng)力2σσt=所以周向應(yīng)力等于：σt=120圖3.3·徑向應(yīng)力σσδ≤D/20σ圖3.43.3節(jié)流嘴嘴徑計算根據(jù)本節(jié)流器設(shè)計原理，需要根據(jù)需求生產(chǎn)量來設(shè)計節(jié)流嘴的面積大小。氣井的合理嘴徑確定主要根據(jù)氣井合理產(chǎn)量、節(jié)流前壓降、節(jié)流嘴前的上游溫度確定。流體經(jīng)過節(jié)流油嘴時候，會產(chǎn)生較大壓降，當(dāng)節(jié)流后的壓力與節(jié)流前的壓力之比達(dá)到0.55時，即達(dá)到臨界限流動狀態(tài)，此時任何壓力波不會通過節(jié)流油嘴傳遞到節(jié)流嘴前（產(chǎn)層至節(jié)流油嘴），產(chǎn)量不會發(fā)生變化。此時氣井產(chǎn)量只與節(jié)流油嘴直徑有關(guān)，可以通過氣井配產(chǎn)來合理確定節(jié)流油嘴直徑。根據(jù)天然氣流經(jīng)過節(jié)流油嘴的流動規(guī)律，在臨界流動狀態(tài)下，其產(chǎn)量和節(jié)流嘴徑存在如下關(guān)系：對于天然氣單相一維流動k＝1.27~1.3之間，取k＝1.29上式可以簡化為：變化形式可得合理嘴徑計算公式：初步算得d=12mm。3.4井下節(jié)流優(yōu)化設(shè)計常規(guī)井下節(jié)流工藝設(shè)計方法單純針對穩(wěn)定生產(chǎn)情況開展參數(shù)設(shè)計，首先根據(jù)天然氣組分情況預(yù)測穩(wěn)定生產(chǎn)狀況下水合物生成情況，根據(jù)集氣壓力等參數(shù)確定井下節(jié)流氣井的生產(chǎn)條件，對井筒溫度壓力和水合生成情