一种石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀的制作方法

1.本发明涉及石油钻探及开采高压泵测试用超高压阀门技术领域，具体涉及一种石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀。


背景技术：

2.油田钻探及开采用高压泵在生产过程中需进行带压测试，测试过程中需用到超高压节流阀作为流体控制设备，对高压泵输出的压力、流量进行控制；随着石油开采深度的增加，现有油田钻探及开采用高压泵的输出压力已高达140mpa，现有高压节流阀在如此高的流体压力下单独使用时，流体流经高压节流阀的速度极高，因此对高压节流阀的冲蚀问题异常严重，导致高压节流阀及其出口连接管路的使用寿面非常短，仅能使用2-3个月就需更换，而高压节流阀的成本高昂，因此极大影响了油田钻探及开采高压泵的测试成本；另外现有高压节流阀的阀芯结构多采用单端导向支撑，在超高压工况下容易产生流体的冲击振动，造成设备无法正常工作；还有高压节流阀的振动会导致阀芯断裂，断裂的阀芯瞬间堵塞节流通道，对高压泵及测试设备产生巨大冲击破坏，极易导致发生安全事故。
3.为解决上述问题，在油田钻探及开采高压泵测试过程中，有同时使用若干个高压节流阀串联工作的方式，通过若干个串联的高压节流阀来分担以往单个高压节流阀独立承担的节流压力，从而降低通过高压节流阀的流体速度，延长高压节流阀的使用寿命及降低工作中的振动；但此种方式也存在若干问题：一、若干个高压节流阀串联工作其成本极高；二、进行流体压力和流量调节时，需对若干个高压节流阀同步调整，但每个高压节流阀的工作特性存在不一致问题，因此其实际调节控制异常困难，导致高压泵工作特性测试结果不准确；三、由于使用高压节流阀数量多，其整体工作可靠性较差，容易发生设备事故；四、若干个串联的高压节流阀仍然存在阀芯断裂风险。
4.由于上述问题的存在，对现有油田钻探及开采高压泵测试工作带来了极大的困扰，因此如何解决上述问题，已经成为油田钻探及开采高压泵测试用超高压流体控制用节流阀领域迫切需要解决的重大技术难题。


技术实现要素：

5.为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀，采用叠置设计的若干阀座与阀芯，构成多级串联设置的缝隙节流锥环、回流腔结构，来逐级降低流经节流阀的压力，相应的降低了流经节流阀的流体速度，改善了节流阀的冲蚀问题，使得节流阀的使用寿命得以延长；阀芯组件采用两端支撑导向的结构设计，极大增加了阀芯组件的刚性，因此也极大提高了节流阀的抗振性能；缝隙节流锥环出液口侧直径大于进液口侧直径的结构设计，使得阀芯发生断裂时，也不会堵塞节流通道，相反会使节流通道的间隙达到最大，因此不会对高压泵和测试设备产生冲击破坏，确保了设备运行的安全性；当阀芯组件向下运动时，缝隙节流锥环间隙变大、回流腔容积保持不变的结构设计，保证了节流阀的线性流量特性和大的通流能力，使节流阀的控制更加方便及准确；本发
明的石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀工作压力可超过140mpa。
6.为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀，包括阀体组件、阀芯组件，阀芯组件滑动设置在阀体组件中；阀体组件中以上下叠置的方式固定设置有若干阀座，阀芯组件上以上下叠置的方式固定设置有若干阀芯，阀座与阀芯配合，构成多级串联设置的缝隙节流锥环、回流腔，缝隙节流锥环用于调节流经高压节流安全阀的流体流量，回流腔使高压流体产生回旋涡流而使其能量衰减，降低高压流体的流速；当超高压流体流经超高压节流安全阀时，经多级串联的缝隙节流锥环及回流腔的节流，其压力及能量逐级降低，因此每级缝隙节流锥环及回流腔所承受的压力极大降低，相应的流经节流阀的流体速度也得到极大降低，使得节流阀的冲蚀问题得到极大改善，使用寿命得以延长；阀芯组件两端支撑导向的结构设计，极大增加了阀芯组件的刚性，因此也极大提高了节流阀的抗振性能；缝隙节流锥环出液口侧直径大于进液口侧直径的结构设计，使得阀芯发生断裂时，也不会堵塞节流通道，相反会使节流通道的间隙达到最大，因此不会对高压泵和测试设备产生冲击破坏，确保了设备运行的安全性；当阀芯组件向下运动时，缝隙节流锥环间隙变大，回流腔容积保持不变，此结构设计特性保证了节流阀的线性流量特性和大的通流能力，使节流阀的控制更加方便及准确，确保了高压泵工作特性测试结果的准确性。
7.进一步的，阀体组件包括阀体、阀盖、上阀套、阀座、出口阀座；阀体中间从上至下依次设有贯穿的上阀套孔、阀体腔、阀座孔、阀体出水孔，阀体腔侧壁设有倾斜的进水口；阀盖固定设置在阀体上端部；上阀套固定设置在上阀套孔中，上阀套上端与阀盖下端抵触；出口阀座固定设置在阀座孔下端面；阀座设置有若干个，以上下叠置的方式固定设置在出口阀座的上端部，最上端的阀座上端与上阀套下端抵触，若干个阀座位于阀座孔中。
8.进一步的，阀芯组件包括阀杆、阀芯、出口阀芯；阀杆为台阶杆状；阀芯设置有若干个，以上下叠置的方式固定设置在阀杆下部；出口阀芯固定设置在最下端阀芯的下部。
9.进一步的，阀座为短圆环状，其中间从上至下依次设有阀座圆锥孔、阀座腔，阀座圆锥孔的下部直径大于上部直径；阀芯为短圆环状，其外圆上部设有阀芯圆锥面，阀芯圆锥面下部设有阀芯环，阀芯圆锥面的下部直径大于上部直径；阀芯圆锥面的回转线长度大于阀座圆锥孔的回转线长度；阀座圆锥孔与阀芯圆锥面配合，形成缝隙节流锥环；阀座腔与阀芯环配合，形成回流腔；超高压节流安全阀工作时，阀芯组件向下运动，缝隙节流锥环间隙变大，由于阀芯圆锥面的回转线长度大于阀座圆锥孔的回转线长度，因此缝隙节流锥环的有效工作长度仅与阀座圆锥孔的回转线长度有关，即缝隙节流锥环间隙变大过程中其有效工作长度保持不变，同时缝隙节流锥环间隙的变化与阀芯组件运动行程为线性关系，最终保证了节流阀的流量调节与阀芯组件运动行程之间的线性关系；另外，当阀芯组件向下运动时，上部阀芯的阀芯圆锥面进入回流腔，下部阀芯的阀芯圆锥面退出回流腔，因此回流腔的总容积不变，从而确保了节流阀始终具有较高通流能力；如果阀杆在上阀套腔处长期受到高压流体冲蚀而发生断裂，此时阀芯及阀杆下半部会受到高压流体作用，自动向下运动，直到阀杆下端台阶面抵触在出口阀座的阀杆避让孔底部时停止运动，此时缝隙节流锥环的间隙达到最大，节流阀处于最大节流流量，避免了现有节流阀阀芯断裂堵塞节流通道的问题，因此不会对高压泵和测试设备产生冲击破坏，确保了设备运行的安全性；阀座圆锥孔和阀芯圆锥面设置的若干径向环槽，在高压流体流过缝隙节流锥环时，若干径向环槽会在缝
隙节流锥环中形成若干微观的涡流而使高压流体的压力好能量产生衰减，从而降低高压流体的流速。
10.进一步的，上阀套中间从上至下依次设有贯通的超高压组合密封孔、阀杆导向带孔、上阀套阀杆孔、上阀套腔，上阀套腔侧壁均布、倾斜设有若干个上阀套腔进水口，上阀套腔进水口的倾斜方向与阀体的进水口倾斜方向相反，上阀套腔通过上阀套腔进水口与阀体腔连通，上阀套腔进水口的倾斜方向与阀体的进水口倾斜方向相反的结构设计，使高压流体进入超高压节流安全阀时，经过一次变向流动过程，通过变向流动降低高压流体对阀杆的直接冲击，减缓阀杆的冲蚀速度，延长阀杆使用寿命；上阀套外圆周上设有若干上阀套密封圈槽；阀体与上阀套之间设置有若干个上阀套密封圈，上阀套密封圈设置在上阀套密封圈槽中；上阀套与阀杆之间设置有超高压组合密封、阀杆导向带，超高压组合密封设置在超高压组合密封孔中，阀杆导向带设置在阀杆导向带孔中，超高压组合密封上部设置有铜压套，超高压组合密封、阀杆导向带与阀杆上部配合，构成阀芯组件的上部支撑导向。
11.进一步的，阀盖中间设有阀盖阀杆孔，阀盖阀杆孔侧壁设有平键槽；阀杆上设置有平键；阀杆穿过阀盖阀杆孔，平键滑动设置在平键槽中；平键用于防止阀芯组件在工作过程中发生转动，另外超高压节流安全阀在工作一段时间后，可以调整旋转阀盖通过平键带动阀杆一起旋转，从而改变高压流体对阀杆的冲蚀位置，避免阀杆的同一位置受到长期冲蚀，从而延长阀杆的使用寿命。
12.进一步的，出口阀座为圆形厚板状，下板面设有锥形凸头，上板面中间设有阀杆避让孔，锥形凸头中间设有阀杆导向孔，阀杆导向孔底部设有贯通的阀杆泄压孔，绕着阀杆导向孔轴线均布设有若干个贯穿的阀座出水孔，阀座出水孔与阀体出水孔连通；阀杆最下端活动设置在阀杆导向孔中，阀杆最下端与阀杆导向孔之间设置有阀杆导向套，阀杆导向套与阀杆下端配合，构成阀芯组件的下部支撑导向；阀芯组件的上部支撑导向、下部支撑导向构成了两端支撑导向的结构，因此极大增加了阀芯组件的刚性，相应也极大提高了节流阀的抗振性能，从而解决了现有节流阀因阀芯振动导致的断裂问题，提高了节流阀的可靠性及使用寿命。
13.进一步的，出口阀芯为短圆环状，其外圆上部设有出口阀芯圆锥面，阀芯圆锥面下部设有出口阀芯面，出口阀芯圆锥面的下部直径大于上部直径；出口阀芯圆锥面的回转线长度大于阀座圆锥孔的回转线长度；阀座圆锥孔与出口阀芯圆锥面配合，形成缝隙节流锥环；阀座腔与出口阀芯面配合，形成出口腔，出口腔通过阀杆避让孔、阀座出水孔与阀体出水孔连通；出口阀芯还设有出口阀芯螺纹孔，出口阀芯螺纹孔的侧壁设有贯穿的防松销孔，出口阀芯通过出口阀芯螺纹孔与阀杆固定连接，通过设置在防松销孔中的防松销防止出口阀芯松动。
14.进一步的，在阀体组件中，阀座与阀体的阀座孔之间设置有若干阀座密封圈；在阀芯组件中，位于最上端的阀芯与阀杆之间设置有若干阀杆密封圈a，最上端阀芯下部的阀芯与阀杆设置有若干阀杆密封圈b，阀芯之间及阀芯与出口阀芯之间设置有若干阀芯密封圈；上述阀体组件及阀芯组件的多重密封圈结构设计，相比现有的节流阀内密封结构设计，极大改善了节流阀的内泄漏问题，从而减小了节流阀内泄漏对流量调节的影响，确保了流量调节的准确性及稳定性。
15.进一步的，阀体的阀体出水孔中固定设置有出水孔衬套，出水孔衬套用于解决超
高压节流安全阀出口流体对阀体出水孔侧壁的冲蚀；出水孔衬套侧壁上设有拆卸孔，当出水孔衬套冲蚀严重时，通过拆卸孔可以对出水孔衬套进行拆卸更换，从而降低超高压节流安全阀的维修成本。
16.由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀，包括阀体组件、阀芯组件，阀芯组件滑动设置在阀体组件中；阀体组件中以上下叠置的方式固定设置有若干阀座，阀芯组件上以上下叠置的方式固定设置有若干阀芯，阀座与阀芯配合，构成多级串联设置的缝隙节流锥环、回流腔，当超高压流体流经超高压节流安全阀时，经多级串联的缝隙节流锥环及回流腔的节流，其压力及能量逐级降低，因此每级缝隙节流锥环及回流腔所承受的压力极大降低，相应的流经节流阀的流体速度也得到极大降低，使得节流阀的冲蚀问题得到极大改善，使用寿命得以延长；阀芯组件两端支撑导向的结构设计，极大增加了阀芯组件的刚性，因此也极大提高了节流阀的抗振性能；缝隙节流锥环出液口侧直径大于进液口侧直径的结构设计，使得阀芯发生断裂时，阀芯也不会堵塞节流通道，相反会使节流通道的间隙达到最大，因此不会对高压泵和测试设备产生冲击破坏，确保了设备运行的安全性；当阀芯组件向下运动时，缝隙节流锥环间隙变大，回流腔容积保持不变，此结构设计特性保证了节流阀的线性流量特性和大的通流能力，使节流阀的控制更加方便及准确；本发明的石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀具有工作压力高、寿命长、抗振性能好、安全可靠、控制方便准确的特点，成功解决了油田钻探及开采高压泵测试用超高压流体控制用节流阀的重大技术难题，本发明的石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀工作压力可超过140mpa。
附图说明
17.图1为石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀结构示意图；图2为阀体组件结构示意图；图3为阀芯组件结构示意图；图4为局部a放大示意图；图5为局部b放大示意图；图6为局部c放大示意图；图7为局部d放大示意图；图8为阀体结构示意图；图9为阀盖结构示意图；图10为上阀套结构示意图；图11为阀座结构示意图；图12为出口阀座结构示意图；图13为出口阀座外观示意图；图14为阀芯结构示意图；图15为出口阀芯结构示意图。
18.图中：1、阀体组件；1.1、阀体；1.1.1、上阀套孔；1.1.2、阀体腔；1.1.3、进水口；1.1.4、阀座孔；1.1.5、阀体出水孔；1.2、阀盖；1.2.1、阀盖阀杆孔；1.2.2、平键槽；1.3、上阀套；1.3.1、上阀套腔；1.3.2、上阀套腔进水口；1.3.3、上阀套阀杆孔；1.3.4、阀杆导向带孔；
1.3.5、超高压组合密封孔；1.3.6、上阀套密封圈槽；1.4、阀座；1.4.1、阀座圆锥孔；1.4.2、阀座腔；1.5、出口阀座；1.5.1、阀杆避让孔；1.5.2、阀杆导向孔；1.5.4、阀杆泄压孔；1.5.5、阀座出水孔；1.6、出水孔衬套；1.7、铜压套；1.8、超高压组合密封；1.9、阀杆导向带；1.10、上阀套密封圈；1.11、阀座密封圈；1.12、阀杆导向套；2、阀芯组件；2.1、阀杆；2.2、阀芯；2.2.1、阀芯圆锥面；2.2.2、阀芯环；2.3、出口阀芯；2.3.1、出口阀芯圆锥面；2.3.2、出口阀芯面；2.3.3、出口阀芯螺纹孔；2.3.5、防松销孔；2.4、防松销；2.5、平键；2.6、阀杆密封圈a；2.7、阀芯密封圈；2.8、阀杆密封圈b；3、节流锥环；4、回流腔；5、出口腔。
具体实施方式
19.通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
20.一种石油钻井高压泵测试用超高压安全节流阀，包括阀体组件1、阀芯组件2；阀体组件1包括阀体1.1、阀盖1.2、上阀套1.3、阀座1.4、出口阀座1.5；阀体1.1中间从上至下依次设有贯穿的上阀套孔1.1.1、阀体腔1.1.2、阀座孔1.1.4、阀体出水孔1.1.5，阀体腔1.1.2侧壁设有倾斜的进水口1.1.3；阀盖1.2固定设置在阀体1.1上端部；上阀套1.3固定设置在上阀套孔1.1.1中，上阀套1.3上端与阀盖1.2下端抵触；出口阀座1.5固定设置在阀座孔1.1.4下端面；阀座1.4设置有五个，以上下叠置的方式固定设置在出口阀座1.5的上端部，最上端的阀座1.4上端与上阀套1.3下端抵触，若干个阀座1.4位于阀座孔1.1.4中；阀芯组件2包括阀杆2.1、阀芯2.2、出口阀芯2.3；阀杆2.1为台阶杆状；阀芯2.2设置有四个，以上下叠置的方式固定设置在阀杆2.1下部；出口阀芯2.3固定设置在最下端阀芯2.2的下部；阀芯组件2滑动设置在阀体组件1中；阀座1.4为短圆环状，其中间从上至下依次设有阀座圆锥孔1.4.1、阀座腔1.4.2，阀座圆锥孔1.4.1的下部直径大于上部直径；阀芯2.2为短圆环状，其外圆上部设有阀芯圆锥面2.2.1，阀芯圆锥面2.2.1下部设有阀芯环2.2.2，阀芯圆锥面2.2.1的下部直径大于上部直径；阀芯圆锥面2.2.1的回转线长度大于阀座圆锥孔1.4.1的回转线长度；阀座圆锥孔1.4.1和阀芯圆锥面2.2.1阵列设有若干径向环槽；阀座圆锥孔1.4.1与阀芯圆锥面2.2.1配合，形成缝隙节流锥环3；阀座腔1.4.2与阀芯环2.2.2配合，形成回流腔4；上阀套1.3中间从上至下依次设有贯通的超高压组合密封孔1.3.5、阀杆导向带孔1.3.4、上阀套阀杆孔1.3.3、上阀套腔1.3.1，上阀套腔1.3.1侧壁均布、倾斜设有若干个上阀套腔进水口1.3.2，上阀套腔进水口1.3.2的倾斜方向与阀体1.1的进水口1.1.3倾斜方向相反，上阀套腔1.3.1通过上阀套腔进水口1.3.2与阀体腔1.1.2连通；上阀套1.3外圆周上设有若干上阀套密封圈槽1.3.6；阀体1.1与上阀套1.3之间设置有若干个上阀套密封圈1.10，上阀套密封圈1.10设置在上阀套密封圈槽1.3.6中；上阀套1.3与阀杆2.1之间设置有超高压组合密封1.8、阀杆导向带1.9，超高压组合密封1.8设置在超高压组合密封孔1.3.5中，阀杆导向带1.9设置在阀杆导向带孔1.3.4中，超高压组合密封1.8上部设置有铜压套1.7；阀盖1.2中间设有阀盖阀杆孔1.2.1，阀盖阀杆孔1.2.1侧壁设有平键槽1.2.2；阀杆2.1上设置有平键2.5；阀杆2.1穿过阀盖阀杆孔1.2.1，平键2.5滑动设置在平键槽1.2.2中；
出口阀座1.5为圆形厚板状，下板面设有锥形凸头，上板面中间设有阀杆避让孔1.5.1，锥形凸头中间设有阀杆导向孔1.5.2，阀杆导向孔1.5.2底部设有贯通的阀杆泄压孔1.5.4，绕着阀杆导向孔1.5.2轴线均布设有若干个贯穿的阀座出水孔1.5.5；阀杆2.1最下端活动设置在阀杆导向孔1.5.2中，阀杆2.1最下端与阀杆导向孔1.5.2之间设置有阀杆导向套1.12；出口阀芯2.3为短圆环状，其外圆上部设有出口阀芯圆锥面2.3.1，阀芯圆锥面2.2.1下部设有出口阀芯面2.3.2，出口阀芯圆锥面2.3.1的下部直径大于上部直径；出口阀芯圆锥面2.3.1的回转线长度大于阀座圆锥孔1.4.1的回转线长度；阀座圆锥孔1.4.1与出口阀芯圆锥面2.3.1配合，形成缝隙节流锥环3；阀座腔1.4.2与出口阀芯面2.3.2配合，形成出口腔5，出口腔5通过阀杆避让孔1.5.1、阀座出水孔1.5.5与阀体出水孔1.1.5连通；出口阀芯2.3还设有出口阀芯螺纹孔2.3.3，出口阀芯螺纹孔2.3.3的侧壁设有贯穿的防松销孔2.3.5，出口阀芯2.3通过出口阀芯螺纹孔2.3.3与阀杆2.1固定连接，通过设置在防松销孔2.3.5中的防松销2.4防止出口阀芯2.3松动；在阀体组件1中，阀座1.4与阀体1.1的阀座孔1.1.4之间设置有阀座密封圈1.11；在阀芯组件2中，位于最上端的阀芯2.2与阀杆2.1之间设置有阀杆密封圈a2.6，最上端阀芯2.2下部的阀芯2.2与阀杆2.1设置有阀杆密封圈b2.8，阀芯2.2之间及阀芯2.2与出口阀芯2.3之间设置有阀芯密封圈2.7；阀体1.1的阀体出水孔1.1.5中固定设置有出水孔衬套1.6。
21.本发明未详述部分为现有技术。