一种高压油气井地面流程防冲蚀开关阀的制作方法

1.本发明属于油气生产用开关阀技术领域，具体涉及一种用于高压油气井的地面流程防冲蚀开关阀。


背景技术：

2.地面流程开关阀是油田勘探开发过程中的常用装置，其作用是通过开启开关阀放喷释放井口装置的承载压力，防止井口压力超过额定承压能力而导致井控风险。在放喷过程中，井内流体会携带出压井泥浆或地层砂等固体颗粒对开关阀内造成冲蚀磨损，尤其在高压油气井中因流体速度极高，冲蚀会更加严重，导致开关阀的承载能力下降，严重影响设备使用寿命，增加井控风险甚至引发安全事故。现有技术中，常规开关阀多采用单一阀体，并且常规开关阀固定阀座的密封圈不可调，无法实现流体调压的效果，由于高压油气井试油和生产过程中放喷地面管汇、阀门冲蚀严重，常规开关阀容易出现无法减压、抗冲蚀能力差、易损坏的问题。
3.专利文献cn202901357u公开了一种具有圆弧过渡式防冲蚀密封阀座的球阀。包括驱动机构、阀体、球体和两个结构相同的阀座，驱动机构经阀杆带动装在阀体内的球体转动，流体出入口装有阀座；该阀座为具有圆弧过渡式防冲蚀密封的阀座，阀座外圆柱为阶梯圆环结构，大端与球体接触处为圆弧面，在圆弧面中部有一层环形密封面，阀座内表面设有靠近球体的一端直径小，远离球体的一端直径大的阀座圆弧过渡面，阀座和球体接触处的圆弧面与阀座内表面小端连接处设有一个环形槽，阀座大端外圈开有密封圈卡槽，在阀座的台肩面上的弹簧卡槽内安装有预紧力的弹簧。该专利文献的技术方案具有阀座的基本功能，在阀门开启和闭合过程中，阀座的圆弧过渡结构可起到缩颈的效果，使得通过阀门的介质，不会对球体进口处直接冲刷，减小了球体的冲蚀损伤，从而提高了球阀的使用寿命；另外，由于阀座内表面口径逐渐缩小，使得介质流过阀座时会对阀座起到一个与流动方向相同的冲力，使得阀座与球体之间的预紧力增加，增加了球阀的密封可靠性。但是由于该申请的阀座圆弧过渡结构的缩颈前后尺寸变化小，其缩颈抗冲蚀效果以及密封预紧力增加效果不明显，有待进一步改进。


技术实现要素：

4.本发明旨在针对现有技术中的上述问题，通过研究地面流程开关阀冲蚀原因，提供一种高压油气井地面流程防冲蚀开关阀，解决高压油气井试油和生产的放喷过程中，常规开关阀无法减压、抗冲蚀能力差、易损坏的问题。
5.为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种高压油气井地面流程防冲蚀开关阀，包括开关阀主体和驱动装置，还包括减压阀装置；所述减压阀装置包括减压阀前阀盖、减压阀芯和弹性机构，所述开关阀主体包括主阀体、开关阀阀芯和开关阀后阀盖；所述主阀体的入口端面与减压阀前阀盖的出口端面固定配合形成第一阀体，所述主阀体的出口端面与开关阀后阀盖的入口端面固定配合形成
第二阀体；所述减压阀芯位于第一阀体内，且减压阀芯的前端靠近第一阀体的入口，减压阀芯的后端与弹性机构相连；所述开关阀阀芯位于第二阀体内，所述开关阀阀芯的内部设置有流体通道；所述驱动装置固定安装在第二阀体的上端面，所述驱动装置的下端连接开关阀阀芯且能带动开关阀阀芯转动。
7.进一步地，所述减压阀前阀盖、主阀体和开关阀后阀盖均通过螺栓和螺母固定连接；所述减压阀前阀盖均为半球面结构，所述减压阀芯为半球体结构的半球形减压阀芯，且减压阀芯的球面直径与减压阀前阀盖内球面的直径相同，减压阀芯与减压阀前阀盖入口的内球面贴合；所述主阀体是一个两边为半球面结构、中间为通孔的对称体；所述开关阀阀芯为球状体。
8.进一步地，所述驱动装置包括手轮和阀杆，所述手轮与阀杆采用型面连接，并在阀杆的上端设置有螺纹，通过螺纹和螺母使得手轮紧固在阀杆的上端。
9.更进一步地，所述主阀体与开关阀后阀盖配合的上端面处对称设置有阶梯孔，所述阀杆通过型面连接固定在所述阶梯孔中，且在所述阶梯孔处设置有阀杆密封环；所述阀杆的下端为矩形凸起结构，所述矩形凸起结构插入到开关阀阀芯上端设置的矩形凹槽结构中；所述阀杆的材料经热处理调质硬度为hb200-275。
10.进一步地，所述弹性机构包括弹簧支架和固定在弹簧支架上的减压阀芯支撑弹簧；所述减压阀芯的半球后部设置有减压阀芯支撑弹簧安装孔，所述减压阀芯支撑弹簧的自由端位于所述减压阀芯支撑弹簧安装孔内，所述弹簧支架固定安装在主阀体的入口缩颈位置的环槽内；所述弹簧支架为轮辐结构。
11.进一步地，所述第二阀体内部设置有第一抗冲蚀结构，所述第一抗冲蚀结构为2个环状凸起结构的抗冲蚀环带，2个抗冲蚀环带分别位于开关阀阀芯的流体通道两端，第一个位于所述流体通道前端的主阀体的出口末端扩颈位置，第二个位于开关阀阀芯的流体通道末端。
12.进一步地，所述第一阀体和第二阀体内部设置有第二抗冲蚀结构，所述第二抗冲蚀结构为敷焊在减压阀前阀盖内表面、主阀体内表面、开关阀后阀盖内表面、开关阀阀芯内表面以及减压阀芯外表面的一层硬质合金层。
13.进一步地，所述第二阀体包括第一密封结构，所述第一密封结构包括密封圈环槽、密封圈和密封圈供压流道；在开关阀阀芯和主阀体接触的主阀体的缩颈端面上、开关阀阀芯和开关阀后阀盖接触的开关阀后阀盖的扩颈端面上各设置有1个密封圈环槽，并且沿所述密封圈环槽圆周方向且与密封圈环槽相通均布有3个密封圈供压流道；所述密封圈环槽内放置有密封圈，所述密封圈供压流道从密封圈环槽处延伸导通至第二阀体的流体通道处。
14.更进一步地，所述第二阀体还包括第二密封结构，所述第二密封结构包括密封圈压紧弹簧安装孔和密封圈压紧弹簧；所述密封圈压紧弹簧安装孔为为第二阀体(20)内部两侧的变颈端面上沿密封圈环槽圆周方向且与密封圈环槽相通均布设置的3个水平环槽孔，所述密封圈压紧弹簧安装孔与密封圈供压流道间隔60
°
设置，密封圈压紧弹簧安装孔内放置有密封圈压紧弹簧。
15.进一步地，所述减压阀前阀盖、主阀体和开关阀后阀盖均经过退火处理铸造而成，所述减压阀前阀盖、主阀体和开关阀后阀盖固定连接处均设置有密封垫片。
16.与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：
17.(1)在开关阀的前端增加了减压阀装置，使得流体在进入阀体内部之前先进行流体降压，进而有效地解决了常规使用单一开关阀体的开关阀出现冲蚀严重、阀门过早失效的问题；同时，在开关阀阀芯内部流体通道的两端增加抗冲蚀环带为第一抗冲蚀结构，用于抗击流体中高速通过的颗粒造成的撞击；在流体通过的阀体和阀芯内表面增加了硬质合金夹层作为第二抗冲蚀结构，用于抗击高速高压流体的冲蚀，进一步保证了阀门内表面抵抗冲蚀的能力，因此，本发明的高压油气井地面流程防冲蚀开关阀可以达到减压、抗冲蚀和使用寿命长的目的；
18.(2)当流体中含有的固体颗粒高速通过阀体时，所产生的冲蚀能力非常巨大，在开关阀阀芯与主阀体以及开关阀阀芯与开关阀后阀盖之间，由于加工精度的限制必然存在较大间隙，而固体颗粒的冲蚀会使得这个间隙进一步加大，当间隙过大时开关结构的密封性就无法保证，因此，在流体经过这两处间隙的前端分别加入环状凸起结构抗冲蚀环带(第一抗冲蚀结构)，使得固体颗粒不能直接撞击间隙，从而不会使得间隙扩展加速，在增加抗冲蚀能力的同时，也有效保证了阀体的密封性以及寿命。
19.(3)在第一阀体的减压阀装置中，减压阀装置的弹性机构包括弹簧支架和固定在弹簧支架上的减压阀芯支撑弹簧，所述减压阀芯的半球后部设置有弹簧安装孔，所述减压阀芯支撑弹簧的自由端位于所述弹簧安装孔内，所述弹簧支架固定在主阀体的入口缩颈位置的环槽内，所述弹簧支架为轮辐结构，所述减压阀芯为半球体结构，半球形减压阀芯与减压阀前阀盖内表面均为球面结构且直径相同，不工作时半球形阀芯依靠减压阀芯支撑弹簧与减压阀前阀盖内表面贴合，工作时通过流体产生的压力压迫半球形减压阀芯使得阀芯向后移动与减压阀前阀盖之间产生缝隙，由于缝隙效应提高流体流速从而降低流体对于管道内壁的压力，从而实现流体减压的效果，并且可以根据不同的工作压力环境选择不同刚度系数的减压阀芯支撑弹簧，有效实现减压抗冲蚀的目的；
20.(4)在第二阀体中设置有第一密封结构和第二密封结构，第一密封结构为设置在开关阀阀芯两端的密封圈环槽、密封圈和密封圈供压流道，第二密封结构为对称设置在开关阀阀芯两端的密封圈压紧弹簧安装孔和密封圈压紧弹簧；当流体进入阀体内部后，密封圈的前端面通过密封圈供压流道与带有压力的流体相互接触，密封圈和密封圈压紧弹簧嵌入在主阀体上加工的环槽内，组成球阀的密封结构，保证球阀在频繁转动过程中的密封性能，并通过密封圈压紧弹簧能针对不同的工作压力条件提供不同程度的密封圈压紧力，克服了常规开关阀固定阀座密封圈压紧力不可调的问题，提高了阀座的密封可靠性，从而延长了阀体的使用寿命。
附图说明
21.图1为本发明实施例的横向剖视图；
22.图2为本发明实施例的主阀体的主视图；
23.图3为本发明实施例的主阀体的a-a方向剖视图；
24.图4为本发明实施例的半球形减压阀芯的主视图；
25.图5为本发明实施例的半球形减压阀芯的剖视图；
26.图6为本发明实施例的弹簧支架的主视图；
27.图7为本发明实施例的弹簧支架的b-b方向剖视图；
28.图中：1-减压阀前阀盖，2-半球形减压阀芯，3-螺栓，4-主阀体，5-密封圈供压流道，6-阀杆密封环，7-手轮，8-阀杆，9-开关阀后阀盖，10-硬质合金层，11-抗冲蚀环带，12-密封圈，13-密封圈压紧弹簧，14-开关阀阀芯，15-密封垫片，16-螺母，17-弹簧支架，18-减压阀芯支撑弹簧，19-第一阀体，20-第二阀体。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.结合图1-7所示，一种高压油气井地面流程防冲蚀开关阀，包括减压阀装置、开关阀主体和驱动装置；所述减压阀装置包括减压阀前阀盖1和半球形减压阀芯2(具体参见图4-5)，所述开关阀主体包括主阀体4(具体参见图2-3)、开关阀阀芯14和开关阀后阀盖9，所述驱动装置包括手轮7和阀杆8；所述主阀体4的入口端面与减压阀前阀盖1的出口端面固定配合形成充当减压阀的第一阀体19，所述主阀体4的出口端面与开关阀后阀盖9的入口端面固定配合形成充当开关阀的第二阀体20；所述驱动装置的阀杆8可以带动开关阀阀芯14转动，实现开关功能；所述第一阀体19和第二阀体20的内部设置有抗冲蚀结构(硬质合金层10和抗冲蚀环11)以及密封结构(密封圈供压流道5、密封圈12和密封圈压紧弹簧13)。其具体组成结构、连接方式和工作原理如下：
31.(1)组成结构
32.一种高压油气井地面流程减压防冲蚀开关阀，从整体上来看，如图1所示，主要由减压阀前阀盖1，半球形减压阀芯2(参见图1)，螺栓3，主阀体4(参见图2)，密封圈供压流道5，阀杆密封环6，手轮7，阀杆8，开关阀后阀盖9，硬质合金层10，抗冲蚀环11，密封圈12，密封圈压紧弹簧13，开关阀阀芯14，密封垫片15，螺母16，弹簧支架17(具体参见图6-7)，减压阀芯支撑弹簧18组成。
33.(2)组成结构的连接方式
34.所述减压阀前阀盖1与主阀体4以及主阀体4与开关阀后阀盖9通过螺母16和螺栓3连接，分别形成第一阀体19和第二阀体20，其中间连接部位由密封垫片15进行密封，并由减压阀前阀盖1、主阀体4、开关阀后阀盖9的阀体上精加工的凸缘进行定位，从而保证阀体的密封性能以及安装定位准确性；减压阀前阀盖1、主阀体4、开关阀后阀盖9三个较大的零件由铸件铸造而成，并进行了退火处理；减压阀前阀盖1内表面、主阀体4内表面、开关阀后阀盖9内表面、开关阀阀芯14内表面以及半球形减压阀芯2外表面敷焊一层硬质合金层10，以增加抗冲蚀的能力。
35.手轮7与阀杆8采用型面连接，并在阀杆8上端加工出螺纹，通过螺母使得手轮7紧固在阀杆8上，手轮7的固定螺母由aisi 1566制成，阀杆7材料的化学成份和机械性能按gb/t1220-200720cr13的规定，并对其材料进行热处理，调质处理硬度为hb200-275，以使得阀杆7的机械性能良好；阀杆8和主阀体5之间由阀杆密封环6定位，以保证第二阀体20的阀体在径向的稳定性并可以起到一定的密封作用，在主阀体4和开关阀后阀盖9上加工的阶梯孔
保证了阀杆8的轴向稳定性，阀杆8下段为矩形凸起结构，开关阀阀芯14上端为矩形凹槽结构，通过转动手轮7带动阀杆8转动，阀杆8带动开关阀阀芯14旋转，可以使得开关阀阀芯14旋转从而实现阀门开关功能。
36.(3)工作原理
37.当通过手轮7打开阀门开关时，高压流体压力作用于半球形减压阀芯2，此时半球形减压阀芯2向后移动使得流体流道打开，此时形成的流道截面积小于管道截面积，流体流速增加使得流体压力变小，实现减压的目的；然后流体流入并填充密封圈供压流道5，此时流体压力作用于密封圈12并起到压紧密封圈12的作用，从而提高密封圈的密封能力；当高速流体中含有的颗粒物通过开关阀阀芯14与主阀体4的配合间隙时，由于抗冲蚀环带11的存在，避免了高速流体中的颗粒物直接撞击配合间隙，从而保证了配合间隙不会因为流体冲蚀而扩大使得密封能力下降。
38.实施例1
39.一种高压油气井地面流程防冲蚀开关阀，包括开关阀主体和驱动装置，还包括减压阀装置；所述减压阀装置包括半球面结构的减压阀前阀盖、半球形减压阀芯2和弹性机构；所述开关阀主体包括主阀体4、开关阀阀芯14和开关阀后阀盖9，所述主阀体4是一个两边为半球面结构、中间为通孔的对称体，所述开关阀阀芯14为球状体；所述主阀体4的入口端面与减压阀前阀盖1的出口端面通过螺栓3和螺母16固定连接配合形成第一阀体19，所述主阀体4的出口端面与开关阀后阀盖9的入口端面通过螺栓3和螺母16固定连接配合形成第二阀体20；所述半球形减压阀芯2位于第一阀体19内，半球形减压阀芯2的球面直径与减压阀前阀盖1内球面直径相同，半球形减压阀芯2的前端与减压阀前阀盖1入口的内球面贴合，半球形减压阀芯2的后端与弹性机构相连；所述开关阀阀芯14位于第二阀体20内，所述开关阀阀芯14的内部设置有流体通道；所述驱动装置固定安装在第二阀体20的上端面，所述驱动装置的下端连接开关阀阀芯14且能带动开关阀阀芯14转动；在开关阀阀芯14和主阀体4接触的主阀体4的缩颈端面上、开关阀阀芯14和开关阀后阀盖9接触的开关阀后阀盖9的扩颈端面上分别设置有1个密封圈环槽，所述密封圈环槽内放置有密封圈12。
40.所述驱动装置包括手轮7和阀杆8，所述手轮7与阀杆8采用型面连接，并在阀杆8的上端设置有螺纹，通过螺纹和螺母使得手轮7紧固在阀杆8的上端；所述主阀体4与开关阀后阀盖9配合的上端面处对称设置有阶梯孔，所述阀杆8通过型面连接固定在所述阶梯孔中，且在所述阶梯孔处设置有阀杆密封环6；所述阀杆8的下端为矩形凸起结构，所述矩形凸起结构插入到开关阀阀芯14上端设置的矩形凹槽结构中；所述阀杆8的材料经热处理调质硬度为hb200-275。
41.所述弹性机构包括弹簧支架17和固定在弹簧支架17上的减压阀芯支撑弹簧18；所述减压阀芯的半球后部设置有减压阀芯支撑弹簧安装孔，所述减压阀芯支撑弹簧18的自由端位于所述减压阀芯支撑弹簧安装孔内，所述弹簧支架17固定在主阀体4的入口缩颈位置的环槽内；所述弹簧支架17为轮辐结构。
42.实施例2
43.本发明的实施例2是在实施例1的基础上做进一步改进，具体是在第二阀体20内部增加了第一密封结构和第二密封结构，所述第一密封结构包括密封圈供压流道5，第二阀体20内部的变颈端面上沿所述密封圈环槽圆周方向且与密封圈环槽相通，均布有3个延伸导
通至第二阀体20流体通道的密封圈供压流道5；所述第二密封结构包括密封圈压紧弹簧安装孔和密封圈压紧弹簧13；所述密封圈压紧弹簧安装孔为第二阀体20内部两侧的变颈端面上沿密封圈环槽圆周方向且与密封圈环槽相通均布设置的3个水平环槽孔，所述密封圈压紧弹簧安装孔与密封圈供压流道5间隔60
°
设置，密封圈压紧弹簧安装孔内放置有密封圈压紧弹簧13。
44.实施例3
45.本发明的实施例3是在实施例2的基础上做进一步改进，具体是在第二阀体20内部增加设置了第一抗冲蚀结构，所述第一抗冲蚀结构为2个环状凸起结构的抗冲蚀环带11，2个抗冲蚀环带11分别位于开关阀阀芯14的流体通道两端，第一个位于所述流体通道前端的主阀体4的出口末端扩颈位置，第二个位于开关阀阀芯14的流体通道末端。
46.实施例4
47.本发明的实施例4是在实施例3的基础上做进一步改进，具体是在所述第一阀体19和第二阀体20内部增加设置有第二抗冲蚀结构，所述第二抗冲蚀结构为敷焊在减压阀前阀盖1内表面、主阀体4内表面、开关阀后阀盖9内表面、开关阀阀芯14内表面以及减压阀芯外表面的一层硬质合金层10。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
49.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。