一种水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及闸阀力学建模与仿真分析技术领域，具体涉及一种水下平板闸阀摩擦 力负载的建模与分析方法。
【背景技术】
[0002] 随着海洋开发技术的不断发展和完善，深水油气开发已称为世界石油工业的热点 和科技创新的前沿，而水下生产系统已成为一种重要的深水开发模式。水下平板闸阀是水 下生产系统的基础通用部件，同时也是水下井口装置、水下采油树以及水下管汇系统的关 键组成。与传统陆用闸阀不同，水下平板闸阀集成了执行机构，通常采用单作用弹簧回复式 液压缸以实现远程操控，此外还装配有R0V接口以及压力补偿装置等分别用于应急操作和 平衡环境压力，这些对水下平板闸阀的可靠性、超长使用寿命等性能指标提出更高要求。因 此，对水下平板闸阀进行精确的数学建模是其设计和制造的关键前提，也是保证水下平板 闸阀动作可靠性的有效手段。
[0003] 有关水下平板闸阀数学模型研宄的文献资料最早见于上世纪70年代，Fowler和 Herd通过对水下故障安全阀进行静力学分析，以阀座和阀板之间的摩擦力为主要负载力， 总结出一套水下平板闸阀设计方法，包括执行机构所需弹簧回复力、有效作用面积以及控 制压力等。由于当时的水下生产技术工作水深均在100米以浅，且基本为闭式系统，忽略 了R0V操控杆处静水压力以及控制液密度对水下平板闸阀回复动作的影响。因此，该设计 方法并不适用于500米以深水下平板闸阀的设计。随着水下生产系统工作水深的进一步提 高，Ali等人对Fowler-Herd方程进行了修正，在力平衡方程中引入了由阀门工作水深引起 的额外作用力项，并提出了一套"最小弹簧作用力/有效作用面积"设计方法，有效解决了 Fowler-Herd方程在500米以深水下平板闸阀设计中的应用。
[0004] 水下平板闸阀在动作过程中的负载主要由摩擦力负载组成，包括阀板与阀座之间 的摩擦力、以及执行机构各个密封处的密封摩擦力。其中，阀板和阀座处摩擦力数量级远大 于执行机构各密封处摩擦力数量级。因此，由工作介质压力引起的阀板和阀座之间的摩擦 力是水下平板闸阀的主要负载。水下平板闸阀在阀板处采用的是下游金属密封结构，当阀 板上游压力作用在阀板时，通过阀板和阀座、阀座和阀体之间的相互挤压达到密封。参见图 2所示，最常用的静态摩擦负载力模型是直接把阀板上游压力视为水下平板闸阀额定工作 压力，而将下游压力差简化零。
[0005] 上述的静态摩擦力负载模型不能直接应用到动态分析中，其主要存在以下不足：
[0006] (1)忽略了工作水深对水下平板闸阀阀板下游工作压力的影响-由于水下平板闸 阀安装于一定工作水深，原油介质从井口流经闸阀最后汇集于陆上平台，因此需要考虑工 作水深引起的下游背压；
[0007] (2)忽略了阀门开度对水下平板闸阀阀板下游工作压力的影响-阀门开度参数并 没有体现在静态负载力模型中，而实际工作中原油介质流经水下平板闸阀会产生一定的局 部压力损失，因此需要考虑阀门局部压力损失对阀板下游压力的影响，此外，还需要考虑集 输管路中的沿程压力损失。
[0008] 目前，国内对水下平板闸阀的研宄起步较晚，研宄资料相对较少。国外已有在水下 平板闸阀执行机构设计过程中建立水下平板闸阀摩擦力负载模型，不过建模方法都还停留 在静力学设计角度，没有从运动学角度考虑阀板处摩擦力负载随阀门开度的变化情况，以 及水下生产系统实际生产工况对水下平板闸阀负载力的影响。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的提出一种用于水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法，本发明 从水下平板闸阀运动学角度出发，综合考虑阀门开度以及阀门流动阻力系数等参数对摩擦 负载力的影响，引入了水下平板闸阀实际生产工况，本发明还提出了阀板下游沿程阻力和 局部阻力以及工作水深对水下平板闸阀摩擦力负载特性以及阀板下游压力影响的分析方 法，可以分析阀板下游沿程阻力和局部阻力以及工作水深对水下平板闸阀摩擦力负载特性 以及阀板下游压力的影响。
[0010] 本发明提供的水下平板闸阀摩擦力负载模型的建模方法如下：
[0011] 首先对水下平板闸阀实际工况进行假设、建立水下平板闸阀阀板摩擦力负载模 型、定义水下平板闸阀阀门开度，然后分别用方程表示出水下平板闸阀从启动到流体介质 通过和闸门从打开到关闭两个过程的摩擦力负载，然后根据Thorley试验结果建立闸门从 打开到关闭过程中水下平板闸阀局部压力损失方程，并采用Haaland模型建立闸门从打开 到关闭过程中水下平板闸阀阀门下游沿程阻力损失方程，然后建立闸门从打开到关闭过程 中管道内平均流速方程，然后建立闸门从打开到关闭过程中摩擦力负载方程，最后建立水 下平板闸阀从启动到关闭过程中，基于阀门开度的摩擦力负载方程。
[0012] 阀板下游沿程阻力和局部阻力以及工作水深对水下平板闸阀摩擦力负载特性以 及阀板下游压力影响的分析方法的分析步骤为：
[0013] 首先根据上述本发明提供的水下平板闸阀摩擦力负载建模的具体步骤，设置仿真 参数，建立水下平板闸阀摩擦力负载模型，然后，通过本发明建立的水下平板闸阀摩擦力负 载模型，计算不同阀门开度下的阀板下游压力，并与水下平板闸阀经典模型的仿真结果进 行对比，分析下游沿程阻力和局部阻力以及工作水深对阀板下游压力的影响；最后，通过本 发明建立的水下平板闸阀摩擦力负载模型，计算不同阀门开度下的摩擦负载力，并与静态 摩擦负载力进行对比，分析下游沿程阻力和局部阻力以及工作水深对水下平板闸阀摩擦力 负载特性影响。
[0014] 本发明的优点在于：
[0015] (1)本发明所建立的水下平板闸阀摩擦力负载模型中不会出现积分项以及对求导 项，得到的方程易于进行数值计算与仿真；
[0016] (2)基于水下阀门开度所建立的水下平板闸阀摩擦力负载模型及分析方法，结合 实际生产工况，能更好的预测水下平板闸阀的动态特性，结果更精确。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明中水下平板闸阀阀板受力简化示意图。
[0018] 图2是本发明中水下平板闸阀阀门开度示意图。
[0019] 图3是本发明中水下平板闸阀实际工况简化示意图。
[0020] 图4是本发明中水下平板闸阀阀门局部阻力系数。
[0021] 图5是应用经典模型的水下平板闸阀阀板下游压力仿真结果。
[0022] 图6是应用本发明所提供模型的水下平板闸阀阀板下游压力仿真结果。
[0023] 图7是本发明中水下平板闸阀摩擦力负载仿真结果。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0025] 本发明包括水下平板闸阀摩擦力负载建模方法与阀板下游沿程阻力和局部阻力 以及工作水深对水下平板闸阀摩擦力负载特性以及阀板下游压力影响的分析方法两部分 内容。
[0026] 本发明提出的一种水下平板闸阀摩擦力负载建模的具体实施步骤如下：
[0027] 第一步，对水下平板闸阀实际工况进行假设。
[0028] (1)输油管道内流动为不可压缩单相流；
[0029] (2)原油物性参数（如温度、粘度等）保持恒定；
[0030] (3)水下平板闸阀阀板上游压力保持恒定；
[0031]