一种水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法.pdf

本发明公开了一种水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法，本发明综合考虑水下平板闸阀运动特性以及实际生产工况对摩擦力负载的影响，提出一种基于阀门开度的水下平板闸阀摩擦力负载的建模方法，可以分析出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，从而达到模型修正的目的，本发明能更准确地反映阀门运动对负载力的影响以及预测水下平板闸阀的动态特性，从而为高可靠性的水下平板闸阀及执行机构优化设计和制造提供理论依据。

1.  一种水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法，其特征在于：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。

2.  根据权利要求1所述的一种水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法，其特征在于：所述的水下平板闸阀摩擦力负载建模方法包括如下步骤，
第一步，对水下闸板阀实际工况进行假设：
(1)输油管道内流动为不可压缩单相流；
(2)原油物性参数保持恒定；
(3)水下平板闸阀阀板上游压力保持恒定；
(4)忽略水下平板闸阀阀板下游其他设备局部压力损失；
(5)阀门在动作时，阀板和阀座的有效密封面积和摩擦系数保持恒定；
第二步，建立水下平板闸阀阀板摩擦力负载模型；
假设摩擦力负载为f，根据摩擦力方程可得摩擦力负载f公式为：
f＝μ·Δp·A_s＝μA_s(p_up-p_down)       (1)
式中：μ为阀板/阀座间的摩擦系数，Δp为阀板上下游压差，A_s为阀板/阀座的有效密封面积，阀板上游密封面有效直径为D_s，p_up为阀板上游压力，p_down为阀板下游压力；
阀板/阀座的有效密封面积A_s的公式为：
As=π4Ds2---(2)]]>
式中：D_s为阀板上游密封面有效直径；
第三步，水下平板闸阀阀门开度定义；
假设阀板位移为x，阀门开度h(x)定义如下：
h(x)=00≤x<x0x-x0x1-x0x0≤x<x1---(3)]]>
式中：x₀为阀门刚打开时阀板位移，x₁为阀门完全打开时阀板位移；
第四步，水下平板闸阀在阀板位移x从0到x₀过程中的摩擦力负载方程表示；
由于流体介质没有流通，所以可假设水下平板闸阀摩擦力负载为恒定值，阀板上下游压差Δp是阀板上游压力p_up和水下平板闸阀下游压力p_down差值，其中，阀板上游压力p_up可简化为水下平板闸阀额定工作压力p_t，水下平板闸阀下游压力p_down是工作水深引起的背压，与水下平板闸阀上游处与水平面距离h₁、下游陆上平台处与水平面距离h₂和流体介质密度ρ有关。该过程中的摩擦力负载方程如下：
f＝μA_s(p_up-p_down)＝μA_s[p_t-ρg(h₁+h₂)]      (4)
第五步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载方程表示；
假设输油管道内流动为不可压缩单相流，其物性参数保持恒定，水下平板闸阀阀板上游压力为p₁，流经水下平板闸阀阀板上游的平均流速为v₁≈0m/s，水下平板闸阀阀板下游压力为p₂，流经下游陆上平台的平均流速为v，水下平板闸阀局部压力损失为h_ξ，沿程阻力损失为h_L，忽略水下平板闸阀阀板下游其他设备局部压力损失；水下平板闸阀在动作时，阀板和阀座的有 效密封面积和摩擦系数保持恒定，建立水下平板闸阀上游处和下游陆上平台处的伯努利方程：
p1ρg+v122g+h1=p2ρg+v22g+h2+hξ+hL---(5)]]>
第六步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载模型中，水下平板闸阀局部压力损失h_ξ方程表示；
水下平板闸阀局部压力损失h_ξ是与水下平板闸阀局部阻力系数ξ和下游平均流速v有关，其中，水下平板闸阀局部阻力系数为ξ与阀门开度h(x)有关，采用Thorley试验结果，ξ(x)方程如下：
ξ(x)=5106.1473[h(x)]1.9735660≤h(x)<3030.82205e-0.053809h(x)30≤h(x)≤100---(6)]]>
hξ(x)=ξ(x)v2(x)2g---(7)]]>
第七步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载模型中，水下平板闸阀沿程阻力损失为h_L方程表示；
水下平板闸阀沿程阻力损失为h_L是与水下平板闸阀沿程阻力系数λ、下游平均流速v、油管有效长度L和油管水力直径D有关，其中，水下平板闸阀沿程阻力系数λ与油管粗糙度ε和油管内介质流动雷诺数为Re有关，采用Haaland模型，可得沿程阻力系数λ方程如下：
1λ=-1.8log[(&epsiv;/D3.7)1.11+6.9Re]---(8)]]>
hL=λLDv2(x)2g---(9)]]>
第八步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载模型中， 管道内平均流速为v(x)表示；
假设水下平板闸阀阀板上游压力p₁为水下平板闸阀额定工作压力p_t，将水下平板闸阀沿程阻力损失h_L方程(9)和水下平板闸阀局部压力损失h_ξ方程(7)带入伯努利方程方程(5)中可得：
p1-p2=ρv2(x)2+ρg(h1+h2)+ξ(x)ρv2(x)2+λLDρv2(x)2=pt-ρg(h1+h2)---(10)]]>
化简方程(10)可得管道内平均流速为v(x)方程(11)：
v(x)=2pt-4ρg(h1+h2)ρ[1+ξ(x)+λLD]---(11)]]>
第九步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载模型中，水下平板闸阀摩擦力负载f(x)方程表示；
水下平板闸阀阀板下游压力p₂主要是由水下平板闸阀的工作水深和局部压力损失决定，公式见方程(12)所示，将水下平板闸阀局部压力损失h_ξ方程(6)带入方程(12)可得下水下平板闸阀阀板下游压力p_down(x)的表达式，最后带入方程(1)中，得到动摩擦力负载f(x)方程，
p_down(x)＝p₂＝p_t-ρgh_ξ
                                     (12)
pdown(x)=pt-ξ(x)pt-2ρg(h1+h2)1+ξ(x)+λLD---(13)]]>
f(x)=μAsξ(x)pt-2ρg(h1+h2)1+ξ(x)+λLD---(14)]]>
第十步，水下平板闸阀在启动到关闭过程中，基于阀门开度的摩擦力负载f(x)方程表示；
结合方程(4)和方程(14)，可得水下平板闸阀在启动到关闭过程中，基于阀门开度的摩擦力负载表达式：
f(x)=μAs[pt-ρg(h1+h2)]0≤x<x0μAsξ(x)pt-2ρg(h1+h2)1+ξ(x)+λLDx0≤x≤x1---(15)]]>
式中：f为摩擦力负载，μ为阀板/阀座间的摩擦系数，A_s为阀板/阀座的有效密封面积，p_t为水下平板闸阀额定工作压力，ρ为流体介质密度，h₁为水下平板闸阀上游处与水平面距离，h₂为下游陆上平台处与水平面距离，ξ为局部阻力系数，λ为沿程阻力系数，L为油管有效长度，D为油管水力直径，x为阀板位移，x₀为阀门刚打开时阀板位移，x₁为阀门完全打开时阀板位移。

3.  根据权利要求1或2所述的一种水下平板闸阀摩擦力负载的建模与分析方法，其特征在于：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，第一步，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；第二步，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；第三步，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的影响。

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
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
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ROV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。
有关水下平板闸阀数学模型研究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ROV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。
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。
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：
(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；
(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。
目前，国内对水下平板闸阀的研究起步较晚，研究资料相对较少。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
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。
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：
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。
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：
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。
本发明的优点在于：
(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；
(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
图1是本发明中水下平板闸阀阀板受力简化示意图。
图2是本发明中水下平板闸阀阀门开度示意图。
图3是本发明中水下平板闸阀实际工况简化示意图。
图4是本发明中水下平板闸阀阀门局部阻力系数。
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。
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。
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
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
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。
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：
第一步，对水下平板闸阀实际工况进行假设。
(1)输油管道内流动为不可压缩单相流；
(2)原油物性参数(如温度、粘度等)保持恒定；
(3)水下平板闸阀阀板上游压力保持恒定；
(4)忽略水下平板闸阀阀板下游其他设备(如分离器等)局部压力损失；
(5)阀门在动作时，阀板和阀座的有效密封面积和摩擦系数保持恒定。
第二步，建立水下平板闸阀阀板摩擦力负载模型。
水下平板闸阀阀板与阀座间的摩擦力f是与阀板/阀座间的摩擦系数μ、阀板上下游压差Δp和阀板/阀座的有效密封面积A_s有关，其中，阀板/阀座的有效密封面积A_s是由阀板上游密封面有效直径D_s决定，如图1所示，阀板上下游压差Δp是阀板上游压力p_up和阀板下游压力p_down差值，摩擦力负载f方程如下：
f＝μ·Δp·A_s＝μA_s(p_up-p_down)  (1)
As=π4Ds2---(2)]]>
第三步，水下平板闸阀阀门开度定义。
如图2所示为水下平板闸阀阀门开度示意图，阀板位移为x，阀门刚打开时阀板位移为x₀，阀门完全打开时阀板位移为x₁，阴影部分表示已通流面积，阀门开度h(x)定义如下：
h(x)=00≤x<x0x-x0x1-x0x0≤x<x1---(3)]]>
第四步，水下平板闸阀在阀板位移x从0到x₀过程中的摩擦力负载方程表示。
水下平板闸阀在阀板位移x从0到x₀过程中，水下平板闸阀摩擦力负载可视为恒定值，阀板上下游压差Δp是阀板上游压力p_up和水下平板闸阀下游压力p_down差值。其中，阀板上游压力p_up可简化为水下平板闸阀额定工作压力p_t，水下平板闸阀下游压力p_down是工作水深引起的背压，与水下平板闸阀上游处与水平面距离h₁、下游陆上平台处与水平面距离h₂和流体介质密度ρ有关。该过程中的摩擦力负载方程如下：
f＝μA_s(p_up-p_down)＝μA_s[p_t-ρg(h₁+h₂)]  (4)
第五步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载方程表示。
如图3所示，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中，按照动摩擦力负载模型计算，根据水下平板闸阀的实际工况，假设输油管道内流动为不可压缩单相流，其物性参数如温度、粘度等保持恒定；水下平板闸阀阀板上游压力为p₁，流经水下平板闸阀阀板上游的平均流速为v₁≈0m/s，水下平板闸阀阀板下游压力为p₂，流经下游陆上平台的平均流速为v，水下平板闸阀局部压力损失为h_ξ，沿程阻力损失为h_L，忽略水下平板闸阀阀板下游其他设备如分离器等局部压力损失；水下平板闸阀在动作时，阀板和阀座的有效密封面积和摩擦系数保持恒定。建立水下平板闸阀上游处和下游陆上平台处的伯努利方程如下：
p1ρg+v122g+h1=p2ρg+v22g+h2+hξ+hL---(5)]]>
第六步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载模型中，水下平板闸阀局部压力损失h_ξ方程表示。
上述的动摩擦力负载模型中，水下平板闸阀局部压力损失h_ξ是与水下平板闸阀局部阻力系数ξ和下游平均流速v有关，其中，水下平板闸阀局部阻力系数为ξ与阀门开度h(x)有关，如图4所示，采用Thorley试验结果，ξ(x)方程如下：
ξ(x)=5106.1473[h(x)]1.9735660≤h(x)<3030.82205e-0.053809h(x)30≤h(x)≤100---(6)]]>
hξ(x)=ξ(x)v2(x)2g---(7)]]>
第七步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载模型中，水下平板闸阀沿程阻力损失为h_L方程表示。
上述的动摩擦力负载模型中，水下平板闸阀沿程阻力损失为h_L是与水下平板闸阀沿程阻力系数λ、下游平均流速v、油管有效长度L和油管水力直径D有关，其中，水下平板闸阀沿程阻力系数λ与油管粗糙度ε和油管内介质流动雷诺数为Re有关，采用Haaland模型，可得沿程阻力系数λ方程如下：
1λ=-1.8log[(&epsiv;/D3.7)1.11+6.9Re]---(8)]]>
hL=λLDv2(x)2g---(9)]]>
第八步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载模型中，管道内平均流速为v(x)表示。
上述的动摩擦力负载模型中，水下平板闸阀阀板上游压力p₁可简化为水下平板闸阀额定工作压力p_t，将方程(7)和(9)带入方程(5)中，可得：
p1-p2=ρv2(x)2+ρg(h1+h2)+ξ(x)ρv2(x)2+λLDρv2(x)2=pt-ρg(h1+h2)---(10)]]>
上述的动摩擦力负载模型中，公式(10)可得管道内平均流速v(x)方程为：
v(x)=2pt-4ρg(h1+h2)ρ[1+ξ(x)+λLD]---(11)]]>
第九步，水下平板闸阀在阀板位移x从x₀到x₁过程中的摩擦力负载模型中，水下平板闸阀摩擦力负载f(x)方程表示。
上述的动摩擦力负载模型中，水下平板闸阀阀板下游压力p₂主要是由水下平板闸阀的工作水深和局部压力损失决定。因此，该过程中的水下平板闸阀阀板下游压力p₂方程如下：
p_down(x)＝p₂＝p_t-ρgh_ξ
                              (12)
上述的动摩擦力负载模型中，将方程(9)和(11)带入方程(12)可得水下平板闸阀阀板下游压力p_down(x)方程如下：
pdown(x)=pt-ξ(x)pt-2ρg(h1+h2)1+ξ(x)+λLD---(13)]]>
上述的动摩擦力负载模型中，将方程(13)带入方程(1)可得水下平板闸阀摩擦力负载f(x)方程如下：
f(x)=μAsξ(x)pt-2ρg(h1+h2)1+ξ(x)+λLD---(14)]]>
第十步，水下平板闸阀在启动到关闭过程中，基于阀门开度的摩擦力负载f(x)方程表示；
结合方程(4)和方程(14)，可得水下平板闸阀在启动到关闭过程中，基于阀门开度的摩擦力负载：
f(x)=μAs[pt-ρg(h1+h2)]0≤x<x0μAsξ(x)pt-2ρg(h1+h2)1+ξ(x)+λLDx0≤x≤x1---(15)]]>
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：
第一步，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；第二步，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；第三步，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。
实施例一：
对于图1所示的水下平板闸阀，根据上述本发明提供的摩擦力负载建模的具体步骤，建立一个10000psi、5-1/8英寸的水下平板闸阀摩擦力负载模型，该阀的具体参数如下表：
表1 仿真参数设置