□ 紀(jì)蘇丹 □ 錢(qián)東良 □ 劉永升 □ 羅 旭

西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 成都 610500

1 概述

隨著鉆井技術(shù)的日益發(fā)展，井控工作越來(lái)越得到重視，方鉆桿旋塞閥作為井控必備工具，得到普遍應(yīng)用。方鉆桿旋塞閥是一種防止溢流和井噴的有效工具，用于保護(hù)水龍帶不受地層高壓的破壞，避免嚴(yán)重的井噴事故發(fā)生，同時(shí)起到節(jié)約鉆井液、保持鉆臺(tái)清潔、減少環(huán)境污染的作用。它也是改善工作條件，實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)和發(fā)生井噴時(shí)應(yīng)急使用的一種輔助鉆井裝置。方鉆桿旋塞閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，使用較可靠。

方鉆桿旋塞閥是一種球閥，分為上部方鉆桿旋塞閥和下部方鉆桿旋塞閥兩種，兩端有與鉆柱相連接的螺紋。上旋塞閥裝在水龍頭和方鉆桿之間，下旋塞閥裝在方鉆桿與鉆桿之間，它們是防止鉆井液噴濺、改善工作條件、實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)和發(fā)生井噴時(shí)應(yīng)急使用的一種輔助鉆井裝置［1］。上旋塞閥位于方鉆桿上部，下部為下旋塞閥。上旋塞閥為左旋螺紋，下旋塞閥為右旋螺紋。在鉆井作業(yè)時(shí)，旋塞閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，一旦發(fā)生溢流或者井涌，為了阻止鉆井液沿鉆具水眼上竄，危及水龍帶和立管管線安全，就必須立即關(guān)閉旋塞閥，以防止井噴。在井控作業(yè)中，水龍帶、高壓管匯損壞時(shí)，關(guān)閉該裝置，即可進(jìn)行安全更換。當(dāng)需要進(jìn)行高密度鉆井液循環(huán)壓井時(shí)，又必須立即開(kāi)啟旋塞閥。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)方鉆桿旋塞閥研究報(bào)道的資料非常少,而它在確保鉆井安全運(yùn)行方面起著非常重要的作用,其本身性能的好壞將直接影響旋塞閥功能的正常發(fā)揮。旋塞閥閥體的加工工序一般為：下料、粗車、熱處理、無(wú)損探傷、精車、精車錐管螺紋、磷化、裝配、試壓、噴漆、包裝［2］，可以簡(jiǎn)單總結(jié)為前期加工、試壓和包裝出廠3個(gè)部分。而試壓是旋塞閥投入使用前檢驗(yàn)其是否合格的關(guān)鍵工序，因此開(kāi)展旋塞閥試壓裝置結(jié)構(gòu)的研究具有十分重要的意義。在對(duì)旋塞閥進(jìn)行試壓時(shí)，一般利用與閥體錐螺紋相匹配的限位接頭實(shí)現(xiàn)密封，然后向閥內(nèi)注水打壓。當(dāng)檢測(cè)不同直徑大小的旋塞閥時(shí)，需要切換不同的螺紋接頭尺寸，工作比較繁瑣，且容易導(dǎo)致螺紋的磨損、滑扣、疲勞破壞甚至失效，嚴(yán)重影響試壓螺紋連接的安全可靠性和緊密性。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種適用于不同直徑尺寸且非螺紋連接的旋塞閥試壓裝置，檢測(cè)不同直徑的旋塞閥時(shí)，只需要調(diào)節(jié)升降機(jī)構(gòu)的高低即可。

2 旋塞閥的壓力試驗(yàn)

旋塞閥的壓力試驗(yàn)主要是對(duì)閥體外殼進(jìn)行試壓，以檢驗(yàn)閥體致密性及整個(gè)殼體的耐壓能力。根據(jù)API旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備規(guī)范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，必須對(duì)方鉆桿閥殼體在適當(dāng)?shù)墓S液壓試驗(yàn)壓力下進(jìn)行試驗(yàn)［3］。如果不經(jīng)試壓直接安裝，不僅會(huì)發(fā)生泄漏，還會(huì)存在井噴等安全隱患，給生產(chǎn)和人身安全造成巨大損失。旋塞閥試壓前需進(jìn)行外觀檢查，各項(xiàng)指標(biāo)須符合相關(guān)要求，在此基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)旋塞閥逐個(gè)進(jìn)行壓力試驗(yàn)和密封試驗(yàn)。試壓時(shí)首先封閉閥門(mén)兩端，啟閉件處于微開(kāi)啟狀態(tài)，再給腔體充滿試驗(yàn)介質(zhì)，這種介質(zhì)可以是液體也可以是氣體，液體包括水（可以加入防銹劑）、煤油或黏度不大于水的其它適宜液體，氣體包括空氣或其它適宜的氣體。用液體作試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)排除閥門(mén)腔體內(nèi)的氣體。用氣體作試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采用安全防護(hù)措施［4］。然后給閥體逐漸加壓到試驗(yàn)壓力，壓力要逐漸增高，不允許急劇、突然地增壓。最后關(guān)閉啟閉件，釋放閥門(mén)一端壓力，閥門(mén)另一端也按同樣方法加壓。按保壓時(shí)間要求保持試驗(yàn)壓力，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持壓力，承壓壁及閥體沒(méi)有可見(jiàn)滲漏，殼體不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，則可判斷試驗(yàn)合格。

3 試壓裝置的結(jié)構(gòu)研究

▲圖1 試壓裝置結(jié)構(gòu)圖

該試壓裝置主要由底板1、左擋板2、升降機(jī)構(gòu)3、密封墊片4、右檔板5、旋塞閥6和驅(qū)動(dòng)右擋板運(yùn)動(dòng)的液壓系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。左擋板和底座固定成一個(gè)整體，底板固定在地面上，左側(cè)設(shè)有加強(qiáng)筋支撐。底板設(shè)有滑動(dòng)導(dǎo)軌，與右擋板的導(dǎo)軌槽構(gòu)成移動(dòng)副。右擋板在液壓力的驅(qū)動(dòng)下，沿著底板導(dǎo)軌可實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng)，底板的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)既滿足了移動(dòng)擋板按固定軌跡移動(dòng)的要求，又避免了試壓后閥內(nèi)的水流出，在槽內(nèi)形成淤積，導(dǎo)致銹蝕等嚴(yán)重影響移動(dòng)擋板運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。在左右擋板的一定高度上設(shè)有通孔，以方便試壓時(shí)注水，在通孔處配置密封墊片，密封墊片與通孔是同軸關(guān)系。主要結(jié)構(gòu)尺寸：高度為850 mm(左擋板的高度包括底板高度)，寬度為300 mm，厚度40 mm，通孔的定位高度為640 mm。在實(shí)際應(yīng)用中，為了滿足不同尺寸的旋塞閥能夠用同一個(gè)裝置進(jìn)行試壓，需要對(duì)旋塞閥的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以該裝置的升降機(jī)構(gòu)顯得尤為重要。升降機(jī)構(gòu)主要由V型鐵和絲杠組成，通過(guò)調(diào)節(jié)絲杠可以實(shí)現(xiàn)高度的調(diào)節(jié)，以滿足不同直徑的旋塞閥試壓。左擋板的設(shè)計(jì)為通孔結(jié)構(gòu)，以便將橡膠墊固定在擋板上，右擋板的左半部分做成螺紋孔，以便和試壓接頭相連接。為了保證試壓時(shí)的密封性，在左右擋板上分別安裝聚四氟乙烯材料的密封墊片。

4 利用有限元軟件分析試壓裝置

利用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，主要包括建立有限元模型、施加載荷和邊界條件進(jìn)行求解、進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)和分析三個(gè)步驟［5］。本文主要對(duì)試壓裝置的左擋板和底板的固連件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可以通過(guò)Pro/E軟件建立結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS中，導(dǎo)入模型之前必須注意單位的轉(zhuǎn)換，也可以直接在ANSYS中建立有限元模型，將由Pro/E完成的實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為IGS格式導(dǎo)入有限元軟件中。為遵守有限元建模使用最簡(jiǎn)單的模型和單元這一準(zhǔn)則，建模時(shí)將試壓的通孔省略。

4.1 單元類型和材料屬性

在對(duì)三維有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分前必須確定單元的類型、實(shí)常數(shù)和材料等，由于裝置結(jié)構(gòu)比較規(guī)則簡(jiǎn)單，選用Solid186單元即可滿足計(jì)算精度要求，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28。

4.2 加載邊界條件

與地面固定的底板底面采用全約束，左擋板左邊加強(qiáng)筋的接觸點(diǎn)采用全約束，作用于墊片密封面上的載荷為35 MPa。

4.3 有限元網(wǎng)格劃分

采用自由網(wǎng)格（Free）劃分方法對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行劃分，為了獲得較好的計(jì)算精度，本研究采用精度較高的空間四面體十節(jié)點(diǎn)單元，網(wǎng)格密度控制采用智能（Smart）單元尺寸控制方式，尺寸級(jí)別設(shè)置為 6。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，得到旋塞閥試壓裝置左擋板的有限元網(wǎng)格模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為 4 042，單元數(shù)1 927。

4.4 求解和結(jié)果分析

利用ANSYS求解器對(duì)其進(jìn)行求解，分析得出試壓裝置的Von Mises應(yīng)力分布云圖如圖2所示。在密封墊片和左側(cè)支撐的中間位置，Mises應(yīng)力最大。由于結(jié)構(gòu)尺寸較大，所以在墊片受力時(shí)如果沒(méi)有擋板左側(cè)的支撐，則最大應(yīng)力應(yīng)該發(fā)生在擋板和底板的連接處。由有限元分析結(jié)果可知，該裝置在試壓過(guò)程中滿足強(qiáng)度要求。

▲圖2 Von Mises應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)論

在了解旋塞閥試壓的相關(guān)要求和規(guī)定后，設(shè)計(jì)了方鉆桿旋塞閥試壓裝置，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，得到了主要結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生的位置。該試壓裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，能夠在額定壓力下保證其連接的密封可靠性，成本低，適用于不同直徑的旋塞閥。由于旋塞閥在防噴中的重要性，開(kāi)展旋塞閥試壓裝置的分析研究，對(duì)提高旋塞閥的可靠性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ 陳浩,宋周成,王曉萍,等.方鉆桿旋塞閥的失效分析［J］.天然氣工業(yè),2007（12）.

［2］ 郭曉陽(yáng).對(duì)哈上部和下部方鉆桿閥及其它鉆柱安全閥加工出口［J］.民營(yíng)科技,2009（4）.

［3］ 蘭州石油機(jī)械研究所礦機(jī)情報(bào)組譯.API旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備規(guī)范［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械,1975［Z1］.

［4］ 李德禹.工業(yè)用閥門(mén)的壓力試驗(yàn)ISO/DIS 5208.2-1981［J］.化工與通用機(jī)械,1982（3）.

［5］ 張朝暉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.