孟慶榮，屈志明

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

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設(shè)計(jì)計(jì)算

深水鉆井用水上防噴器設(shè)計(jì)

孟慶榮，屈志明

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

水上防噴器(SBOP)系統(tǒng)相對(duì)于水下防噴器系統(tǒng)，具有對(duì)平臺(tái)性能要求低、作業(yè)成本低、檢測(cè)和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。針對(duì)SBOP相對(duì)于陸地防噴器的特殊性，提出了在SBOP設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行法蘭承載能力的評(píng)估，滿(mǎn)足特定平臺(tái)對(duì)拉力、彎矩和內(nèi)壓組合載荷工況的要求；由于海上環(huán)境的特殊性，應(yīng)提高金屬構(gòu)件的耐腐蝕能力；針對(duì)平臺(tái)作業(yè)使用鉆桿的要求，剪切閘板應(yīng)滿(mǎn)足高等級(jí)鉆桿剪切的要求，滿(mǎn)足帶壓剪切和偏離中心鉆桿剪切的要求。

防噴器；組合載荷；預(yù)緊力

SBOP由于使用了套管隔水管，大幅降低了環(huán)境載荷和頂部張力，提高了隔水管接頭的疲勞壽命[6]。

SBOP可配套在固定式鉆井平臺(tái)和浮式鉆井平臺(tái)上。固定式鉆井平臺(tái)包括座底式和自升式，防噴器的配置方式和陸地基本相同；浮式鉆井平臺(tái)包括TLP、SPAR和半潛式等，需配置伸縮節(jié)、隔水管張力器等。

1　水上防噴器系統(tǒng)

SBOP系統(tǒng)如圖1所示。在井口上面安裝有水下脫斷系統(tǒng)(SDS)，在發(fā)生緊急的情況下，快速切斷隔水管與海底井口連接的通道，保證平臺(tái)的安全。該系統(tǒng)有2個(gè)應(yīng)力短節(jié)，其中一個(gè)應(yīng)力短節(jié)安裝在脫斷系統(tǒng)的上端，以減少水下脫斷系統(tǒng)與隔水管之間的剛性連接，避免應(yīng)力集中；另一個(gè)應(yīng)力短節(jié)安裝在隔水管上端，用于減少防噴器與隔水管之間的應(yīng)力集中。應(yīng)力短節(jié)上端連接有張緊環(huán)，張緊器通過(guò)端部接頭與張緊環(huán)連接，將張力施加給隔水管，使隔水管處于拉伸狀態(tài)。在防噴器組和隔水管之間安裝升高短節(jié)，增加張緊器與隔水管之間的距離，減少干涉的幾率。防噴器上端安裝伸縮節(jié)，伸縮節(jié)用于平臺(tái)深沉運(yùn)動(dòng)時(shí)隔水管柱的位移補(bǔ)償，伸縮節(jié)包括內(nèi)外套筒，內(nèi)套筒與隔水管配合，外套筒與分流器或撓性接頭配合，并設(shè)計(jì)有動(dòng)態(tài)密封總成。

1—井口；2—水下脫斷系統(tǒng)；3—應(yīng)力短節(jié)；4—張緊環(huán)；5—水上防噴器組；6—撓性接頭；7—分流器；8—伸縮節(jié)；9—張緊器；10—升高短節(jié)；11—隔水管。

2　SBOP配置

對(duì)于水下防噴器組，以典型的第5代和第6代深水半潛式鉆井平臺(tái)為例，通常采用配置1臺(tái)單閘板、2臺(tái)雙閘板防噴器和2臺(tái)環(huán)形防噴器，型號(hào)為F48-105型防噴器組。在深水地平線事故發(fā)生后，提出了增加水下防噴器剪切閘板的配置要求，以提高安全性，即為3臺(tái)雙閘板防噴器和2臺(tái)環(huán)形防噴器。其中3臺(tái)雙閘板防噴器分別配置1副管子閘板總成，3副變徑閘板總成，1副套管剪切閘板總成和1副帶密封的盲剪切閘板總成。對(duì)于水上防噴器，其配置與陸地防噴器組基本一致，包括1臺(tái)單閘板、1臺(tái)雙閘板和1臺(tái)環(huán)形防噴器，閘板防噴器分別配置1副管子閘板總成，1副盲剪切閘板總成和1副變徑閘板總成，盲剪切閘板總成可同時(shí)替代全封閘板，滿(mǎn)足空井密封的要求。

3　SBOP特殊要求

防噴器是控制井噴事故的關(guān)鍵設(shè)備，其安全性尤為重要，通常要求防噴器承壓件具有較高的承壓能力和安全系數(shù)，耐腐蝕性較好，能夠有效密封井內(nèi)壓力，剪切能力和剪切液控壓力符合鉆井要求，鎖緊裝置安全可靠等。水上防噴器及水下防噴器除了滿(mǎn)足上述要求外，需考慮波浪載荷、洋流載荷、風(fēng)載和海水外壓等的影響。盡管SBOP的載荷與水下防噴器相比由于采用了直徑較小的高壓隔水管和規(guī)格較小的防噴器組，使得作用在防噴器組上的載荷較小，但相對(duì)陸地防噴器來(lái)說(shuō)，其作業(yè)工況較為惡劣。SBOP應(yīng)滿(mǎn)足工作、極限和生存等不同工況下拉力或壓力、彎矩和內(nèi)壓組合載荷條件下作業(yè)的要求。另外，需考慮海洋環(huán)境的特殊性，提高防噴器耐腐蝕能力及剪切能力等。

3.1防噴器法蘭承載能力評(píng)估

從防噴器的整體結(jié)構(gòu)來(lái)看，在拉力、彎矩和內(nèi)壓組合載荷的作用下，易導(dǎo)致防噴器法蘭連接處的鋼圈密封失效，由于法蘭是防噴器最薄弱的部分，在組合載荷的作用下，法蘭部位最先產(chǎn)生強(qiáng)度破壞。對(duì)于鋼圈槽密封失效通?？刹捎?種方式增加密封能力，一是依據(jù)API 17D[7]的規(guī)定，增加法蘭螺栓預(yù)緊力至螺栓連接屈服強(qiáng)度的67%～73%；二是采用大規(guī)格法蘭連接，例如可將FZ35-35型防噴器上下連接的法蘭改為FZ48-70型法蘭；三是可降低防噴器的工作內(nèi)壓。改變法蘭的規(guī)格將使得防噴器組的質(zhì)量增加，不便于系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)；而降低防噴器工作內(nèi)壓，使作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，增加法蘭螺栓預(yù)緊力成為組合載荷下改善法蘭密封能力的首選做法。對(duì)于法蘭承載能力不足，可采用提高防噴器材料等級(jí)或使用大規(guī)格法蘭連接2種方式，即可采用75K或85K材料；而增大法蘭規(guī)格的方式通常不予采納。

以SBOP通常使用的FZ35-35型防噴器為例，根據(jù)API 6AF2[8]的計(jì)算方法，進(jìn)行法蘭在組合載荷下的能力評(píng)估。該法蘭鋼圈為BX160，法蘭本體材料選用了非API標(biāo)準(zhǔn)材料，設(shè)計(jì)為85K，材料屈服強(qiáng)度為586 MPa；依據(jù)ASTM A193，連接螺栓的屈服強(qiáng)度為720 MPa。在螺栓預(yù)緊力分別為50 %屈服強(qiáng)度(360 MPa)和67 %屈服強(qiáng)度(480 MPa)下，以鋼圈槽滲漏準(zhǔn)則和法蘭應(yīng)力限制準(zhǔn)則進(jìn)行承載能力評(píng)估，如圖2所示。從圖2中可以看出，在拉力較大的情況下，法蘭承受內(nèi)壓的能力已經(jīng)低于防噴器的額定工作壓力，且不具有彎矩的承載能力。當(dāng)增加法蘭螺栓預(yù)緊力至480 MPa后，其法蘭承載能力提高近30%，即使在拉力達(dá)到4 000 kN時(shí)，仍然能夠承受178 kN·m的彎矩，且能夠有效密封35 MPa的額定壓力，SBOP滿(mǎn)足在極端載荷條件下工作的要求。

a　螺栓預(yù)緊力360 MPa(鋼圈槽滲漏準(zhǔn)則)

b　螺栓預(yù)緊力480 MPa(鋼圈槽滲漏準(zhǔn)則)

c　螺栓預(yù)緊力480 MPa(法蘭應(yīng)力限制準(zhǔn)則)

3.2海上環(huán)境影響

SBOP在海上受暴風(fēng)雨、洋流、風(fēng)力、化學(xué)腐蝕等因素的交叉作用，工作環(huán)境較陸地更為惡劣。SBOP位于海上腐蝕區(qū)域中的大氣區(qū)，海洋大氣的濕度大，長(zhǎng)時(shí)間日照，大氣中含鹽粒和鹽霧，使鋼鐵表面易形成水膜，促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕[9]。防噴器承壓件外表面以及裸露在外的零件表面，針對(duì)不同的使用要求，采用適用于防噴器外表面及法蘭螺栓螺母在海洋環(huán)境下的涂層；適用于閘板軸和鎖緊軸表面噴涂技術(shù)和密封區(qū)域合金堆焊技術(shù)。另外，在承壓件的設(shè)計(jì)中，采用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度校核，并保留一定的腐蝕裕量，滿(mǎn)足平臺(tái)壽命周期內(nèi)的使用要求，提高海洋環(huán)境下對(duì)金屬構(gòu)件的腐蝕能力及可靠性。對(duì)由于涂層局部脫落引發(fā)小陽(yáng)極大陰極而加劇表面腐蝕，應(yīng)定期檢查及時(shí)修補(bǔ)。

3.3剪切閘板設(shè)計(jì)

4　結(jié)論

1)通過(guò)陸地防噴器、SBOP和水下防噴器的對(duì)比分析，提出了SBOP在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取必要的措施，保證法蘭在組合載荷下的承載能力；提高防噴器組的防腐蝕性能；剪切閘板應(yīng)滿(mǎn)足帶壓剪切和偏心鉆桿剪切的要求。

2)采用API 6AF2的計(jì)算方法，對(duì)特殊設(shè)計(jì)的FZ35-35型法蘭在不同通徑螺栓預(yù)緊力情況下，進(jìn)行了拉力(壓力)、彎曲和內(nèi)壓組合載荷下的承載能力的評(píng)估，為不同載荷下法蘭密封和強(qiáng)度的有效性提供理論支持，保證在其承載能力范圍內(nèi)作業(yè)，確保作業(yè)安全。

3)提高連接螺栓的預(yù)緊力，可有效提高法蘭的承載能力。

[1]韓垚堃，蘇堪華，王梓航，等.深水水上防噴器鉆井技術(shù)的水下斷開(kāi)系統(tǒng)及應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45(2)：1-5.

[2]蘇堪華，管志川，龍芝輝，等.深水SBOP鉆井技術(shù)及裝備發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油機(jī)械，2010，38(6)：11-13.

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[5]Mason D L，White C L.Surface BOP：Testing and completing deepwater wells drilled with a surface-BOP rig[J].SPE Drilling & Completion，2005(3)：54-61.

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[7]API Spec 17D，Design and operation of subsea production systems-subsea wellhead and tree equipment.Second Edition[S].2011.

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Design of Surface BOP for Offshore Drilling

MENG Qingrong，QU Zhiming

(Rongsheng Manufacture Ltd.of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China)

The SBOP has more advantages than subsea drilling system，including lowering capacity derrick facility，lowering well and field-development costs.It facilitates the testing and maintaining.SBOP has received more and more applications.Some advices for SBOP design are brought forward in this paper.Firsly，flange shall provid the capacity under combination of loading，pressure，tension，and bending moments.Secondly，because of the particularity of sea，corrosion resistent of metal components shall be developed.Finally，for application of pipe in offshore drilling conditions，shear-ram could shear hiher-strength pipe and shall shear pipe under pressure and offset-center pipe.

BOP；load combination；make-up force

1001-3482(2016)10-0022-04

2016-04-21

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“深水防噴器組及其控制系統(tǒng)工程化研制”(2013AA09A220)

孟慶榮(1975-)，女，吉林白城人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)從事井控裝備的研發(fā)工作，E-mail：mengvvv@126.com。

TE951

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.005