環(huán)形防噴器是石油及天然氣鉆井工程中必備的設(shè)備，它具備有效封閉井口裝置、防止鉆井時井噴以及處理其它復(fù)雜情況等功能。其特點是承壓高、操作方便、安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、開關(guān)迅速，特別適用于密封各種形狀和不同尺寸的管柱，也可全封閉井口。
采用美國Hydril公司的先進(jìn)技術(shù)，公司成功研制了卡塊式錐形防噴器。其包括殼體有限元分析計算、錐形膠芯的研究、卡塊式結(jié)構(gòu)的設(shè)計。該結(jié)構(gòu)與大絲扣式錐形防噴器相比，具有制造容易、拆裝方便等特點;與法蘭連接式錐形防噴器相比，具有省力省時等特點;與球形防噴器相比，具有活塞壽命大大延長、膠心成本低等特點。這不僅非常有利于塔里木油田市場，而且為企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟和社會效益。
設(shè)計巧妙 操作方便
卡塊式錐形膠芯環(huán)形防噴器主要由殼體、頂蓋、膠芯及活塞四大件組成。
殼體結(jié)構(gòu)特點 錐形膠芯環(huán)形防噴器的外殼(殼體與頂蓋)均為合金鋼鑄造成型，并經(jīng)熱處理，制造較易，成本較低。具有以下特點：殼體用合金結(jié)構(gòu)鋼鑄造，熱處理后表面硬度小于HRC22，適合于H2S環(huán)境使用;頂蓋內(nèi)腔頂部與膠芯支承筋頂板相接觸的摩擦面裝有可拆卸的耐磨環(huán)，保護(hù)頂蓋，便于更換;頂蓋上開有活塞行程測檢孔，以測量膠芯壽命;出廠前對殼體進(jìn)行聲發(fā)射試驗，以檢查隱蔽的裂縫及其它缺陷。并按API規(guī)定進(jìn)行水壓強度試驗。
錐形膠芯結(jié)構(gòu)特點 一是膠芯外側(cè)面呈圓錐形，錐面母線與膠芯軸線夾角為200～250。膠芯由12～30塊(成偶數(shù))鑄鋼支承筋與橡膠硫化而成，支承筋沿圓環(huán)呈徑向輻射狀配置，橡膠硫化在支承筋腹板的四周。
二是井壓助封。封井時，活塞在液控壓力推動下向上運動，推擠膠芯，膠芯向心收縮，支承筋相互靠攏，支承筋之間的橡膠被擠向井口，形成初步密封。作用在活塞下端面上的井內(nèi)壓力也推動活塞上行，使膠芯封閉得更緊密，從而提高了膠芯的密封性能。
三是儲膠量大。膠芯各筋板之間的橡膠均可擠向井口形成密封，其膠量比需要封閉的空間容積大得多。因此，它可以封閉不同形狀、不同尺寸的鉆具，也可全封閉井口。由于儲膠量大，如膠芯損壞不嚴(yán)重，仍可密封。
四是壽命可測。環(huán)形防噴器在工作過程中，膠芯不斷磨損，需要靠增加活塞行程，多擠出儲備橡膠來填補，當(dāng)活塞行程達(dá)到最大值(即活塞走到上頂點)，或者膠芯支承筋的上、下兩端分別靠緊時，說明膠芯的儲備橡膠已使用完，即使增大液控壓力，膠芯也不能可靠密封。因此，可以通過測量活塞行程來測量膠芯的壽命。
五是膠芯工作以后逐步收縮，能完全恢復(fù)到原來狀態(tài)，不影響鉆具通過。液控壓力、井內(nèi)壓力越高，封井時間越長，則膠芯完全恢復(fù)原態(tài)所需時間也越長。
六是更換膠芯容易。井內(nèi)無鉆具時，只要打開頂蓋，即可更換。即使在井內(nèi)有鉆具的情況下，也可用切割方法更換膠芯。
殼體與頂蓋的連接 爪塊連接。由爪塊、爪塊螺桿、爪塊支護(hù)螺釘及密封圈等組成，如圖3。每臺各20件，沿環(huán)狀配置。卸頂蓋需分別將20個爪塊螺桿擰出四圈，使爪塊從頂蓋鋸齒槽中退出，即可吊起頂蓋。裝回頂蓋按反程序進(jìn)行，擰緊爪塊螺桿的扭矩只需300～400磅/英尺。
活塞結(jié)構(gòu)特點 活塞上部內(nèi)腔為圓錐形，母線與軸線的夾角為20°～25°，與膠芯背錐面相配。由于錐度較小，封閉所需的活塞軸向上推力也小，但相應(yīng)活塞行程要增加。因此，活塞的這種特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致自身上、下封閉支承部位間距大，扶正性能好，不易卡死、偏磨、拉缸或粘合，增加密封壽命。
采用殼體有限元
分析計算易于制造
殼體有限元分析計算 按照API Spec 16A對承壓件殼體材料的選用要求，選用ZG25CrNiMo制造殼體，調(diào)質(zhì)處理硬度為197～235HB。確定防噴器的公稱通徑為φ346.1mm，額定工作壓力為35MPa后，按照強度和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。為方便防噴器的安裝與拆卸，采用殼體卡塊式結(jié)構(gòu)形式。
錐形防噴器在實際工作中是否滿足強度要求，需要采用有限元法對殼體進(jìn)行力學(xué)分析計算。按照靜水壓試驗條件下的單元數(shù)值及云圖，對殼體按API Spec 16A的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和強度驗算。
在靜水壓試驗壓力載荷狀態(tài)下(52.5MPa)，殼體上端與內(nèi)腔面相貫處應(yīng)力達(dá)到377.2MPa，小于屈服極限517MPa，不會發(fā)生塑性變形。實際上由于該處的密封件以及倒角可避免應(yīng)力集中的方法，此處的應(yīng)力明顯小于計算的單元應(yīng)力。按照ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第2分冊附錄 4[2]-ASME規(guī)范應(yīng)力分類的理論，殼體受內(nèi)壓時，該處有凸曲的趨勢，承受較大的拉應(yīng)力，且結(jié)構(gòu)不連續(xù)，其最大應(yīng)力點的等效應(yīng)力是由一次薄膜應(yīng)力 σm、一次彎曲應(yīng)力σω疊加而成的。而對水壓試驗的容器，試驗應(yīng)力下的強度條件為σm+σω≤1.35σs=697.95MPa。
計算值為σm+σω=377.2MPa<697.95MPa，在靜水壓試驗壓力下，設(shè)計強度符合API規(guī)范。
錐形膠芯的研究 錐形膠芯采用壓鑄成型，因其形狀復(fù)雜，性能要求高。首先要使鐵心精確定位。第二，要使橡膠流動順利，填滿所有空間，形成相互聯(lián)通的密封件整體。第三，計算型腔尺寸和橡膠收縮率。
錐形膠芯封井效果的好壞，在很大程度上取決于錐形膠芯中橡膠儲量的多少。為保證密封可靠，必須具有足夠的儲膠量和較大的儲膠比。但是增大儲膠比，鐵芯尺寸必將相應(yīng)減小，從而影響鐵芯強度和膠芯承載能力。為此要合理設(shè)計儲膠量和鐵芯。
全封井口(封“零”)時，橡膠變形最大，橡膠之間以及橡膠與鐵芯粘結(jié)面之間的撕扯力最大;鐵芯外錐面接觸面積最小，單位面積承受壓力最大，兩鐵芯之間要擠出最多橡膠，使鐵芯連接板兩側(cè)平面承受擠壓力最大。故全封井口時，鐵芯工況最惡劣。
有限元分析表明，鐵芯危險部位在上板塊中部，連接板內(nèi)側(cè)應(yīng)力較小�？稍龃筮B接板外側(cè)厚度和減小連接板內(nèi)側(cè)厚度，適當(dāng)增大上板塊側(cè)面的斜角和各過渡處的圓角半徑。用這些結(jié)論指導(dǎo)設(shè)計，由此增加了鐵芯強度、增大了儲膠量、提高了鐵芯與橡膠的粘結(jié)力。
工藝方案理想 省時省力
一是殼體內(nèi)腔密封面采用金屬粉末為原料，運用超聲波和加熱壓縮空氣為動力進(jìn)行熱噴涂焊的噴焊處理，具有耐磨、耐腐蝕等特點。
二是根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求進(jìn)行了工藝性分析并擬訂了工藝方案。基于數(shù)值模擬技術(shù)對鑄件的熱節(jié)部位、冒口的補縮能力等進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果探明了工藝熱節(jié)和鑄造缺陷產(chǎn)生原因，并通過反復(fù)修改工藝參數(shù)對工藝進(jìn)行了改進(jìn)，得到了較為理想的工藝方案。這對縮短試驗周期，減小同類型產(chǎn)品冒口尺寸，提高工藝出品率，節(jié)省原材料等有著重要的意義。
三是環(huán)型膠芯變形大、彈性性能好、抗撕裂性能高。因此，橡膠硬度和強度是關(guān)鍵，在上述要求和各部位截面尺寸變化大、厚度不均的情況下，選用何種促進(jìn)劑、硫化溫度和時間，以保證膠芯各截面硫化一致，都能達(dá)到正硫化而不過硫或欠硫是硫化工藝的關(guān)鍵。
四是通過對膠芯密封、失效機理的分析，得出膠芯失效是強機械力作用下的膠芯低周疲勞損傷失效的結(jié)論。對今后膠芯結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低機械力造成的破壞，延長膠芯使用壽命有指導(dǎo)意義。
五是頂蓋與殼體之間設(shè)有上、下兩道密封環(huán)，方便在更換膠芯時，油缸不致污染。
按照API Spec 16A推薦標(biāo)準(zhǔn)，對卡塊式錐形膠芯環(huán)形防噴器FH35-35進(jìn)行了整體(殼體及頂蓋)強度、液控油路及油缸強度(打開腔及關(guān)閉腔)、封隔φ127mm(5 英寸)管柱試驗、封零(空井)試驗和通徑試驗，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，主要承壓件無裂紋、密封件無撕裂等現(xiàn)象。
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