方钻杆旋塞阀密封设计探讨

钻柱内防喷系统方钻杆旋塞阀的密封设计研究王长江;陈浩;刘然【期刊名称】《液压气动与密封》【年(卷),期】2013(033)006【摘要】方钻杆旋塞阀因其优越性能被各大油田用于钻井钻柱内防喷系统,其中密封性能是方钻杆旋塞阀的主要指标之一.经现场调研分析研究得知.密封失效尤其是阀球与阀座间的主密封失效是困扰方钻杆旋塞阀使用寿命的主要因素,密封件材料性能及密封比压直接影响着方钻杆旋塞阀的密封效果.现有方钻杆旋塞阀密封方面的研究成果均是围绕如何设计与改进密封结构而进行的,缺乏对方钻杆旋塞阀密封条件的深入分析及密封所需比压的正确选择与计算,继而难以更清楚地认识方钻杆旋塞阀的密封失效.阐述方钻杆旋塞阀的密封结构及密封机理.简要说明密封件材料的合理选择及强化处理措施,通过阀球与阀座的受力模型分析、依据旋塞阀密封条件及密封必需比压,着重研究主密封的设计.结果表明,课题组对方钻杆旋塞阀主密封的改进设计与所选材料满足最大工作压力的要求,且由工作压力产生的比压足以保证主密封的密封性能,为方钻杆旋塞阀密封设计的进一步完善提供可行的理论依据.【总页数】4页(P70-73)【作者】王长江;陈浩;刘然【作者单位】中国石油天然气管道科学研究院,河北廊坊065000;西南石油大学机电工程学院,四川成都610500;中国石油天然气管道科学研究院,河北廊坊065000【正文语种】中文【中图分类】TB42【相关文献】1.安全钻井钻柱内防喷系统止回阀工作机理及失效分析 [J], 陈浩;王长江;吴震;裴延波;苏莹莹2.方钻杆旋塞阀密封设计 [J], 张继升;董斌;李悦钦;任晓彬3.钻柱内防喷系统研究方向探讨 [J], 陈浩;宋周成;王晓萍;李悦钦;张继升4.钻柱内防喷系统 [J], 张建诺5.钻井用内防喷压差自密封式旋塞阀结构改进 [J], 任连城;李帅;袁力;王蓉蓉;冯子刚;曾繁荣因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

方钻杆旋塞阀维修工艺的研究作者：史辉崔海龙王军汪晶晶袁丹丹来源：《科学与技术》 2019年第1期摘要：方钻杆旋塞阀是钻井过程中必不可少的内防喷工具之一。

由于方钻杆旋塞阀的使用频率较高再加之工作环境恶劣，使用保养不及时或不当操作等诸多因素的影响，所以损坏较为普遍。

对于损坏的旋塞阀如能及时的进行修复，则是节约挖潜的一个重要手段，同时也是为企业创效的一个基本途径。

本文介绍了方钻杆旋塞阀结构、工作原理及主要失效原因，在此基础上制订了一套切实可行的修理工艺方和研制了一套方钻杆旋塞阀专用维修工具，从而提高修理效率和保证修理质量。

此外本文还给出了方钻杆旋塞阀日常维护管理建议。

关键词：方钻杆旋塞阀；失效原因；修理工艺；旋塞阀专用维修工具。

随着油田高压油气田的开发，油气井压力不断增大，易发生溢流或井涌等安全事故。

方钻杆旋塞阀是必不可少的内防喷工具，它在发生溢流或井涌时能有效防止地层流体沿钻柱水眼向上喷出。

同时，方钻杆旋塞阀在钻井作业中，水龙带、高压管汇损坏时，可关闭该装置，进行更换或修复。

由于方钻杆旋塞阀的使用频率较高再加之工作环境恶劣，使用保养不及时或不当操作等诸多因素的影响，所以损坏较为普遍，损坏数量也比较大。

对于损坏的旋塞阀如能及时的进行修复，则是节约挖潜的一个重要手段，同时也是为企业创效的一个基本途径。

然而，方钻杆旋塞阀一经损坏，在修复起来很不容易，特别是在球阀及阀座的取出上非常困难。

为此，研究方钻杆旋塞阀维修工艺和研制方钻杆旋塞阀专用维修工具非常重要。

1、方钻杆旋塞阀结构和工作原理方钻杆旋塞阀是钻柱循环系统中的手动控制阀，是防止井喷的有效工具之一。

方钻杆旋塞阀分为上部方钻杆旋塞阀和下部方钻杆旋塞阀两种，上部方钻杆旋塞阀用于水龙头下端和方钻杆上端之间，下部方钻杆旋塞阀用于方钻杆下端和钻杆上端或方钻杆保护接头的上端之间。

用专用扳手按指示要求转动操作键90度即可实现开关。

在钻井作业中，为避免井喷恶性事故的发生，均应在方钻杆上、下两端组接方钻杆旋塞阀。

浅析方钻杆旋塞阀失效原因分析及对策摘要：本文通过分析方钻杆旋塞阀失效的形式和原因,确定了方钻杆旋塞阀的薄弱环节，进一步分析出方钻杆旋塞阀的主要失效形式为旋钮无法转动、旋塞本体产生裂纹和旋钮孔处泥浆溢出以及密封失效。

并提出了相应的改进措施,对预防和减少方钻杆旋塞阀使用中存在的问题和优化旋塞阀结构设计有一定的参考价值。

主题词方钻杆旋塞阀失效分析对策方钻杆旋塞阀简称“旋塞”，是一种重要的钻具内防喷工具，安装在方钻杆上端的称方钻杆上旋塞，安装在方钻杆下端的称方钻杆下旋塞。

用专用的扳手转动阀芯，实现旋塞阀的打开和关闭，平时为常开，当发生溢流或井喷时，关闭方钻杆旋塞阀，截断钻具内通道，达到钻具内防喷的目的；当水龙带、高压管汇损坏时，关闭该装置，即可进行安全更换。

我们井控车间在检验旋塞时频繁发生阀芯与阀座之间密封失效，阀座刺坏；阀芯长期不活动，阀座密封面锈蚀严重，旋钮不能转动，无法实现旋塞的开关动作，开关耍圈等等多种失效形式。

为此，我们针对旋塞的失效进行分析统计通过研究提出解决方案，为新型旋塞的研制提供一定的理论参考。

1构造及工作原理方钻杆旋塞阀由以下几个部分组成：本体、孔卡、卡环、挡圈、上阀座、密封件、挡环、定位环、旋钮、拨块、球阀、下阀座、叠簧和密封件等组成（图1）。

旋塞内部结构实物图旋塞通过专用扳手扭动旋钮，带动拨块，使球阀发生转动，以实现开关状态的转变。

球阀是一个带通孔的阀，在其通孔与旋塞阀水眼一致时，其为开位。

当再旋转90°，其通孔与水眼垂直，堵塞水眼，封闭其水眼。

2现场主要失效形式在油田生产中旋塞阀的主要失效形式如下：（1）旋钮开关力矩过大，旋钮内六方孔磨损，无法传递足够的开关力矩；（2）旋钮锈蚀或旋钮固死，导致旋钮开关力矩过大或旋钮无法转动（3）泥浆颗粒较大，旋塞阀开关不到位（4）使用时间较长，旋塞本体产生裂纹或旋钮左右两侧有裂纹(5) 阀芯加工工艺差，球芯刺坏(6)旋钮孔密封圈损坏，旋钮密封失效泥浆溢出(7) 阀体膨胀变形(8) 阀芯不能活动(9)阀座抗腐蚀度差阀座点蚀或阀座刺坏(10 )十字拨块材料强度低十字拨块变形(11)旋钮和拨块配合公差大旋钮与壳体配合紧(12)维护保养不及时，泥浆进入阀体间隙固化，从而卡死旋塞(13)叠簧弹性不够下阀座到位不及时（14）旋钮、扳手配合公差大导致内六方孔磨损（15）阀座密封圈损坏（16）旋塞处于半开或半闭状态，阀芯被井内高压流体刺坏。

专利名称：具有稳定密封能力的新型方钻杆旋塞阀专利类型：实用新型专利
发明人：贺阳,葛惠祥
申请号：CN201520596312.3
申请日：20150810
公开号：CN204828751U
公开日：
20151202
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了具有稳定密封能力的新型方钻杆旋塞阀，它包括上阀座总成、下阀座总成、开关轴总成、阀芯总成和阀体（1），上阀座总成，下阀座总成和阀芯总成均位于阀体（1）的内腔内，且上阀座总成位于阀芯总成上方，下阀芯总成位于阀芯总成下方，所述的阀芯总成包括阀芯（2）、左支架（3）、右支架（4）和销轴（5），所述的开关轴总成包括开关轴（6）和平面滚针轴承（7）。

本实用新型的有益效果是：通过间隙设计，使阀芯在旋塞阀工作是处于浮动状态，可以自动调整与阀座之间的相对位置，而且阀体使用寿命长，整个旋塞阀工装可靠、装配简单。

申请人：成都保瑞特钻头有限公司
地址：611130 四川省成都市温江区成都海峡两岸科技产业开发园兴新路123号
国籍：CN
代理机构：成都金英专利代理事务所(普通合伙)
代理人：袁英
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单位代码： 10615 西南石油大学硕士学位论文论文题目：方钻杆旋塞阀主密封技术研究研究生姓名：李静导师姓名：陈浩（副教授）学科专业：机械设计及理论研究方向：现代设计方法2007年4月西南石油大学2007届硕士学位论文摘要方钻杆旋塞阀是钻机循环系统中的重要控制部件之一，常在紧急情况下启闭，故主密封面的转矩大小是旋塞阀可靠工作的重要指标。

本文通过密封与摩擦机理的分析，推导出摩擦转矩理论计算公式，证明了球体与上阀座接触面上的摩擦力矩仅与摩擦系数μ和密封比压p有关。

在工作环境与结构尺寸确定的情况下，合理选择材料与表面处理方案是降低摩擦转矩的主要手段。

在高压与腐蚀性介质环境下工作的旋塞阀主密封面磨损严重，主要有粘着磨损、磨粒磨损与腐蚀磨损三种类型。

要提高元件耐磨性能，主要措施为采用抗H2S腐蚀材料并进行表面强化处理。

利用Ansys对关闭状态下的旋塞阀密封面进行有限元分析研究其应力分布规律，得出如下结论：应力最大值出现在经过阀座通道轴线的球体通道轴线垂面两侧15˚附近密封面外缘处的小区域，远离此区域应力迅速下降。

将Ansys分析结果与理论计算结果对比后发现，将传统的球阀比压计算公式应用于高压硬密封的旋塞阀所得结果误差较大，有限元分析技术在旋塞阀主密封中的应用有待于进一步发展。

关键词：方钻杆旋塞阀，高压球阀，主密封，密封比压，接触分析AbstractKelly cock is one of the important control portions in drilling circulatory system. It often opens and closes in emergency cases, so friction torque of the primary seal surface is an important index for the kelly cock to be reliable. the friction torque theoretical calculation formula is inferred by seal and friction analyzing, and it’s proven that the friction torque on the contact surface between ball and upper seat is only concerns to frictional coefficient μand sealing specific pressure p. In the actual conditions and structural size, suitable material and surface treatment are the main method to reduce the friction torquethe.In the high pressure and the corrosive fluid environment, the primary seal surface of kelly cock is frayed seriously, which includes adhesive wear, abrasive wear and corrosive wear. To enhance wear-resisting, the main method is by using the anti- H2S corrosion material and strengthen surface anti corrosive.By using Ansys to do the finite element analysis for stress distribution rule for the kelly cock primary seal surface in cut-off state, it obtains the following conclusion: The stress maximum value appears around a small area near the seal surface outskirt at about 15˚antiheros of the spheroid channel axis vertical which contains the seat channel axis, and the stress value drops rapidly when departs from this area. Comparing the Ansys analysis result with the theoretical calculation result, it illustrates that the application of traditional ball valve sealing specific pressure formula to the high-pressure metal hard seal kelly cock obtained result with big error, so the application of the finite element analysis technology to the kelly cock primary seal should be developed further.Key word: Kelly cock, High-pressure ball valve, Primary seal, sealing specific pressure, Contact analysis西南石油大学2007届硕士学位论文目录摘要 (1)Abstract (3)目录 (4)引言 (1)第1章 方钻杆旋塞阀 (2)1.1 方钻杆旋塞阀的结构 (2)1.2 方钻杆旋塞阀的密封原理 (4)1.3 方钻杆旋塞阀的工作环境 (5)1.4 国内外研究现状 (7)第2章 方钻杆旋塞阀的密封机理与计算 (8)2.1 阀门启闭件的密封机理 (8)2.2 影响密封的各种因素 (10)2.3 金属硬密封与软密封的比较 (12)2.4 浮动式球阀的密封比压 (13)2.4.1 必需比压及计算 (15)2.4.2 许用比压及选择 (16)2.4.3 设计比压及计算 (18)第3章 主密封面摩擦与操作转矩 (20)3.1 方钻杆旋塞阀的操作转矩 (20)3.2 主密封面的摩擦 (21)3.2.1 摩擦的机理 (21)3.2.2 影响摩擦的因素 (23)3.2.3 操作转矩的计算 (24)3.3 主密封面的磨损 (27)3.3.1 主密封面磨损状况 (27)3.3.2 接触面的粘着磨损 (27)3.3.3 接触面的磨粒磨损 (28)第4章 密封件材料的选择与表面强化处理 (30)4.1 密封件材料基本要求 (30)4.2 腐蚀磨损 (31)4.2.1 主密封面腐蚀状况 (31)4.2.2 腐蚀磨损机理 (32)4.2.3 腐蚀的影响因素 (32)4.2.4 硫化氢腐蚀的预防措施 (34)4.3 材料选择 (36)4.3.1 阀门常用密封件材料 (36)4.3.2 元素对钢性能的影响 (37)4.3.3 旋塞阀常用密封材料 (38)4.4 表面处理 (40)4.4.1 电镀技术 (40)4.2.2 激光表面强化 (41)4.2.3 堆焊技术 (41)第5章 密封面的有限元分析 (43)5.1 接触问题的基本理论 (43)5.1.1 Hertz理论 (44)5.1.2 协调接触与非协调接触 (44)5.2 有限元仿真技术 (47)5.2.1 有限元的基本思想 (48)5.2.2 有限元的求解过程 (48)5.3 Ansys接触单元分析法 (49)5.3.1 Ansys简介 (49)5.3.2 Ansys一般分析步骤 (50)5.3.3 Ansys接触分析 (50)5.4 旋塞阀主密封面的有限元分析 (53)5.4.1 建模与网格划分 (53)5.4.2 加载 (55)5.4.3 结果分析 (56)5.5 主密封改进方案探讨 (58)5.5.1采用软硬结合密封方式 (58)5.5.2 密封面宽度的优化设计 (59)第6章 结论与展望 (60)6.1 所做工作 (60)6.2 结论 (60)6.3 展望 (60)参考文献 (62)致谢 (64)附录1 攻读硕士学位期间发表论文 (65)引言方钻杆旋塞阀是钻机循环系统中的重要控制部件之一。

旋塞阀密封原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊旋塞阀密封原理这档子事儿。

你看啊，旋塞阀就像是一个神奇的小卫士，它的密封原理就如同给管道加上了一层严实的保护罩。

想象一下，管道里的流体就像是一群调皮的小孩子，总想着到处乱跑，而旋塞阀呢，就是那个能把这些“小调皮”管得服服帖帖的厉害角色。

旋塞阀的密封啊，靠的就是它那巧妙的结构设计。

它的旋塞就像是一把钥匙，能精准地插进阀座这个“锁孔”里，把流体牢牢地锁住，不让它们有丝毫逃窜的机会。

这就好比你家里的门锁，只有钥匙对了，才能严丝合缝地把门关好，对不对？而且啊，旋塞阀的密封还特别靠谱。

它不会轻易地被流体的冲击给打败，就像一个坚强的战士，始终坚守着自己的岗位。

不管流体怎么折腾，它都能稳稳地把它们控制住。

这要是换做一般的阀门，说不定早就被冲得七零八落了呢！旋塞阀密封的稳定性也是没得说。

它就像一个老顽固，一旦决定了要密封，那就是九头牛都拉不回来。

不管是高温还是低温，高压还是低压，它都能保持良好的密封状态。

这多厉害呀！就像咱中国人的精神，坚韧不拔，永不放弃。

你说，这么好的旋塞阀密封原理，咱能不好好了解一下吗？它在我们的生活和工作中可发挥了大作用呢！从家里的水管到工厂的大型管道系统，哪里都有它的身影。

没有它，那流体可就要到处乱蹿啦，那场面，简直不敢想象！所以啊，朋友们，可别小瞧了这小小的旋塞阀密封原理。

它虽然看起来不起眼，但却是保障我们生活和工作正常运转的重要一环。

就像那句话说的：“螺丝虽小，作用巨大！”旋塞阀密封原理不也是这样吗？它看似简单，实则蕴含着无尽的智慧和力量。

总之，旋塞阀密封原理就是这么神奇，这么重要。

让我们一起为这个小小的“密封卫士”点个赞吧！原创不易，请尊重原创，谢谢!。

四川东瑞石油钻具有限公司技术文件修定次/版本：0/A DR/JW-42设计计算书方钻杆下旋塞阀2011年1月12日发布2011年1 月12日实施四川东瑞石油钻具有限公司发布一、概述：方钻杆下旋塞阀是钻井循环系统中的手动控制阀，是防止井喷、井涌的有效工具之一。

方钻杆下旋塞阀分为方钻杆上部和下部旋塞阀，方钻杆上部旋塞阀用于水龙头和方钻杆上端之间，方钻杆下部旋塞阀用于方钻杆下端和钻杆上端之间。

方钻杆旋塞阀操作非常简便，只要用专用扳手按指示要求转动90°即可实现开或关。

二、主要设计参数:方钻杆下旋塞主要设计参数是按照API Spec7-1《旋转钻柱构件规范》的规定1. 方钻杆下旋塞外径:Φ161.9±0.8mm(63/8″±1/32″) 与5 1/4″方钻杆连接2. 方钻杆下旋塞内径:Φ71.4＋1.6mm(213/16″＋1/16″)3. 连接螺纹:NC504.正常工况条件下压力34.5MPa，静水压阀体试验压力68.9Mpa。

钻柱密封件应承受外部压力，1.7 Mpa和最低高压13.8Mpa。

承受上部和井下1.7 Mpa和最高工作压力。

2级阀。

5. 非金属密封件有效温度范围是-10℃~90℃。

6. 非气密封结构。

7. 非抗H2S内件。

8. 阀体的材料最小值应符合钻铤的材料要求。

9. 基本性能要求：在泥浆中反复使用、关闭后能切断钻柱内的泥浆流动、在设计的温度范围和拉伸载荷下能密封。

10. 连接螺纹采用旋转台肩式螺纹连接，并磷化处理。

11. 热处理后机械性能:12.本体螺纹抗扭屈服77.6 kN²m13.本体螺纹屈服强度6320 kN14.最大上提拉力4500KN三、结构设计方钻杆旋塞阀是采用球阀密封，球阀与上、下阀座之间采用双向金属接触密封。

球阀与上、下阀座材料选用合金结构钢调质处理，球阀外表面镀铬处理，上、下阀座外表面镀镍处理；最大限度地防止钻井泥浆的腐蚀和冲刷。

测压式方钻杆旋塞阀的设计作者：刘淑英来源：《科学与财富》2019年第10期摘要：方钻杆旋塞阀作为一种重要的钻具内防喷工具、在钻修井中已成为必备的井控工具。

在钻进作业时，旋塞阀处于开启，一旦发生溢流或者井涌，为了阻止钻井液沿钻具水眼上窜，高压危及水龙带和立管管线安全，就必须立即关闭旋塞阀，以防止井喷。

旋塞阀关闭，下侧承压，上侧没有平衡压力要想打开旋塞阀很困难；同时由于立管通路被阻断，不能进行立管压力的准确测量，影响钻井井控安全。

研制新型测压式方钻杆旋塞阀精确测量钻具内压力，实现压力平衡。

该测压式旋塞阀既可以实现常规旋塞阀功能，还可以进行测压，旋塞阀开启难的问题也可以解决，更好的满足钻井井控要求。

关键词：方钻杆旋塞阀；井控；立管压力；测压。

1、设计背景方钻杆旋塞阀作为一种重要的钻具内防喷工具、在钻修井中已成为必备的井控工具。

方钻杆旋塞阀分为上旋塞和下旋塞，方钻杆上旋塞装在水龙头和方钻杆之间，下旋塞装在方钻杆与钻杆之间，是一种防止钻井液喷溅、改善钻工工作条件、阻止井喷事故发生的钻柱内防喷工具，在工程实践中得到广泛应用。

但是普通方钻杆旋塞阀在有压力条件下操作是非常困难和极易发生问题的。

旋塞阀关闭，下侧承压，上侧没有平衡压力的情况下要想打开旋塞阀很困难。

又由于旋塞阀关闭，立管通路已被阻断，不能进行立管压力的准确测量，势必又会带来如下技术难题：无法通过分析压力变化规律，判断溢流类型、确定压井液密度、制定压井方案；无法根据测量值，利用压力平衡的方法在零压差条件下快速打开旋塞阀。

本文分析了方钻杆旋塞阀的现有结构，提出了方钻杆旋塞阀改进方案。

2、常規方钻杆旋塞阀的结构及特点2.1 结构目前常用的整体式浮动旋塞阀的结构基本相似，主要由阀本体、上下阀座、球体、旋钮、挡圈、弹簧等组成，如图1所示。

阀的本体都采用整体式结构，侧面开有旋钮孔。

2.2 特点旋塞阀阀体通常为整体式结构，与球阀的结构特点相同：（1）启闭迅速方便，只要使用扳手转动球体90°就可快速完成启闭。