FZ35-70C快开侧门式闸板液压锁紧防喷器-石油机械

◀钻井技术与装备▶ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器∗

辛小刚１　杨晓刚１ꎬ２　申小娟１　刘远波１ꎬ２　任钢峰１ꎬ２　郭亁坤１ꎬ２　张　鹏１ꎬ２(１.宝鸡石油机械有限责任公司　２􀆰国家油气钻井装备工程技术研究中心)摘要:传统的钻井防喷器侧门和壳体采用多个大螺栓连接ꎬ并且多为手动锁紧闸板ꎬ更换闸板时间长ꎬ自动化程度低ꎬ已不满足现代钻井作业对防喷器的性能要求ꎮ为此ꎬ研制了ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器ꎮ对防喷器的总体方案进行了设计ꎬ对承载件采用接触分析ꎬ在保证强度的基础上ꎬ对其结构进行了优化ꎬ并对其进行了厂内和现场试验ꎮ试验结果表明:该防喷器开关反应灵敏ꎬ动作准确ꎬ完全满足设计要求ꎬ且操作简单ꎬ自动化程度高ꎬ减轻了工人的劳动强度ꎮ该防喷器的研制成功为液压闸板防喷器结构的进一步优化提供了参考ꎮ关键词:防喷器ꎻ侧开门ꎻ液压锁紧ꎻ锁紧销轴ꎻ闸板ꎻ功能试验中图分类号:ＴＥ９２１　文献标识码:Ａ　ｄｏｉ:１０􀆰１６０８２/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－４５７８􀆰２０１７􀆰１１􀆰００５ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＬｏｃｋｉｎｇＲａｍＢＯＰｗｉｔｈＱｕｉｃｋＢｏｎｎｅｔＯｐｅｎｉｎｇＸｉｎＸｉａｏｇａｎｇ１　ＹａｎｇＸｉａｏｇａｎｇ１ꎬ２　ＳｈｅｎＸｉａｏｊｕａｎ１　ＬｉｕＹｕａｎｂｏ１ꎬ２　ＲｅｎＧａｎｇｆｅｎｇ１ꎬ２　ＧｕｏＱｉａｎｋｕｎ１ꎬ２　ＺｈａｎｇＰｅｎｇ１ꎬ２(１.ＣＮＰＣＢａｏｊｉＯｉｌｆｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎻ２.ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＯｉｌａｎｄＧａｓＤｒｉｌｌｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｂｏｎｎｅｔａｎｄｔｈｅｓｈｅｌｌｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇＢＯＰｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｉｔｈａｎｕｍｂｅｒｏｆｌａｒｇｅｂｏｌｔｓꎬａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｄｗｉｔｈｍａｎｕａｌｌｏｃｋｅｄｒａｍꎬｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｔｉｍｅｃｏｎｓｕｍｉｎｇｒａｍｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｌｏｗａｕｔｏｍａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅꎬｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｎｏｌｏｎｇｅｒｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｍｏｄｅｒｎｄｒｉｌｌｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅＢＯＰ.ＩｎｖｉｅｗｏｆｔｈｉｓꎬＭｏｄｅｌＦＺ３５－７０ＣｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏｃｋｉｎｇｒａｍＢＯＰｗｉｔｈｑｕｉｃｋｂｏｎｎｅｔｏｐｅｎｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄ.ＴｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅＢＯＰｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔａｎａｌｙｓｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｌｏａｄｂｅａｒｉｎｇｐａｒｔｓ.Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｓｕｒｉｎｇꎬｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｎｄｔｅｓｔｅｄｉｎｔｈｅｆａｃｔｏｒｙａｎｄｆｉｅｌｄ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＢＯＰｈａｓａｓｅｎｓｉ￣ｔｉｖｅｏｐｅｎａｎｄｃｌｏｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅａｃｔｉｏｎꎬｆｕｌｌｙｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｓｉｍｐｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｈｉｇｈａｕｔｏｍａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅꎬｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｌａｂｏｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｗｏｒｋｅｒｓ.ＴｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅＢＯＰｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｒａｍＢＯＰ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＢＯＰꎻｂｏｎｎｅｔｏｐｅｎꎻｈｙｄｒａｕｌｉｃｌｏｃｋｉｎｇꎻｌｏｃｋｉｎｇｐｉｎꎻｒａｍꎻｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｅｓｔ０　引　言钻井防喷器是钻修井过程中安装在井口上防止井喷事故发生的关键设备ꎮ闸板防喷器是防喷器的一种ꎬ使用时需要关闭和开启闸板、锁紧和解锁闸板等动作ꎬ同时由于钻修井工艺和闸板维护的需要ꎬ需定期打开钻井防喷器侧门来更换闸板和维护[１－２]ꎮ传统的钻井防喷器侧门和壳体采用多个大螺栓连接ꎬ并且多为手动锁紧闸板ꎬ使得防喷器在使用时螺栓拆卸难度大ꎬ更换闸板时间长ꎬ劳动强度大ꎬ自动化程度低ꎬ已不满足现代钻井作业中对防喷器的高可靠性、高效率和低成本等要求ꎬ更不能满足海洋钻井防喷器自动化程度高和低维护的要求[３－８]ꎮ为了满足市场需求ꎬ宝鸡石油机械有限责任公—３２— ２０１７年　第４５卷　第１１期石　油　机　械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ

∗基金项目:宝鸡石油机械有限责任公司项目“２ＦＺ３５－７０快开侧门闸板防喷器研制”(新２０１４－１２)ꎮ该防喷器已获国家专利授权ꎬ专利号:ＺＬ２００９２００３４０６８􀆰６ꎮ司开发了ＦＺ３５－７０Ｃ型双闸板防喷器ꎮ该防喷器为快开侧门式ꎬ且闸板采用液压锁紧ꎬ具有结构新颖、质量轻和自动化程度高等特点ꎮ在设计过程中ꎬ对承载件采用接触分析ꎬ在保证强度的基础上ꎬ使防喷器结构进一步优化ꎬ制造完成后进行了厂内试验ꎬ并通过了专业机构鉴定ꎬ目前在油田应用良好ꎮ１　技术分析１􀆰１　总体方案ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器采用锁紧销轴连接侧门和防喷器本体的结构ꎬ闸板锁紧采用液压锁紧机构ꎬ在防喷器本体上设计了闸板更换装置ꎬ并采用２条油路实现所有动作ꎮ１􀆰２　结构ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器结构如图１所示ꎬ主要由防喷器主壳体、锁紧销轴、侧门、侧门密封、主缸总成、侧门开启液缸、侧门关闭液缸、侧门导向杆、端盖、液压锁紧装置、闸板更换装置及油路总成等组成ꎮ

１—液压锁紧装置ꎻ２—端盖ꎻ３—主缸总成ꎻ４—侧门ꎻ５—锁紧销轴ꎻ６—防喷器主壳体ꎻ７—侧门开启液缸ꎻ８—侧门关闭液缸ꎻ９—侧门导向杆ꎻ１０—闸板更换装置ꎮ图１　ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器结构图Ｆｉｇ􀆰１　ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＭｏｄｅｌＦＺ３５－７０Ｃｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏｃｋｉｎｇｒａｍＢＯＰｗｉｔｈｑｕｉｃｋｂｏｎｎｅｔｏｐｅｎｉｎｇ该防喷器为平开侧门式结构ꎬ主壳体与侧门之间采用多半圆截面的锁紧销轴连接ꎬ侧门支撑于连接在主壳体的导向杆上ꎬ与主壳体之间设置有多道轴向密封ꎬ在侧门与主壳体之间设置有用于侧门开启/关闭的液缸ꎮ主缸总成与侧门连接ꎬ其外部安装有液压锁紧装置ꎬ主缸总成内活塞杆的一侧伸入到主壳体内与闸板连接ꎬ另一端伸入到液压锁紧装置内ꎮ液压锁紧装置包括锁紧油缸和安装在活塞杆上的锁紧块ꎬ锁紧块在锁紧油缸的带动下在锁紧装置内滑动ꎮ在侧门上设置有闸板更换装置ꎮ１􀆰３　工作原理１􀆰３􀆰１　防喷器工作过程主缸总成动作带动闸板轴推动闸板关闭井口ꎬ闸板关闭后触动锁紧缸中的关闭腔阀总成ꎬ使得液压锁紧装置进行闸板轴锁紧ꎮ闸板开启时ꎬ液压锁紧装置先解锁ꎬ即液压锁紧装置中的锁紧块移动ꎬ当锁紧块移动到位触动开启腔阀总成ꎬ主缸总成动作带动闸板轴拉动闸板开启井口ꎬ工作状态如图２所示ꎮ

１—液压锁紧油缸ꎻ２—锁紧块ꎻ３—锁紧活塞杆ꎻ４—闸板轴ꎮ图２　闸板锁紧结构示意图Ｆｉｇ􀆰２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｒａｍｌｏｃｋｉｎｇ１􀆰３􀆰２　防喷器更换闸板过程取出侧门与主壳体之间的锁紧销轴ꎬ向侧门开启油缸内供油ꎬ开启油缸推动侧门沿导向杆向外滑动ꎬ从而实现侧门开启ꎮ旋转闸板更换装置中的闸板导杆ꎬ使之与闸板滑槽对齐并伸进ꎬ拖动闸板沿闸板导杆向壳体外滑动即可取出闸板ꎮ更换新闸板时ꎬ在闸板导杆上换上新闸板ꎬ并沿闸板导杆推动到闸板轴上ꎬ闸板到位后即与闸板更换装置分离ꎬ拉出并旋转闸板导杆进行固定ꎬ然后向侧面关闭油缸内供油ꎬ带动侧门向壳体移动ꎬ待侧门完全关闭后ꎬ插入侧门与主壳体之间的锁紧销轴并定位ꎬ从而完成闸板更换ꎮ图３为闸板更换结构示意图ꎮ

１—主缸总成ꎻ２—闸板更换装置ꎻ３—侧门ꎻ４—闸板ꎻ５—闸板导杆ꎻ６—防喷器主壳体ꎮ图３　闸板更换结构示意图Ｆｉｇ􀆰３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｒａｍｃｈａｎｇｅ１􀆰３􀆰３　防喷器工作油路原理如图４所示ꎬ防喷器关闭闸板时ꎬ液压油依次经防喷器主壳体和关闭液缸小活塞进入闸板关闭腔和开启腔阀总成ꎬ液压油进入关闭腔后推动闸板轴—４２— 石　油　机　械２０１７年　第４５卷　第１１期关闭闸板ꎬ闸板关闭到位后触动开启腔阀总成ꎬ开启腔阀总成处的液压油打开进入锁紧液缸关闭腔锁紧闸板ꎮ防喷器关闭闸板时ꎬ液压油依次经防喷器主壳体和开启液缸小活塞进入锁紧液缸开启腔和关闭腔阀总成ꎬ液压油进入锁紧液缸开启腔开启锁紧活塞杆ꎬ锁紧活塞杆到位后触动关闭腔阀总成ꎬ关闭腔阀总成处的液压油打开进入闸板开启腔ꎬ闸板开启腔中的液压油推动闸板轴打开闸板ꎮ

图４　防喷器工作油路原理示意图Ｆｉｇ􀆰４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｏｉｌｃｉｒｃｕｉｔ１􀆰４　主要技术参数工作压力７０ＭＰａꎬ强度试验压力１０５ＭＰａꎬ公称通径３４６ｍｍꎬ油缸直径３５０ｍｍꎬ液控压力１０􀆰５ＭＰａꎬ工作温度－２９~１２１℃ꎬ适应介质为含Ｈ２Ｓ的油、气、水和钻井液ꎮ１􀆰５　技术特点(１)ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器的侧门与主壳体采用多半圆截面锁紧销轴连接ꎬ实现了侧门快捷打开和关闭ꎬ降低了常规螺栓连接的劳动强度ꎬ也省去了防喷器扭矩工具ꎮ(２)在防喷器设计中采用了２条暗藏式液压控制油路ꎬ可依次实现闸板关闭后锁紧和闸板解锁后开启ꎬ减轻了劳动强度ꎬ避免了手动锁紧和解锁ꎮ(３)设置的闸板更换机构有效避免了传统双闸板防喷器在更换下闸板时ꎬ因上腔挡住下腔而造成的吊装困难以及可操作性差等问题ꎬ操作简单快捷ꎮ(４)ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器可利用液压远程控制闸板锁紧和解锁ꎬ自动化程度较高ꎬ对其做适当的防腐处理后ꎬ可适用于海洋工作环境ꎮ(５)ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器通道在堆焊耐腐蚀合金前ꎬ对堆焊工艺进行了充分研究ꎬ优化堆焊工艺ꎬ采用先进的自动堆焊机ꎬ确保了焊接质量ꎬ避免遇到高浓度的Ｈ２Ｓ时ꎬ因工艺和技术达不到要求而造成的交接轮廓焊接处腐蚀开裂ꎮ(６)防喷器的关键密封为侧门密封和闸板轴密封ꎮ侧门密封采用埋藏金属骨架复合橡胶式结构ꎬ其对高低压密封效果好ꎮ闸板轴密封采用由防尘圈、组合密封、耐磨环、支撑密封套和Ｏ形圈组成的多道密封结构ꎬ密封可靠ꎬ寿命长ꎮ２　技术创新点２􀆰１　多半圆截面锁紧销轴连接结构在防喷器的设计中ꎬ根据防喷器主壳体和侧门两者之间相互作用及工作条件ꎬ对防喷器主壳体和侧门采用了多半圆截面销轴连接ꎬ防喷器主壳体上设计梯形槽ꎬ侧门上设计半圆槽ꎬ销轴是多半截面圆销轴ꎬ如图１所示ꎮ对于这种结构设计ꎬ一方面要考虑加工的难度及成本ꎬ另一方面要根据接触来分析受力情况ꎮ此连接结构使连接销轴容易安装和拆卸ꎬ也易于定位ꎬ即使连接销轴在两者之间生锈ꎬ也很容易拆卸ꎮ２􀆰２　油路顺序控制技术油路的设计是防喷器设计中的关键ꎬ为了使控制油路简单可靠ꎬ也不采用多的外接管线ꎬ采用了内置式油路ꎬ即在防喷器主壳体、侧门、端盖和锁紧缸本体上设计油路加密封ꎬ在液缸中设计了关闭腔阀总成ꎬ实现了关闭闸板、开启侧门和锁紧闸板的控制采用同一条油路ꎻ在锁紧装置中设计开启腔阀总成ꎬ实现了解锁闸板、关闭侧门和打开闸板的控制采用同一条油路ꎬ使得防喷器控制简单ꎮ３　关键结构力学分析ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器设计中最关键的受力部位为主壳体、锁紧销轴和侧门ꎬ在闸板密封加压的情况下ꎬ主壳体、锁紧销轴和侧门之间的受力更为复杂ꎮ为了优化结构设计ꎬ同时验证设计的可靠性ꎬ在设计过程中采用有限元软件对防喷器主壳体、锁紧销轴和侧门的相互作用进行分析ꎬ并运用ＡＢＡＱＵＳ软件对其受力进行分析ꎮ建立连接模型ꎬ由于主壳体连接位置处于Ｔ形槽处ꎬ所以主壳体内部产生力可不考虑ꎬ截取Ｔ形槽部位ꎬ建立如图５所示的模型ꎮ本体材料选取２５ＣｒＮｉＭｏꎬ力学参数为σｂ＝６５５ＭＰａꎬσｓ＝５１７ＭＰａꎮ防喷器额定载荷为７０ＭＰａꎮ根据ＡＰＩ１６Ａ规范ꎬ试验压力为额定载荷的１􀆰５倍ꎬ因此在压力１０５ＭＰａ的条件下对防喷器进行了有限元分析ꎮ分析结果表明:防喷器本体强度符合ＡＳＭＥ«锅炉及压力容器规范»中所规定的要求ꎮ—５２—２０１７年　第４５卷　第１１期辛小刚等:ＦＺ３５－７０Ｃ快开侧门式闸板液压锁紧防喷器