高溫環(huán)境下防噴器的幾個設計要點分析

蘇尚文，孟慶榮，吳占偉，劉增凱，屈志明

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552；2.中國石油大學（華東），山東青島 266580）①

高溫環(huán)境下防噴器的幾個設計要點分析

蘇尚文1，孟慶榮1，吳占偉1，劉增凱2，屈志明1

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552；2.中國石油大學（華東），山東青島 266580）①

提出了用于海洋油氣勘探開發(fā)的高溫高壓防噴器設計中涉及的幾個要點問題，即承壓件的結(jié)構(gòu)設計、溫度場的模擬和橡膠件的改進等。針對這3類問題進行了詳細的分析，依據(jù)ASME規(guī)范對研制的FZ48-105型閘板防噴器在高溫條件下的疲勞壽命進行評估；對水下和陸地2種工況下防噴器的溫度場進行了數(shù)值模擬，并闡述了目前橡膠件的改進方向。為高溫高壓防噴器密封件的設計提供指導。

防噴器；高溫高壓；承壓件；疲勞壽命

隨著海洋油氣勘探開發(fā)的不斷發(fā)展，對防噴器的溫度等級提出了越來越高的要求。在海上油氣田勘探開發(fā)中，成本遠高于陸上［1］。我國南海地區(qū)、英國北海地區(qū)、墨西哥灣等深水油氣富集區(qū)都屬于典型的高壓高溫地區(qū)，地層溫度最高達250℃，壓力達105 MPa，井口流體溫度有時超過120℃，其勘探開發(fā)成本更高。目前，國外已經(jīng)研制成功了適用于高溫環(huán)境下作業(yè)的防噴器和前密封，其中管子閘板前密封的最高溫度達到260℃，變徑閘板前密封的最高溫度達到149℃。國內(nèi)在此領(lǐng)域研究較少。針對上述地區(qū)的海洋勘探開發(fā)特殊環(huán)境，為保證鉆井作業(yè)井控的安全性，保護海洋環(huán)境，要求使用的防噴器性能穩(wěn)定可靠，且具有抗H2S應力腐蝕和氫脆導致開裂的能力［2］。高溫高壓防噴器的研制一直被國外知名石油裝備公司所壟斷，國內(nèi)進口費用高、周期長。為加快我國深水油氣資源的勘探開發(fā)步伐，提高我國海洋石油裝備開發(fā)和設計水平，急需研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高溫高壓防噴器組。

普遍認為在溫度超過121℃、壓力等于或超過70 MPa的防噴器即稱為高溫高壓防噴器。作為壓力容器，溫度的升高給防噴器的可靠性帶來了極大的挑戰(zhàn)，其設計理念和設計準則與常溫防噴器有一定的區(qū)別。除了由于溫度升高使得金屬承壓件的各項性能指標和疲勞壽命降低外，高溫密封件的研制也是設計的關(guān)鍵難點之一。另外，由于防噴器的密封件分布在不同的零部件之間，需要對防噴器的溫度梯度進行模擬分析，進而為防噴器密封件溫度等級的選擇提供理論指導。

1 防噴器承壓件的結(jié)構(gòu)設計

在高溫條件下，金屬件的力學性能隨著溫度的升高而降低。一份權(quán)威的資料說明：在26～204℃，材料的屈服強度和溫度為線性關(guān)系，在該溫度范圍內(nèi)，強度降低率為0.040 6%／℃。另一方面，由于溫度的升高，使得防噴器金屬承壓件產(chǎn)生熱應力，增加了疲勞失效的可能性。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的影響主要是由于各零件熱膨脹的不同，使得各零件之間配合公差偏離原始設計，造成干涉或間隙過大，影響防噴器的工作性能。

高溫、高壓和操作載荷聯(lián)合起來極大地增加了壓力設備的應力和應變。由于高溫使材料性能降低，使得失效模式更加復雜，過應力、脆性斷裂、蠕變等是一些關(guān)鍵失效模式［3］。雖然在高溫高壓容器設計中采用了高屈強比的材料，提高了材料的承載能力，但材料塑性儲備及對應力集中的敏感性和耐疲勞抗力卻有所降低；其次，由于高壓容器壁較厚的特點，使得在制造過程中凹坑裂紋和其他缺陷的產(chǎn)生概率增加，從而增加了疲勞破壞的可能性。為提高防噴器的安全性，建議對防噴器承壓件進行強度校核，并進行疲勞評定，確保防噴器具有足夠的使用壽命。

由于溫度的升高，防噴器的應力水平較常溫條件下有一定的增加。本文采用有限元模擬技術(shù)，對FZ48-105型閘板防噴器殼體進行強度校核，工況為溫度177℃、額定工作壓力105 MPa。有限元模型采用殼體的1／4，材料定義為彈性，單元為耦合單元。在有限元分析中，首先進行溫度場的模擬，然后將溫度場模擬的結(jié)果導入應力場中進行強度校核。該殼體在溫度載荷和機械載荷的共同作用下，其應力云圖如圖1所示，最大應力達到622.3 MPa。

圖1 高溫條件下殼體的應力云圖

通常，對于防噴器承壓件的設計和設計驗證依據(jù)API 16A規(guī)范進行，即通常所說的ASME方法。此方法的依據(jù)為ASMEⅧ第2冊，而該方法始于20 a前，在當時是最好的1種驗證方法，而ASMEⅧ第3冊對高壓容器建造規(guī)則進行了相應的陳述［4］。本文根據(jù)模擬的結(jié)果，應用ASMEⅧ第3冊中疲勞評定的規(guī)定對殼體進行壽命評估［5］。由計算結(jié)果得知最大的3個主應力值為σ1＝654.8 MPa，σ2＝154.5 MPa，σ3＝41.2 MPa。各應力差值為交變應力強度為

式中：Sijmax為應力差值的最大值；Sijmin為應力差值的最小值。

最大循環(huán)次數(shù)為

經(jīng)計算，該殼體在額定工作壓力和溫度177℃下的循環(huán)壽命為1 082次，以每年200次壓力循環(huán)計算，可連續(xù)使用5 a。

2 防噴器溫度場的分析

水下防噴器由于海水溫度較低，同時受到海水和波浪的作用，在防噴器的表面形成強對流狀態(tài)，加速了溫度的循環(huán)。陸地上的防噴器由于空氣的溫度較高，空氣的對流強度較小，使得防噴器在井液溫度相同條件下，溫度場分布不同。通過對2種工況的溫度場模擬分析，為防噴器密封件溫度等級的選擇提供理論依據(jù)。

通過三維建模軟件Pro／E建立閘板防噴器的三維裝配模型，之后通過轉(zhuǎn)換文件格式后導入有限元軟件。其材料參數(shù)如表1所示。單元類型采用熱傳導單元，應用穩(wěn)態(tài)傳熱模式進行分析。在計算中，充分考慮熱對流的影響，對于水下防噴器，接觸海水的外界表面溫度設為4℃；對于陸地防噴器，外表面主要與空氣接觸，空氣溫度設為25℃。

該模型假設井內(nèi)流體的溫度為177℃，水下和陸地2種工況下的不同點在于防噴器殼體外表面與介質(zhì)之間的熱對流系數(shù)不同，水下工況是地面工況的100倍。經(jīng)過計算，2種工況下的溫度云圖如圖2～3所示。其各密封部位的溫度如表2所示。對于水下工況，側(cè)門密封、閘板軸密封和活塞密封的溫度均低于陸地工況；對于陸地工況，其密封部位的溫度均高于120℃。熱分析結(jié)果表明：地面防噴器所有密封件均需要高溫密封件；水下防噴器由于周圍海水的冷卻作用，使得溫度降低較快，僅接觸井液的閘板前密封和頂密封需要更換高溫密封件。

表1 材料參數(shù)

表2 溫度分布℃

圖2 陸地工況下防噴器的溫度分布云圖

圖3 水下工況下防噴器的溫度分布云圖

3 密封件的改進

目前，高溫高壓密封件的制造是影響高溫高壓防噴器可靠性的關(guān)鍵障礙之一［6］。針對密封件溫度等級，定義的通用驗收標準為美國石油學會規(guī)范API 16A。但其規(guī)定的高溫下承壓密封試驗時間僅為1 h，且沒有安全系數(shù)的規(guī)定；針對密封件抗H2S的試驗方法的陳述也沒有涉及，由于H2S的特點，使得對整個橡膠件進行抗H2S的試驗受到了限制。在現(xiàn)場使用中，用戶需要更長的時間來實施井控操作及安全撤離等，對高溫密封件的可靠性也提出了質(zhì)疑。

除了上述標準的原因外，高溫密封件的研究還面臨著幾個關(guān)鍵難點：

1） 密封件配方的研究。通常，常溫環(huán)境下使用的密封件材料為丁腈橡膠（NBR），而由于NBR分子鏈中含有碳—碳雙鍵，所以它的耐氧化、耐熱、耐候、耐潤滑油添加劑、耐劣質(zhì)燃料油及耐硫化物等酸性介質(zhì)的性能都較差［7］。根據(jù)多年來的試驗結(jié)果，其最高溫度可達121℃；在高溫環(huán)境下，由于氫化丁腈橡膠中雙鍵被氫化，成為了高度飽和的橡膠，具有優(yōu)異的耐熱、耐撕裂性能，而且還具有耐酸性氣體腐蝕的特性，被認為是高溫防噴器密封件最優(yōu)的原材料之一。但由于在使用過程中，其密封壓力較高，橡膠承受較大的應力應變，現(xiàn)場使用工況較為惡劣，需要橡膠具有較高的抗撕裂強度和延伸率。對影響橡膠性能的關(guān)鍵因素，例如丙烯腈含量和飽和度、各種添加劑以及成形工藝等進行重點研究，以確保密封件在高溫條件下具有較高的可靠性和足夠長的使用壽命。

2） 膠芯結(jié)構(gòu)和橡膠與骨架之間粘接工藝的改進。深水防噴器的關(guān)鍵密封件是閘板膠芯，膠芯由橡膠和多塊墊鐵或骨架硫化組成。在高溫環(huán)境下，橡膠的硬度降低，流動性增強，回彈能力差，極易從間隙流出，造成密封失效，對墊鐵和骨架的強度也提出了新的要求。因此，需要對常溫膠芯的結(jié)構(gòu)進行改進，以合理控制或消除各零件間的間隙，提高墊鐵和骨架的強度。根據(jù)功能不同，在閘板防噴器中安裝有管子閘板和變徑閘板。通常，管子閘板前密封的墊鐵和變徑閘板前密封的骨架不可能完全控制橡膠的流動，據(jù)統(tǒng)計，管子閘板的墊鐵與鉆桿之間的間隙為2 mm；而對于變徑閘板，其間隙大而多，橡膠的受力情況較為惡劣，骨架與鉆桿之間及各骨架之間的間隙可達到3～8 mm。同時，由于骨架實現(xiàn)密封過程中不斷運動，骨架與橡膠之間的粘接強度也成為影響膠芯密封性的關(guān)鍵因素之一。

3） 試驗方法的研究。高溫的工況模擬需要專用的試驗裝置和加熱介質(zhì)來完成。對于試驗有效性的確認還需更新的標準進行跟進，例如試驗的時間、溫度的波動、安全系數(shù)等。目前，API 16A的標準修訂草稿對密封件的溫度等級進行了修改，初步確定為低溫、工作高溫和極限高溫3個溫度范圍，這樣對防噴器的設計和安全使用提供了更加明確的指標，但極限溫度的試驗時間仍然是1 h。依據(jù)實際工況，對極限高溫的試驗時間應盡量延長，確?，F(xiàn)場有足夠的時間采取其他措施，國外比較先進的公司延長至8 h或更長。另外，針對膠芯的抗H2S性能只是停留在實驗室內(nèi)對橡膠試樣的模擬，對膠芯是否可靠還沒有權(quán)威的認可。

4 結(jié)論

1） 由于高溫的影響，使得防噴器金屬承壓件的壽命降低。通過對研制的FZ48-105型防噴器的殼體在177℃額定工作壓力下的強度分析，進行了疲勞壽命的評估，設計的殼體可承受循環(huán)載荷作用1 082次。

2） 隨著溫度的升高，原有的密封件溫度等級無法滿足使用要求，為確定各密封件的溫度等級，對防噴器的溫度場分布進行模擬。對比水下和陸地2種工況得出：在陸地上需要更換所有的密封件；而在水下只需更換閘板防噴器的前密封和頂密封。

3） 原有密封件的材料和結(jié)構(gòu)已不適用于高溫環(huán)境，需要對密封件，尤其是前密封，在結(jié)構(gòu)、材料等多個方面進行改進設計，以滿足高溫作業(yè)條件的可靠性。

［1］ 曹川，馮宇，王金宏，等.海洋油氣井水下井口回接裝置［J］.石油礦場機械，2012，41（1）：88-90.

［2］ 張曉迎，易先中，鄧金先.抗H2S腐蝕的HH-PSL 3GPR2級氣密封閘閥研制［J］.石油礦場機械，2013：42（6）：35-39.

［3］ ShafiqKhandoker，Greg Landthrip，Philip Huff.Structural optimization of subsea pressure vessel equipment for hpht application with a design by analysis case study of typical bop［G］.OTC19544，2008.

［4］ Kenneth Young，Chris Alexander，Richard Biel.Updated Design Methods for HPHT Equipment［G］.SPE 97595，2005.

［5］ ASMEⅧ，壓力容器建造規(guī)則［S］.

［6］ Koeck F，Macfarlane D，Skeels H B.Future Considerations for HP／HT Equipment and Systems［G］. Otc18076，2006.

［7］ 張汝義.惡劣井下環(huán)境的理想密封材料——氫化丁腈橡膠［J］.天津橡膠，1998（1）：2-3.

Analysis of Blowout Preventer Design in High Temperature

Several critical design problems about high temperature and high pressure BOP used in exploration and exploitation of offshore oil-gas are proposed in this paper，comprising of structural optimization，temperature simulation and rubber parts improvement etc.These problems are analyzed in detail.According to ASME specification，fatigue life is assessed for FZ48-105 ram BOPin HTHP environment.Temperature numerical simulation is done in two instances，under water and on surface，It provides directions for HTHP BOP sealing parts design.Improvement measure for rubber parts is summarized.

BOP；HTHP；pressure-containing part；fatigue life

TE931.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.003

1001-3482（2014）09-0009-04

2014-02-16

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“深水防噴器組及其控制系統(tǒng)工程化研制”（2013AA09 A220）；國家科技重大專項“深水半潛式鉆井平臺及配套技術(shù)”（2011ZX05027-001）

蘇尚文（1968-），男，內(nèi)蒙古固陽人，高級工程師，碩士，主要從事井控裝備的研發(fā)工作，E-mail：tossw＠139.com。