地面防噴器控制裝置大排量氣動油泵研制與應(yīng)用

方志猛，李 英，陳慧慧，郭 晨，王曉穎，何偉紅，杜金鳳

地面防噴器控制裝置大排量氣動油泵研制與應(yīng)用

方志猛，李 英，陳慧慧，郭 晨，王曉穎，何偉紅，杜金鳳

（北京石油機(jī)械廠，北京100083）

地面防噴器控制裝置對氣動油泵系統(tǒng)的要求越來越高，普通氣泵很難滿足要求。研制了一種新型高壓大排量氣動油泵，并對其主要零件的材料、參數(shù)和理論排量進(jìn)行了設(shè)計計算。該泵有較高的流量和壓力輸出，泵效高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠。已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外油田現(xiàn)場，為今后該類泵的研制提供了理論依據(jù)和參考。

防噴器；控制裝置；氣動油泵；高壓；大排量

地面防噴器控制裝置（以下簡稱控制裝置）是控制井口防噴器組、液動節(jié)流閥以及壓井閥的重要設(shè)備，也是鉆井、修井作業(yè)中防止井噴不可缺少的裝置［1］。近年來，隨著對外出口以及國內(nèi)各油田井隊出國打井的日益增多，越來越多的控制裝置打入了國際市場。但是，現(xiàn)有的控制裝置已經(jīng)不能滿足API Spec 16D 2nd規(guī)范對泵系統(tǒng)的要求［2-3］。現(xiàn)有的氣動油泵只能滿足高壓小排量和低壓大排量的要求，不能同時滿足輸出高壓和大排量。而從國外進(jìn)口的氣動油泵價格昂貴，安裝困難，維修不方便。為了徹底解決這一問題，進(jìn)一步穩(wěn)定國內(nèi)市場，開拓國際市場，研制開發(fā)了高壓、大排量氣動油泵（本文簡稱F泵）。

1 工作原理

F泵主要由上部動力驅(qū)動和下部的液壓吸排油2部分組成。

動力驅(qū)動部分如圖1所示，壓縮空氣經(jīng)泵頭組件進(jìn)入閥芯套組件的內(nèi)腔，并進(jìn)入氣缸上腔推動活塞下行，此時氣缸下腔的氣體經(jīng)氣管由排氣口排出。隨著活塞的下行，帶動閥芯桿組件下移1個節(jié)距，這時閥芯套組件上的上進(jìn)氣口封閉，壓縮空氣經(jīng)氣管與下進(jìn)氣口相通，從而實現(xiàn)換向［4］。

圖1 氣動油泵動力驅(qū)動部分

液壓吸排油部分如圖2所示，當(dāng)動力驅(qū)動部分帶動柱塞桿上移時，吸油單向閥上移打開，液壓油從吸油口進(jìn)入柱塞缸下腔，柱塞缸上腔的壓力油經(jīng)排油單向閥排出。當(dāng)動力驅(qū)動部分換向后，吸油單向閥關(guān)閉，柱塞缸上腔的壓力油經(jīng)排油單向閥從出油口排出。隨著動力驅(qū)動部分的往復(fù)變換氣流，活塞與氣缸活塞桿即連續(xù)上下往復(fù)運動。與此同時，柱塞桿也被帶動上下往復(fù)運動，實現(xiàn)氣動油泵的吸排油過程［5］。因此，F(xiàn)泵的特點是間歇吸油，連續(xù)排油，啟動平穩(wěn)，并可帶載啟動。

圖2 氣動油泵液壓吸排油部分

2 關(guān)鍵參數(shù)

普通氣動油泵一般只能滿足高壓小排量或者低壓大排量的情況。而F泵需要同時滿足輸出高壓和大排量的要求，且泵的結(jié)構(gòu)要簡單、合理。為了滿足輸出高壓的要求，初始設(shè)定F泵的液氣比為50∶1。在控制裝置中，通常壓縮空氣為0.53～0.80 MPa，故當(dāng)氣源壓力取最大值0.80 MPa時，油路輸出最高壓力為

控制裝置的工作壓力為21 MPa，靜壓試驗壓力為1.5倍的工作壓力，即31.5 MPa，控制裝置中高壓溢流閥的開啟壓力為34.5 MPa，F(xiàn)泵最高輸出壓力為40 MPa，滿足了輸出高壓的要求。為了滿足輸出大排量的要求，在設(shè)計時考慮了F泵的以下幾個關(guān)鍵參數(shù)。

2.1 氣缸的設(shè)計計算

考慮到加工方便和結(jié)構(gòu)緊湊問題，初步取氣缸直徑D＝230 mm。氣缸壁厚δ為

其中

式中：pp為試驗?zāi)蛪毫Γ琈Pa；σp為缸筒材料許用應(yīng)力，MPa；σb為缸筒材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；pmax為試驗壓力，MPa；n為安全系數(shù)。

取pmax＝0.8 MPa，n＝8，σb＝420 MPa（選材質(zhì)為20號鋼）代入式（1）可求得δ＝2.63 mm。

考慮到加工變形和裝配工況，選取δ＝8 mm，則氣缸外徑為246 mm。因此，氣缸選擇壁厚為8 mm的20號鋼。

2.2 柱塞缸的設(shè)計計算

柱塞缸的關(guān)鍵參數(shù)主要是柱塞缸內(nèi)徑，而柱塞缸內(nèi)徑的設(shè)計是和氣缸活塞桿直徑、柱塞桿直徑、氣缸直徑有關(guān)的。為此，初步選取氣缸活塞桿直徑d＝28 mm，柱塞桿直徑d′＝32 mm。

柱塞缸的理論作用力（推力F1和拉力F2）是通過氣缸活塞桿來傳遞的，所以液壓缸的理論作用力為

式中：R為氣缸半徑，mm；r為氣缸活塞桿半徑，mm。

取R＝115 mm、r＝14 mm、pp＝1.2 MPa代入式（2）～（3），可求得F1＝49 831.8 N，F(xiàn)2＝49 093 N。

由于F1＞F2，所以計算時選取F1，則柱塞缸內(nèi)徑為

式中：d′為柱塞桿直徑，mm；p′max為試驗壓力，p′max＝1.5p。

初步取d′＝32 mm，p＝40 MPa，代入式（4）可得D′＝45 mm。因此，柱塞缸內(nèi)徑選擇45 mm。

2.3 液氣比的驗證

液氣比為

式中：D為氣缸直徑，mm；D′為柱塞缸直徑，mm；d′為柱塞桿直徑，mm。

取D＝230 mm、D′＝45 mm、d′＝32 mm代入式（5），可得液氣比為52.8。因此，式（5）驗證了氣缸活塞桿直徑、氣缸直徑和柱塞桿直徑選取是合適的，能夠滿足液氣比取50∶1的要求。

2.4 理論排量的計算

氣動油泵的工作原理是間歇吸油，連續(xù)排油，即每沖吸油1次，排油2次，其理論排量為

式中：S為活塞行程，mm。

取S＝110 mm、D′＝45 mm、d′＝32 mm，代入式（6）可得q＝172.9 m L／沖。

因此，式（6）再次驗證了氣缸活塞桿直徑和柱塞桿直徑的選取是合適的，能夠滿足大排量的要求。故從設(shè)計角度來說，F(xiàn)泵關(guān)鍵參數(shù)的選擇合理，滿足了輸出高壓和大排量的要求。

2.5 密封的選擇

常規(guī)氣動油泵的動力驅(qū)動部分，在氣動換向部分采用了平面的密封形式，即通過兩光滑平面的上下滑動實現(xiàn)，該密封分隔進(jìn)、排氣部分。而在F泵中，閥芯的往復(fù)運動需要經(jīng)過閥芯套圓周上均勻分布的小孔，因此，該密封的選擇變得非常重要。密封選擇得不好，會使氣動油泵的進(jìn)排氣相通，無法換向，發(fā)生卡死?？紤]到F泵的設(shè)計要結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便，選用了O形密封圈的形式。密封圈的材料選擇經(jīng)過多次的反復(fù)試驗，最后采用了聚氨酯的O形密封圈，該密封具有密封性能好、耐磨、抗老化等優(yōu)良性能。

3 試驗驗證

為了測試新型氣動油泵的性能，在元件試驗臺進(jìn)行了疲勞試驗，連續(xù)運行15 h，無卡阻、漏油和漏氣現(xiàn)象。

圖3～4為F泵的特性曲線，分別表示在不同的氣源壓力下，油壓和流量以及沖次的關(guān)系。由圖3～4可以看出：隨著氣源壓力的提高，泵的最大油壓、流量以及沖次都相應(yīng)的增加；當(dāng)氣源壓力為0.75 MPa時，泵的輸出油壓最高可達(dá)37.5 MPa，空載即油壓為0時，F(xiàn)泵的最大流量為28.5 L／min，最高沖次為165沖／min。

圖3 F泵輸出油壓與流量的關(guān)系

圖4 F泵輸出油壓與沖次的關(guān)系

API 16D 2nd規(guī)范要求泵系統(tǒng)：使用最小鉆桿（?73 mm（2英寸）），關(guān)閉環(huán)形防噴器，打開節(jié)流閥，并在2 min內(nèi)達(dá)到操作壓力（8.4 MPa）。由于液壓油的壓縮量很小，每個大氣壓的壓縮量約為1／50 000，所以忽略不計，只計算充滿液缸所需流量。以FKQ640-7型控制裝置為例，包含一個FH35-35型環(huán)形防噴器和2個液動閥。FH35-35型環(huán)形防噴器鉆桿尺寸為?346 mm（13英寸），關(guān)閉所需最大油量為94 L，則使用最小鉆桿（?73 mm（2英寸））關(guān)閉環(huán)形防噴器所需液量為

打開1個液動閥所需液量1.5 L，因此共需要77.2 L的流量。圖5為普通氣動油泵（簡稱A泵）的特性曲線，可以看出：A泵在空載時，流量約為9 L／min；在操作壓力8.4 MPa時，流量約為7 L／min，2 min達(dá)到14 L。因此，當(dāng)單獨使用A泵時，經(jīng)試驗，最少需要5臺A泵才能滿足API 16D 2nd規(guī)范的要求。由圖3可以看出：F泵在空載時的流量約為28.5 L／min，在8.4 MPa時流量約為16.5 L／min，2 min達(dá)到33 L，在單獨使用F泵時，經(jīng)試驗，只需要2個氣泵就滿足API 16D 2nd規(guī)范的要求，滿足了F泵輸出大流量的要求。

圖5 A泵輸出油壓與流量的關(guān)系

4 氣動油泵的應(yīng)用

研制的F泵裝配簡單、維修方便，零件數(shù)量少于普通的A泵，節(jié)省了大量的裝配時間，現(xiàn)在已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，截至2013-07已生產(chǎn)3 000多臺，廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的油田現(xiàn)場。現(xiàn)場調(diào)研表明：該氣動油泵現(xiàn)場運行情況良好，得到了用戶的稱贊和肯定，并取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1） 研制開發(fā)的高壓大排量氣動油泵，從設(shè)計計算和元件、整機(jī)試驗情況判定，設(shè)計輸入均能滿足設(shè)計輸出的要求。

2） 現(xiàn)場跟蹤調(diào)查表明，高壓大排量氣動油泵性能穩(wěn)定，滿足輸出高壓和大排量的要求。

［1］ 石油天然氣鉆井井控編寫組.石油天然氣鉆井井控（中國石油員工培訓(xùn)系列教材）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［2］ Recommended Practices for Blowout Prevention Equipment Systems for Drilling Wells API RP53 Third edition［R］.MARCH，1997.

［3］ SY／T5053.2－2007，鉆井井口控制設(shè)備及分流設(shè)備控制系統(tǒng)規(guī)范［S］.

［4］ 王曉穎，張立剛，陳慧慧.防噴器控制裝置三位四通轉(zhuǎn)閥手柄位置分析［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（2）：66-69.

Development and Application of High-Duty Pneumatic Pump of the Control System for Surface Mounted BOP Stacks

FANG Zhi-meng，LI Ying，CHEN Hui-hui，GUO Chen，WANG Xiao-ying，HE Wei-hong，DU Jin-feng
（Beijing Petroleum Machinery Co.，Beijing 100083，China）

The situation mainly focused on in this article is：normal pneumatic pump can＇t fit the highly increased system requirement.This article presents an independent researched and developed high pressure，high-duty pneumatic pump，declare material of main components，specification and calculation of theoretical flow.In the mean time，the article states the advantages of high-duty pneumatic pump to normal pump：higher flow and higher pressure output.It is a high efficiency hydraulic power supply unit.Based on the test records，field tracing and investigations，this pneumatic pump is reliable，simple mechanism and safe，fully meet design requirements.At present，this product is being widely applied in the field in China and abroad.It also provides more theoretical foundation and practical reference for further development and research.

BOP；control system；pneumatic pump；high-pressure；high-duty

TE931.1

B

1001-3482（2014）03-0072-04

2013-09-19

方志猛（1982-），男，江蘇南通人，工程師，主要從事地面防噴器控制裝置設(shè)計工作，E-mail：fangzmdri＠cnpc.com.cn。