防噴器閘板體萬能試驗臺設(shè)計

周利明，楊永寧，劉　輝，徐　茂，齊瑞騫（．河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘0655；．四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評中心，四川德陽6800；．中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇無錫406）

防噴器閘板體萬能試驗臺設(shè)計

周利明1，楊永寧1，劉輝1，徐茂2，齊瑞騫3
（1．河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘062552；2．四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評中心，四川德陽618300；3．中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇無錫214063）①

為解決井控裝備制造廠在防噴器閘板體出廠檢驗和疲勞試驗中的成本高、防噴器的拆裝勞動強度大等問題，設(shè)計了閘板體萬能試驗臺。該試驗臺結(jié)構(gòu)簡單，能夠滿足多種型號和壓力等級的閘板體試驗的要求。外殼和側(cè)門采用銷軸連接，拆裝方便省力；在不同型號閘板體試驗中，只需更換轉(zhuǎn)換腔體和轉(zhuǎn)換連接軸，最大程度上減少了試驗成本。應(yīng)用有限元分析方法對主要承壓零件進(jìn)行了強度校核，保證了試驗臺的安全性。該試驗臺的使用極大地提高了閘板體生產(chǎn)效率。

防噴器；試驗臺；設(shè)計

對于制造商來講，防噴器閘板體的試驗具備以下特點：閘板體作為防噴器的主要配件和關(guān)鍵控壓件，訂貨量很大，尤其是變徑或剪切閘板體在出廠前均要進(jìn)行密封或剪切等試驗，需要占用多種不同規(guī)格的防噴器來進(jìn)行試驗，造成成本的長期占用。另外，在進(jìn)行閘板體試驗時，需要對試驗用防噴器的側(cè)門螺栓反復(fù)拆卸，操作者勞動強度大。鑒于以上特點，設(shè)計了閘板體萬能試驗臺，同時采用有限元方法對試驗臺進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計［1］。該試驗臺具有成本低、試驗范圍廣、勞動強度低、安裝簡便、安全性高等特點。本文采用三維建模和有限元計算方法進(jìn)行設(shè)計和分析，避免了以前根據(jù)經(jīng)驗和機械設(shè)計手冊推薦公式近似計算導(dǎo)致設(shè)計周期長、安全性低、設(shè)計尺寸過大、浪費成本、不能全面了解裝置受力的薄弱環(huán)節(jié)，無法準(zhǔn)確制定出裝置復(fù)驗的關(guān)鍵位置，長期使用會造成安全隱患等問題。有效地解決了以上問題，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1　結(jié)構(gòu)及優(yōu)點

通常情況下，防噴器閘板體出廠試驗，主要與壓力等級、通徑大小、閘板腔大小、液缸直徑、閘板體在閘板腔內(nèi)的運動行程等數(shù)據(jù)有關(guān)，設(shè)計一種防噴器閘板萬能試驗臺，使結(jié)構(gòu)滿足相關(guān)技術(shù)要求。以長圓腔閘板體的出廠試驗所需的裝置為例，萬能試驗臺的結(jié)構(gòu)［2］如圖1。

圖1　閘板體萬能試驗臺主視圖

閘板體萬能實驗臺主要有5大優(yōu)點：

1） 閘板體的關(guān)閉和開啟采用液壓開關(guān)，不僅可以通過數(shù)字化控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)油壓數(shù)值，精確模擬各種閘板體的關(guān)閉壓力，還可以減輕操作者的勞動強度，避免操作者采用機械的方法關(guān)閉、開啟閘板體。

2） 側(cè)門與殼體采用對角活塞桿連接，可以同時滿足長圓形閘板體和矩形閘板體試驗時的安裝和拆卸要求：長圓閘板體的安裝方式為垂直于試驗臺的水平面方向；矩形閘板體的安裝方式為平行于閘板體水平面方向。

3） 側(cè)門殼體定位連接采用銷軸連接，既可以快速完成側(cè)門的打開與關(guān)閉，還能降低采用常規(guī)側(cè)門螺栓，預(yù)緊與拆卸側(cè)門螺栓時操作者的勞動強度。

4） 通過更換轉(zhuǎn)換連接軸來改變不同規(guī)格閘板體的行程，改變了常規(guī)依靠更換活塞軸來改變閘板體的行程，大幅降低操作者的勞動強度。

5） 通過更換轉(zhuǎn)換腔體可以進(jìn)行各種規(guī)格的閘板體出廠試驗，既節(jié)約了制造不同規(guī)格試驗殼體的成本，又可以為擴展其他規(guī)格閘板體的試驗提供專用裝置。

2　工作原理

防噴器閘板體萬能試驗臺的工作原理分為油路工作原理和閘板體密封工作原理。

防噴器閘板體試驗臺的油路有兩條，分為開關(guān)側(cè)門和開關(guān)閘板油路，分別控制側(cè)門的開、關(guān)和閘板體的開關(guān)。開關(guān)側(cè)門油路原理為：液壓油通過進(jìn)油孔1、2進(jìn)入缸筒，推動缸筒內(nèi)的活塞桿，帶動缸筒連接的側(cè)門，一起往復(fù)運動，從而實現(xiàn)側(cè)門的開關(guān)運動；開關(guān)閘板體油路原理為：液壓油通過進(jìn)油孔3、4進(jìn)入液缸，推動液缸內(nèi)的活塞軸，帶動活塞軸連接的閘板體，一起往復(fù)運動，從而實現(xiàn)閘板體的開關(guān)運動，如圖2所示。

圖2　防噴器閘板萬能試驗臺油路原理

閘板體密封的工作原理如圖1所示，壓力通過試驗臺下部的升高短節(jié)傳遞到轉(zhuǎn)換腔體內(nèi)，兩者之間通過密封墊環(huán)密封，兩件閘板體在轉(zhuǎn)換連接軸的推動下向中心運動，關(guān)閉后閘板體的前密封和頂密封形成密封環(huán)帶，密封閘板下部的壓力，同時轉(zhuǎn)換腔體和側(cè)門之間的密封、活塞軸和側(cè)門之間的密封由其他密封件進(jìn)行密封，保證壓力無泄漏，從而完成閘板體的出廠試驗，此外需要進(jìn)行剪切試驗的閘板體，可以由兩端的液壓缸提供完成剪切試驗所需要的剪力，升高短節(jié)和轉(zhuǎn)換腔體由螺栓螺母連接，側(cè)門和試驗臺外殼由銷軸連接，對角安裝兩活塞桿，能夠同時滿足長圓、矩形閘板體的安裝和拆卸要求。

3　相關(guān)設(shè)計參數(shù)的確定

閘板體萬能試驗臺的設(shè)計理念是滿足多種系列和壓力等級閘板的試驗要求，為此對影響閘板體試驗的重要參數(shù)，例如試驗壓力、閘板體的行程、關(guān)閉閘板的壓力等進(jìn)行分析，確定試驗臺的最小設(shè)計壓力、轉(zhuǎn)換連接軸、閘板軸活塞的直徑。

3．1 確定最小承受壓力

防噴器閘板體的規(guī)格和種類有多種，按照平行于側(cè)門面方向的截面外形區(qū)分，主要有矩形和長圓形；根據(jù)產(chǎn)品系列［3］，對閘板體的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，確定試驗臺的轉(zhuǎn)換腔體承受的最小壓力等級，如表1所示。該試驗臺可完成通徑最大680mm，壓力最大可達(dá)到140 MPa防噴器閘板體的試驗，覆蓋了API16 A規(guī)定的所有型號防噴器的閘板體。

表1　防噴器閘板體萬能試驗臺基本參數(shù)

3．2 計算轉(zhuǎn)換連接軸長度

閘板體在閘板腔內(nèi)的運動起始點，主要與試驗臺的運動行程相關(guān)，關(guān)閉時確保兩件閘板體的前端部能夠充分接觸，是管柱和閘板體密封的基礎(chǔ)，是閘板體密封的關(guān)鍵，閘板體的行程對于試驗臺設(shè)計非常關(guān)鍵。每種規(guī)格的閘板體在防噴器內(nèi)的行程不同，而行程又與試驗臺相關(guān)零部件的尺寸有關(guān)，如圖3所示。

式中：L為裝置的總體長度；L5為閘板體的有效長度；L4為轉(zhuǎn)換連接軸的長度；L3為側(cè)門的厚度；L2為液缸的有效長度（去除缸蓋和側(cè)門的密封臺階）；L1為缸蓋的厚度；x為閘板體的行程。

分析式（1）～（2）得出，閘板體的行程與圖3中涉及到行程的零部件有關(guān)，通過調(diào)整這些零部件的長度，就可以調(diào)整防噴器的行程。閘板體萬能試驗臺裝配完成后，由于轉(zhuǎn)換連接軸比其他零件的拆卸和安裝簡便，勞動強度低，所以，通過調(diào)整轉(zhuǎn)換連接軸長度（L4）來得到想要的閘板體行程。河北華北石油榮盛機械制造有限公司生產(chǎn)的28系列防噴器的長圓形和矩形閘板體的行程x分別為185mm和175mm，通過式（3）計算得到閘板體萬能試驗臺中滿足外形為長圓形閘板體試驗的轉(zhuǎn)換連接軸長度L4＝695mm；滿足外形為矩形的閘板體試驗的轉(zhuǎn)換連接軸長度L4＝702mm。經(jīng)計算，其他系列防噴器閘板體的行程尺寸及其試驗配套的轉(zhuǎn)換連接軸長度如表2。

表2　防噴器閘板體萬能試驗臺轉(zhuǎn)換連接軸參數(shù)

圖3　閘板體萬能試驗臺閘板運動行程

3．3 設(shè)計試驗臺中主活塞的直徑

防噴器閘板體的關(guān)閉壓力主要由防噴器的關(guān)閉腔油壓與關(guān)閉腔活塞的有效面積的乘積決定，大多數(shù)關(guān)閉腔的油壓為8．4～10．5 MPa（剪切油壓力除外），由此得出關(guān)閉腔壓力主要由關(guān)閉腔活塞受油壓的有效面積決定。各系列防噴器的關(guān)閉腔活塞受力的有效面積差別較大，但是試驗臺設(shè)計完成后，關(guān)閉腔活塞受力的有效面積也確定，只能調(diào)整關(guān)閉油壓的大小來得到各系列防噴器的關(guān)閉壓力值。油壓的數(shù)值需要壓力表和傳感器來讀取，考慮到GB／T20174—2006中規(guī)定壓力值應(yīng)在壓力表滿量程的25%～75%，經(jīng)計算，最終所得試驗臺中主活塞的直徑為420mm，可以提供各系列防噴器的關(guān)閉壓力。

4　主要承壓件有限元計算分析

依據(jù)萬能試驗臺的結(jié)構(gòu)特點，試驗臺中主要的承壓件為轉(zhuǎn)換腔體和側(cè)門。由表1數(shù)值比較知，閘板外形為矩形的防噴器，其轉(zhuǎn)換腔體的設(shè)計壓力比同一規(guī)格的長圓形的設(shè)計壓力值要小。轉(zhuǎn)換腔體要分別滿足閘板外形為矩形和長圓形的最大壓力數(shù)值，根據(jù)ASEM鍋爐及壓力容器規(guī)范，通過對其進(jìn)行有限元計算分析［4］，保證了在額定工作壓力下的可靠性，為裝置的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

防噴器閘板體萬能試驗臺中側(cè)門承受壓力的面積為固定值，側(cè)門的壁厚要能滿足表1中部分閘板體額定壓力的最大值，即140 MPa。

4．1 有限元模型

4．1．1 網(wǎng)格化分

分別對試驗臺的轉(zhuǎn)換腔體和側(cè)門進(jìn)行有限元模擬分析計算，采用自由網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對部分應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行細(xì)化處理，材料采用彈性模型定義，其有限元模型如圖4～5。

圖4　側(cè)門的有限元模型

圖5　兩種轉(zhuǎn)換腔體有限元模型

4．1．2 邊界條件和施加載荷

分別在側(cè)門的上、下面和轉(zhuǎn)換腔體的下面施加位移約束，在側(cè)門和轉(zhuǎn)換腔體的受力面（如圖4～5箭頭所指的面）按照上述建模參數(shù)施加靜水壓強度試驗壓力（額定工作壓力的1．5倍），側(cè)門210MPa（140MPa的1．5倍）、轉(zhuǎn)換腔體按照各個腔體的大小和閘板體額定工作壓力的1．5倍選取。

4．2 模型有限元計算和強度校核

轉(zhuǎn)換腔體和側(cè)門的平面圖如圖6～7，決定轉(zhuǎn)換腔體和側(cè)門強度的關(guān)鍵尺寸為最小截面厚度D（轉(zhuǎn)換腔體的最小厚度）和H（側(cè)門的最小厚度）。

圖6　轉(zhuǎn)換腔體的最小厚度

圖7　側(cè)門最小厚度

通過對不同尺寸的D、H進(jìn)行有限元模擬計算，確定H＝350mm、D＝330mm，對該結(jié)構(gòu)依據(jù)API Spec16A中對井口承壓件的設(shè)計方法進(jìn)行強度校核，由應(yīng)力云圖可知，應(yīng)力較大處為截面Ⅰ①、Ⅱ②、Ⅲ③三處，如圖8。

圖8　側(cè)門和轉(zhuǎn)換腔體的應(yīng)力云圖

依據(jù)ASMEⅧ是鍋爐及壓力容器的類構(gòu)件強度判定依據(jù)和設(shè)計準(zhǔn)則和規(guī)范要求，壓力容器在靜水壓強度試驗壓力下，Pm＜0．67Rp0．2時，Pm＋Pb≤1．35Rp0．2；當(dāng)0．67Rp0．2＜Pm≤0．9Rp0．2時，Pm＋Pb≤2．35Rp0．2－1．5Pm。

因此在額定工作壓力下，得到以下公式：

式中：Pm為薄膜應(yīng)力；Pb為彎曲應(yīng)力；Rp0．2為材料的屈服強度；Sm為設(shè)計應(yīng)力。

將表3～5的數(shù)據(jù)中Pm的數(shù)值代入式（4）（材料的屈服強度取517MPa），經(jīng)驗證滿足式（4）的條件，再將Pm＋Pb的數(shù)值代入公式（5）～（6）中，滿足要求，符合ASEM規(guī)范要求。

表3　側(cè)門應(yīng)力及位移計算結(jié)果

表4　轉(zhuǎn)換腔體應(yīng)力及位移計算結(jié)果（矩形腔）

表5　轉(zhuǎn)換腔體應(yīng)力及位移計算結(jié)果（長圓腔）

5　結(jié)論

1） 防噴器閘板萬能試驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠滿足多種規(guī)格的變徑、剪切等閘板體的出廠試驗，也可以用于深海防噴器的閘板體的出廠試驗。

2） 在滿足使用功能的前提下，便于操作者安裝、拆卸，無側(cè)門螺栓和開關(guān)活塞桿對角設(shè)計，大幅降低了操作者的勞動強度。

3） 經(jīng)過對試驗臺主要零部件進(jìn)行有限元分析和驗證試驗，綜合考慮了尺寸、質(zhì)量、安全系數(shù)、最大變形量等，減輕了試驗臺的質(zhì)量，節(jié)約了成本，確保試驗臺的安全可靠。分析了該試驗臺的危險區(qū)域，為以后定期復(fù)檢提供了理論依據(jù)。

［1］ ASME Boiler and Pressure Vessel code（SectionⅧ．Di-vision 2）［S］．The American Society of Mechanical En-gineers，2004．

［2］ GB／T 20174—2006，石油天然氣工業(yè)鉆井和采油設(shè)備鉆通設(shè)備［S］．

［3］ 《機械設(shè)計手冊》編委會．機械設(shè)計手冊［K］．北京：機械工業(yè)出版社，2012．

［4］ 孟慶榮，鄭傳周，翟桂新，等．2FZ54-35型雙閘板防噴器殼體優(yōu)化設(shè)計［J］．石油礦場機械，2011，40（1）：63-66．

［5］ 張永澤，梁政，蔣發(fā)光，等．復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元分析強度判定方法［J］．石油礦場機械，2009，38（5）：5-8．

Design of BOP Ram Omnipotent Test Rig

ZHOU Liming1，YANG Yongning1，LIU Hui1，XU Mao2，QI Ruiqian3
（1．Hebei Rongsheng Manufacture Ltd．of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China；2．Sichuan Kete Petroleum Well-Control Quality Inspection Center，Deyang 618300，China；3．Electronic Technology Research Institute of China Aviation Industry Thunder，Wuxi 214063，China）

In order to solve the problems of capital to take up and highmanpower for BOP assem-bly and disassembly for ram factory test and fatigue test，the omnipotent test rig is designed．Its structure is simple and it canmeet the test requirements of different type and pressure grade ram．The body and the bonnet are assembled with lock bars to be easy for assembly and disassembly．When different type ram is tested，only conversion body and piston shaft are replaced，the cost is dramatically reduced．By using finite element simulation analysis，the pressure-containing parts are checked and the safety of test rig is secured．The design of the test rig increases the efficiency of rammanufacturing．

BOP；test stand；design

TE921．507

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．008

1001－3482（2015）08－0034－05

①2015－02－04

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）

周利明（1980-），男，河南?？h人，工程師，2005年畢業(yè)于河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，現(xiàn)主要從事井控產(chǎn)品的研究工作，Email：zhoulm1815＠sina．com。