TRIZ理論在旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙航博，葉文勇，章東哲

(1.中國(guó)石油集團(tuán) 川慶鉆探工程有限公司，成都 610051；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018)

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TRIZ理論在旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙航博1，2，葉文勇1，2，章東哲1，2

(1.中國(guó)石油集團(tuán) 川慶鉆探工程有限公司，成都 610051；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018)

摘要：將TRIZ理論應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用物-場(chǎng)分析法和阿奇舒勒矛盾矩陣法，參考TRIZ理論的76種物場(chǎng)分析的一般解法和40條發(fā)明原理，經(jīng)歷二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了2種旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻結(jié)構(gòu)。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)化篩選出最適合XK28-35-7/14型旋轉(zhuǎn)防噴器的冷卻結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)防噴器；冷卻結(jié)構(gòu)；TRIZ理論

TRIZ理論(發(fā)明問(wèn)題解決理論)是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇.阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在1946年創(chuàng)立的。阿奇舒勒和他的團(tuán)隊(duì)研究了世界各地250萬(wàn)份高水平專利，總結(jié)出各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循的規(guī)律模式，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則而建立起來(lái)的一個(gè)由解決技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系[1-2]，TRIZ理論涉及的技術(shù)領(lǐng)域比較廣泛，適合在機(jī)械設(shè)計(jì)中參考[3]。

旋轉(zhuǎn)防噴器在鉆井過(guò)程中安裝在井口防噴器組最上端，其作用是隨鉆具一起旋轉(zhuǎn)的同時(shí)對(duì)井口實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密封，是欠平衡鉆井、控壓鉆井等新鉆井工藝不可缺少的重要設(shè)備。旋轉(zhuǎn)防噴器在使用過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)密封井口2個(gè)功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含軸承組件和動(dòng)密封組件。旋轉(zhuǎn)防噴器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)熱是不可避免的，包括動(dòng)密封處發(fā)熱和軸承發(fā)熱，溫度過(guò)高會(huì)影響動(dòng)密封的可靠性和軸承使用壽命，甚至導(dǎo)致整機(jī)性能下降[4-7]，所以一套結(jié)構(gòu)合理、冷卻效果良好的冷卻系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)防噴器不可缺少的一部分。

1存在問(wèn)題

本文以XK28-35-7/14型旋轉(zhuǎn)防噴器(如圖1)為例，其技術(shù)參數(shù)如表1。該型號(hào)的冷卻結(jié)構(gòu)分布在軸承座內(nèi)部，入口處連接一根銅管，改變了循環(huán)液進(jìn)入冷卻腔的位置，從而兩側(cè)流體并聯(lián)繞軸180°自下而上，然后經(jīng)出口流出，保證了冷卻液循環(huán)路徑盡量覆蓋所有的待冷卻區(qū)域，如圖2所示。

圖1　XK28-35-7/14型旋轉(zhuǎn)防噴器

圖2　XK28-35-7/14型旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻結(jié)構(gòu)

主通徑/mm(英寸)280(11)底部法蘭/(mm/MPa)280/35中心最大通徑/mm195工作壓力/MPa最大動(dòng)壓7.0最大靜壓14.0密封鉆具規(guī)格/mm(英寸)108.0(4)、133.4(5)六方鉆桿;101.6(4)、127(5)鉆桿工作介質(zhì)空氣、泡沫、各種鉆井液動(dòng)密封工作溫度/℃≤100

該型號(hào)旋轉(zhuǎn)防噴器存在冷卻效果較差，導(dǎo)致工作動(dòng)壓低，最高只能達(dá)到3.5MPa，而其設(shè)計(jì)工作動(dòng)壓是7MPa，未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如表2。冷卻區(qū)域溫度不均勻，其周向溫度存在較大的差異，圖2中 A、C區(qū)域的溫度比B、D區(qū)域的溫度高出15～20 ℃。如果再將工作動(dòng)壓提高，軸頭溫度會(huì)急劇上升，使得動(dòng)密封組件密封失效，甚至動(dòng)密封被高溫?zé)冃巍?/p>

表2　室內(nèi)試驗(yàn)冷卻效果性能參數(shù)

2方案提出

利用TRIZ所提供的物-場(chǎng)分析法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)以上所述，可將問(wèn)題總結(jié)為冷卻效果是可以的，但是未能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的效果。故確定該模型為“效應(yīng)不足的完整模型”，效應(yīng)不足的完整模型是指構(gòu)成物-場(chǎng)模型的元素是完整的，但有用的場(chǎng)F效應(yīng)不足，比如太弱、太慢等[1]。如圖3所示。

F1—原外圍冷卻場(chǎng)；S1—軸頭溫度；S2—冷卻結(jié)構(gòu)。

解決效應(yīng)不足的完整模型，有3個(gè)一般解法，即一般解法4、5、6，如表3。在此選用一般解法6，即插進(jìn)一個(gè)元素S3，并引進(jìn)一個(gè)場(chǎng)F2來(lái)提高有用效應(yīng)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)防噴器旋轉(zhuǎn)總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在軸的內(nèi)部設(shè)置一定數(shù)量的軸向液體流道，作為新增的冷卻結(jié)構(gòu)元素S3；同時(shí)S3和S2建立聯(lián)系，并新增了一個(gè)旋轉(zhuǎn)總成內(nèi)側(cè)冷卻F2場(chǎng)，可以大幅度地增強(qiáng)冷卻效果，建立新的物-場(chǎng)分析圖，如圖4所示。

表3　效應(yīng)不足完整模型的一般解法

S3—軸內(nèi)部液體流道；F2—新增內(nèi)側(cè)冷卻。

具體實(shí)施方案1如圖5所示。保留原軸承座內(nèi)部的冷卻結(jié)構(gòu)S2，旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)部均布若干個(gè)軸向深孔S3，并利用上、下壓套的徑向孔連接了S2和S3，使其構(gòu)成一個(gè)完整的循環(huán)通道。由于軸上新增的流體通道是均勻分布在軸的周向，這樣就可以解決冷卻不均勻的問(wèn)題。軸屬于旋轉(zhuǎn)部件，那么S3也隨之旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個(gè)內(nèi)側(cè)動(dòng)態(tài)冷卻，新增的F2和原有的F1從內(nèi)外兩側(cè)同時(shí)冷卻，共同作用會(huì)增強(qiáng)冷卻效果。

1—軸；2—?jiǎng)用芊饨M件；3—上壓套；4—O型密封圈；5—軸承座；6—O型密封圈；7—外殼；8—軸承；9—下壓套；10—O型密封圈。

但是由于新增的S3需要旋轉(zhuǎn)，就需要在上下兩端分別增加1組動(dòng)密封組件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的動(dòng)態(tài)密封。然而動(dòng)密封工作時(shí)具有液體外滲的特點(diǎn)，也就是說(shuō)油腔的油會(huì)向冷卻腔滲漏，會(huì)造成冷卻液黏度增大影響冷卻效果，冷卻液也會(huì)進(jìn)入油腔影響軸承潤(rùn)滑。這樣就需要對(duì)控制系統(tǒng)油箱和冷卻液箱體內(nèi)的液體進(jìn)行定期的更換，增加了現(xiàn)場(chǎng)工作量。故方案1的運(yùn)行可靠性不高，同時(shí)也增加了加工成本和使用成本。

利用阿奇舒勒矛盾矩陣法，解決方案1所存在可靠性較低的問(wèn)題，部分阿奇舒勒矛盾矩陣如表4。TRIZ理論總結(jié)出39個(gè)通用工程參數(shù)，并歸納出40條發(fā)明原理(如表5)。將該39個(gè)通用工程參數(shù)橫向、縱向順序排列，構(gòu)成阿奇舒勒矛盾矩陣，橫向代表防惡化參數(shù)，縱向代表欲改善的參數(shù)，在工程參數(shù)縱橫交叉的方格內(nèi)的數(shù)字代表建議使用的40個(gè)發(fā)明原理序號(hào)[2]。首先根據(jù)TRIZ的要求，在使用矛盾矩陣前應(yīng)確定出“防止惡化的參數(shù)”和“欲改善的參數(shù)”。希望再次通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以尋求最佳理想的解，那么需要改善其“形狀”來(lái)提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

在此“27可靠性”作為防惡化參數(shù)，“12形狀”作為欲改善的參數(shù)，根據(jù)表4，TRIZ提示使用表5中的發(fā)明原理10、16或者40，進(jìn)行該技術(shù)問(wèn)題的解決。依據(jù)上述3種發(fā)明原理，通過(guò)大量的方案構(gòu)思和篩選，最終選用第16條發(fā)明原理，即部分超越法。

表4　部分阿奇舒勒矛盾矩陣

表5　部分TRIZ的40條發(fā)明原理

現(xiàn)對(duì)F1和F2的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行提取，然后使其局部化，使得部分實(shí)現(xiàn)“超越”。F1的優(yōu)點(diǎn)在于不參與旋轉(zhuǎn)，不需要?jiǎng)用芊?，也就能避免液體互相擴(kuò)散的問(wèn)題，F(xiàn)2具有圓周均布的液體流道，可避免冷卻不均勻、冷卻效果差的問(wèn)題。根據(jù)TRIZ的提示，可以在原冷卻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)置一定數(shù)量的圓周均布的液體流道，將F1和F2的優(yōu)點(diǎn)集聚在軸承座內(nèi)部實(shí)現(xiàn)部分超越，如圖6所示。具體實(shí)施方法為將軸承座設(shè)計(jì)成分體式，由內(nèi)座和外筒組成，其中內(nèi)座圓周均布若干個(gè)軸向槽子，槽子在上下兩端交替連通，并保留一個(gè)不連通，作為冷卻液的入口槽和出口槽。然后內(nèi)座、外圓花鍵槽和外筒的內(nèi)徑配合出一個(gè)上下反復(fù)循環(huán)的液體通道，從而使得冷卻液順著該通道強(qiáng)行循環(huán)一周，保證冷卻無(wú)死角。但是該冷卻結(jié)構(gòu)只是對(duì)發(fā)熱區(qū)域的外側(cè)進(jìn)行冷卻，冷卻效果不及方案1，但可靠性較高。

1—外筒；2—內(nèi)座；3—上部連通槽；4—冷卻液入口；5—冷卻液出口；6—上下均不開(kāi)連通槽的外圓；7—內(nèi)座花鍵槽；8—外圓花鍵槽；9—下部連通槽。

3方案優(yōu)選

分別從加工難易程度、加工成本、使用成本、工作可靠性以及冷卻效果5個(gè)方面對(duì)2種方案進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)價(jià)，如表6。2種方案的加工難度都相當(dāng)大，方案1多出2組動(dòng)密封組件，加工配套成本較高，并需要定期更換油箱以及冷卻液箱內(nèi)的液體介質(zhì)，使用成本高，且可靠性較差；但方案1的冷卻效果卻是最好的，適應(yīng)于更高壓力等級(jí)的旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻結(jié)構(gòu)。XK28-35-7/14型旋轉(zhuǎn)防噴器屬于低壓旋轉(zhuǎn)防噴器，選用方案2不但能提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，還可以節(jié)約成本。因此選用方案2作為該型旋轉(zhuǎn)防噴器的冷卻結(jié)構(gòu)。

表6　2種方案對(duì)比

4結(jié)論

利用TRIZ理論的物-場(chǎng)分析法和阿奇舒勒矛盾矩陣法，對(duì)旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了2種旋轉(zhuǎn)防噴器冷卻結(jié)構(gòu)。從加工難易程度、加工成本、使用成本、工作可靠性以及冷卻效果5個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)，最終優(yōu)選出最適合XK28-35-7/14型旋轉(zhuǎn)防噴器的冷卻結(jié)構(gòu)，并達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

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TRIZTheoryinRotatingBOPCoolingStructureDesign

ZHAOHangbo1，2，YEWenyong1，2，ZHANGDongzhe1，2

(1.Chuanqing Drilling Engineering Company Limited，CNPC，Chengdu 610051，China；2.State Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development，Xi’an 710018，China)

Abstract：TRIZ theory is applied in rotary BOP cooling structure design，namely the use of the substance - field analysis and contradictions altshuller matrix method，respectively with reference to the 76 kinds of general solution of the object field analysis of TRIZ and 40 invention principle，through the second optimization design two kinds of rotary blowout preventer cooling structure are proposed，through comprehensive evaluation，and optimization the most suitable XK28-35-7/14 rotating BOP cooling structure is selected.

Keywords：rotary blowout preventer；structure；cooling；TRIZ theory

文章編號(hào)：1001-3482(2016)06-0047-04

收稿日期：2015-12-04

作者簡(jiǎn)介：趙航博(1986-)，男，陜西禮泉人，工程師，主要從事井下工具及鉆井輔助設(shè)備的研發(fā)工作，E-mail：zhaohb_gcy@cnpc.com.cn。

中圖分類號(hào)：TE931.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.010