鉆井泵安全閥試驗與評估

田占川， 王軍偉， 周小明， 李永飛

（寶雞石油機械有限責(zé)任公司,陜西寶雞 721002）

0 引言

鉆井泵安全閥是保障鉆井泵安全工作的重要部件。當(dāng)鉆井泵系統(tǒng)壓力超過設(shè)定的放噴壓力值時，安全閥自動打開，將系統(tǒng)中的一部分氣體、流體排出管道，保證系統(tǒng)不因壓力過高發(fā)生事故。

公司設(shè)計開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的JA-3×35和JA-3×52兩種焊接式鉆井泵安全閥。這兩種閥滿足了所有鉆井泵裝配的要求，于2011年完成設(shè)計，2013年完成樣機試制，2014年9月完成廠內(nèi)型式試驗。盡管在安全閥研制過程中,對主要承壓件、受力件進行了有限元分析和計算等工作，但各部件受力情況僅用理論計算是不夠的，一般還要對其進行型式試驗，確保其工作準(zhǔn)確性、可靠性、安全性。因此安全閥的型式試驗是設(shè)計工作必不可少的一部分。

文中以JA-3×35鉆井泵安全閥為例，對3種試驗方法進行評估，闡述了它們各自的優(yōu)點及不足，并最終確定一種最優(yōu)的試驗方法。

1 JA-3×35安全閥結(jié)構(gòu)特點

鉆井泵安全閥即可保證鉆井泵本身，高壓管匯和人身安全，還可對井下安全起保障作用，主要分為彈簧復(fù)位式、膜片式、剪切銷式。

JA-3×35安全閥為多銷孔剪切銷式（如圖1），其工作原理是：鉆井泵運轉(zhuǎn)工作時，排出的高壓液體通過入口由壬總成1傳遞到安全閥活塞3下部，使活塞3向上的作用力產(chǎn)生一個企圖推動剪銷板5繞長銷軸7順時針轉(zhuǎn)動的力矩；剪切銷6將剪銷板5和閥體3穿在一起，產(chǎn)生一個不讓剪銷板5繞銷軸7順時針轉(zhuǎn)動的反時針力矩。鉆井泵排出的高壓液體壓力越高，產(chǎn)生的順時針轉(zhuǎn)動力矩越大。當(dāng)產(chǎn)生的順時針轉(zhuǎn)動力矩大于安全銷所能承受的最大逆時針力矩（約為安全銷所能承受的最大剪切力乘以安全銷中心到長銷軸中心的距離）時，安全銷就被剪斷，剪銷板5繞銷軸7順時針轉(zhuǎn)動，活塞推著活塞桿迅速上行，高壓液體通過安全閥的內(nèi)腔由出口由壬總成2放噴，使高壓液體迅速降壓，起到安全保險的作用。當(dāng)故障排出后，將活塞、剪銷板復(fù)位，再裝上合適的安全銷，鉆井泵又可重新運轉(zhuǎn)。

JA-3×35安全閥的剪銷板5如圖2所示，圖中除指定的長銷孔位置其余6個不同位置孔為剪切銷孔。這6個剪切銷孔分別對應(yīng)6個不同的放噴壓力值，以滿足鉆井泵安裝不同直徑缸套時放噴壓力的需求。

2 JA-3×35安全閥技術(shù)參數(shù)

安全閥工作壓力為35 MPa;外形尺寸為606 mm×380 mm×180 mm;重量為88 kg。

如圖2所示，設(shè)計放噴壓力值分別為：銷孔1為10.3 MPa，銷孔2為15.2 MPa，銷孔3為20 MPa，銷孔4為25.5 MPa，銷孔5為31.7 MPa，銷孔6為37.9 MPa。

圖1 JA-3×35安全閥

圖2 剪銷板銷孔位置示意圖

剪切銷直徑為6.5 mm;閥腔直徑為41 mm。

3 試驗方法

JA-3×35安全閥的設(shè)計借鑒了現(xiàn)有剪銷式安全閥的結(jié)構(gòu)，對其吸入口和排出口進行了小的改進。剪銷式安全閥在F系列鉆井泵上配置使用，結(jié)構(gòu)成熟、性能穩(wěn)定，安全閥設(shè)計的放噴壓力值一般允許誤差不超過設(shè)定值的±10%，因此試驗的準(zhǔn)確性極大地取決于試驗方法的選擇。

3.1 直接加壓法

在直接試驗法裝置中，加壓裝置通過堵頭對安全閥加壓（如圖3）。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、壓力流體流經(jīng)的空間小等特點。

圖3 直接加壓試驗法

圖4 直接加壓試驗曲線圖

3.2 全工況模擬試驗法

在全工況模擬試驗中，完全模擬安全閥實際工況，四通將安全閥與空氣包（帶氣囊充氣）及壓力表連接起來，加壓裝置通過四通對安全閥加壓（如圖5）。

3.3 半工況模擬試驗法

在半工況模擬試驗中，四通將安全閥與空氣包（不帶氣囊）及壓力表連接起來，加壓裝置通過安裝在四通上的進液接頭對安全閥加壓，與全工況模擬試法不同之處在于拆除了空氣包氣囊（如圖7）。

4 試驗測試

4.1 試驗裝置主要組成部分

圖5 全工況模擬試驗法示意圖

圖6 全工況模擬試驗曲線圖

圖7 改進的工裝試驗法

圖8 半工況模擬試驗曲線圖

試驗基礎(chǔ)（包括試驗地坑及周邊安全防護措施）、動力執(zhí)行系統(tǒng)（包括增壓泵、壓力表、空氣包、管線等）、控制及監(jiān)測系統(tǒng)（包括壓力控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和數(shù)據(jù)儲存等）、機械裝置本體（包括安全閥、試驗工裝）、地坑規(guī)格（長×寬×高）6.0 m×4.0 m×3.5 m。2臺增壓泵型號CB400-15/CB250-15,最高工作壓力400/250 MPa，額定流量105/180 L/h，電動機功率15 kW（變頻電動機），泵沖88/108 r/min。

4.2 全工況模擬試驗結(jié)果

全工況模擬試驗法完全模擬了JA-3×35安全閥的實際工況，針對6個放噴壓力值共做不少于50次試驗，分別對試驗放噴壓力及其承壓時間進行數(shù)據(jù)采集（表1）。

由表1，可看出設(shè)定的放噴壓力為10.3 MPa時，最大誤差9%；放噴壓力為15.2 MPa時，最大誤差9%；放噴壓力為20.0 MPa時，最大誤差8%；放噴壓力為25.5 MPa時，最大誤差-8%；放噴壓力為31.7 MPa時，最大誤差-8%，放噴壓力為37.9 MPa時，最大誤差-8%。

表1 試驗放噴壓力及其承壓時間數(shù)據(jù)采集表

4.3 直接加壓試驗結(jié)果

由于試驗數(shù)據(jù)與設(shè)定壓力值相差很大，針對6個放噴壓力值只作5組試驗，試驗放噴壓力及其承壓時間記錄（表2）。

由表2，可看出試驗所得數(shù)據(jù)與設(shè)定放噴壓力的誤差遠遠偏離了10%，試驗時間較短。

表2 試驗放噴壓力及其承壓時間記錄表

4.4 半工況模擬試驗結(jié)果

同樣針對6個放噴壓力值做不低于50次試驗，分別對試驗放噴壓力及其承壓時間進行數(shù)據(jù)記錄（表3）。

表3 試驗放噴壓力及其承壓時間數(shù)據(jù)記錄表

從表3中可以看出設(shè)定的放噴壓力為10.3 MPa時，最大誤差9%；放噴壓力為15.2 MPa時，最大誤差9%；放噴壓力為20.0 MPa時，最大誤差8%；放噴壓力為10.3 MPa時，最大誤差8%；放噴壓力為25.5 MPa時，最大誤差6%；放噴壓力為31.7 MPa時，最大誤差-7%，放噴壓力為37.9 MPa時，最大誤差-8%。

5 試驗評估

5.1 全工況模擬與半工況模擬對比

全工況模擬試驗與半工況模擬試驗數(shù)據(jù)都在放噴壓力的允許誤差范圍內(nèi)，但采用全工況模擬試驗加壓時，試驗介質(zhì)（清水）需經(jīng)歷擠壓氣囊內(nèi)氣體、氣囊收縮、回彈這一過程，導(dǎo)致加壓、注水耗時約35～65 min,遠大于半工況模擬試驗的安全閥承壓時間5～9 min。試驗結(jié)果分別如表1、表3所示。

5.2 直接加壓試驗與半工況模擬對比

直接加壓試驗時間較短，歷時約2～9 min，但安全閥的放噴壓力僅為設(shè)定值的一半左右，遠偏離了誤差的允許值。由于在半工況模擬試驗中,安全閥通過接管與排出空氣包、壓力表一同安裝在排出四通上，這些部件及其連接管路通道可提供足夠的緩沖空間，極大地降低了鉆井泵排出壓力的波動度；直接試驗法未能提供足夠的緩沖空間，加壓裝置在注水增壓過程中，水壓的不連續(xù)沖擊直接作用于安全閥活塞，活塞承受的瞬時壓力很大（在試驗平臺的數(shù)據(jù)顯示區(qū)未來得及采集、顯示）導(dǎo)致安全閥提前打開、放噴。試驗結(jié)果如表2及表3所示。

6 結(jié) 論

1）與全工況模擬試驗法對比，半工況模擬試驗法具有較高的試驗效率，節(jié)省了大約70%的時間；2）與直接加壓試驗法對比，半工況模擬試驗法具有準(zhǔn)確性、可靠性、安全性，完全符合試驗要求；3）剪銷式安全閥型式試驗可以采用半工況模擬試驗法進行。

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