旋塞閥靜水壓快速試壓裝置設計*

明立權，劉力力

(1.上海山潛智能科技有限公司，上海 201499； 2.上海漣屹軸承科技有限公司，上海 201100)

0 引 言

井控是鉆井作業(yè)中十分重要的一項工作，方鉆桿旋塞閥作為一種防止溢流和井噴的有效工具，用于保護方鉆桿及方鉆桿上部管線承受高壓損壞，防止井噴事故發(fā)生，保持鉆臺清潔、降低環(huán)境污染在井控中應用十分普遍。

方鉆桿旋塞閥分為方鉆桿上部旋塞閥和方鉆桿下部旋塞閥兩種，方鉆桿上部旋塞閥上端與水龍帶連接下端與方鉆桿聯(lián)接，方鉆桿下部旋塞閥上端與方鉆桿聯(lián)接下部與鉆柱連接。在正常鉆進作業(yè)時，旋塞閥處于常開狀態(tài)，一旦發(fā)生溢流或者井涌，為了阻止鉆井液從方鉆桿下部鉆柱危及地面管線安全，采用立即關閉旋塞閥，以防止并噴。

另外在鉆井作業(yè)中如果出現(xiàn)需要更換損壞水龍帶或高壓管匯損壞時，也需要關閉該旋塞閥，待更換上述損壞零件后再次開啟旋塞閥進行鉆進作業(yè)。

方鉆桿旋塞閥實質是一種兩端帶有鉆桿螺紋的高壓球閥。旋塞閥新產品在加工廠制造中主要分為零件制造、整體裝配及出場測試三個步驟；鉆井現(xiàn)場使用過一段時間的旋塞閥再次投入使用前，也需要對旋塞閥進行使用前的測試工作，測試合格再次使用；測試不合格進行維修，重新測試合格后再次投入使用。旋塞閥測試實質就是對旋塞閥進行靜水壓密封測試，因此靜水壓測試是否符合使用要求是旋塞閥測試的關鍵程序，因此開展對旋塞閥靜水壓試驗裝置的研究具有十分重要的意義。

目前較常規(guī)的旋寒閥靜水壓測試是將對應規(guī)格的密封套與旋塞閥兩端錐螺紋旋合實現(xiàn)對旋塞閥兩端的密封，然后向旋塞閥內部加注高壓水，保壓一段時間后測定壓力降是否符合相關標準要求來完成靜水壓試驗工作。每次的靜水壓試驗工作都要對螺紋進行拆裝作業(yè)，不僅工作繁瑣效率低下，而且在頻繁拆卸螺紋過程中易損壞螺紋，影響鉆桿螺紋連接密封可靠性。針對這些問題，設計了一種適用于旋塞閥靜水壓試驗的非螺紋密封的壓力測試裝置,在提高裝卸效率的同時又能避免頻繁拆卸對螺紋帶來損傷。

1 旋塞閥靜水壓快速試壓裝置設計

1.1 裝置組成及功能介紹

裝置基本結構見圖1，主要由水壓站、液壓站及試驗架組成。試驗架一側設置有靜密封套，另一側設置有推拉油缸，動密封套可以在推拉缸的作用下前后移動，被測試旋塞閥置于動密封套與靜密封套之間；液壓站為油缸提供動力，油缸帶動動密封套可以將旋塞閥夾緊將對旋塞閥兩端密封，一旦旋塞閥兩端密封水壓站即可向旋塞閥內部注水循環(huán)、截至升壓及穩(wěn)壓保壓最終完成整個靜水壓試驗動作。

圖1 試壓裝置結構圖

2 主要零部件設計計算

2.1 推力油缸主要參數(shù)計算

旋塞閥壓緊密封結構見圖2，油缸推力、試驗架反力與內部水壓力平衡，保證動密封套不后退，壓力不外泄，根據文獻[1]可知常用旋塞閥螺紋有65/8REG、NC50、NC46、NC38、NC31、NC26等，根據公式(1)分析可知,當P值一定的情況下，F(xiàn)與A成正比例關系。液體靜壓力作用在固體壁面上力：

圖2 旋塞閥壓緊密封結構

F=PA/1000

(1)

式中：F為旋塞閥內部水壓力kN;P為液體內部壓力MPa;A為液體作用面積mm2。

常用旋塞閥靜水壓試驗一般分為低壓測試及額定工作壓力測試，低壓測試壓力一般在1.4～2.1 MPa之間，常用旋塞閥額定工作壓力一般多為35 MPa或70 MPa，為計算油缸的最大推力僅需要計算測試壓力在70 MPa下的推力即可，另外根據壓力容器在壓力上升到穩(wěn)壓階段會有一個容變過程，因此為滿足70 MPa的穩(wěn)定壓力根據現(xiàn)場經驗穩(wěn)壓前壓力一般要升高到72 MPa左右，因此計算壓力選擇72 MPa，計算壓力確定完成下一步計算出被測旋塞閥的中心液腔的最大面積A即可,根據文獻[2]可知上述常用螺紋中6 5/8REG錐孔面積最大，經計算A=18 617 mm2。將以上數(shù)據帶入公式(1)計算可知，F(xiàn)=1 340.4 kN。根據公式(2)計算液壓缸的出力Ft，為保證內壓不外泄，密封安全可靠，本裝置經現(xiàn)場試驗n≥1.3時可滿足要求，將數(shù)據代入公式(2)可計算Ft=1 742.5 kN。目前較常用的油缸參數(shù)本裝置最終選擇額定壓力70 MPa，最大推力為1 960 kN的液壓油缸，油缸缸筒外徑為247 mm，缸筒與前板采用螺紋連接螺紋長度54 mm。液壓缸的出力：

Ft=F*n

(2)

式中：n為安全因數(shù)。

2.2 液壓站參數(shù)選擇

液壓站為油缸提供液壓動力，因此其參數(shù)需要與油缸工作參數(shù)相匹配，根據2.1分析結果本裝置選用最高壓力為70 MPa的液壓站。

2.3 主要零件強度計算

試驗架主要結構見圖3，主要由后板、4根立柱、4根聯(lián)桿、前板、推拉缸組成，當推拉缸通過動密封套對被測旋塞閥施壓時推力通過旋塞閥傳遞到靜密封套進而作用到整個試驗架上，其中聯(lián)桿受到拉力，立柱受到前、后板的壓力及聯(lián)桿的拉力。聯(lián)桿起到對立柱及前后板的限位作用，因此聯(lián)桿的設計是試驗架設計的關鍵，因此本部分主要對聯(lián)桿零件進行設計分析，經分析聯(lián)桿受到軸向拉力，根據公式(3)對聯(lián)桿進行強度分析可知，聯(lián)桿正應力大小與聯(lián)桿面積及受力相關，根據2.1分析可知油缸最大推力1 960 kN，故僅需要確定[σ]的數(shù)值即可求得A值進而計算出聯(lián)桿直徑。為便于加工，初選比較常用的45、40Cr及42CrMo鋼作為預選材料。根據文獻[3]文獻[4]可知上述材料的性能指標見表1所列。

圖3 試驗架結構

表1 材料性能 /MPa

將上述材料的性能指標結合公式(4)可以計算出材料需用應力[σ]，將[σ]帶入公式(3)為選擇不同材料時聯(lián)桿的初選A值。參照軸類零件許用安全系數(shù)的取用原則，本裝置按n=1.5計算。軸向受拉直桿強度計算：

(3)

式中：[σ]為許用應力，MPa；FN為正應力，kN；A為受力面積，mm2。

許用應力計算：

(4)

式中：Relb為材料下屈服極限，MPa；n為安全因數(shù)。

經計算[σ]45=237，[σ]40Cr=523，[σ]42CrMo=620。根據計算的許用應力數(shù)值結合公式(3)算得A45≥8270，A40Cr≥3747，A42CrMo≥3161。為便于加工制造聯(lián)桿按圓截面設計，再根據直徑與面積關系公式求得不同材料制造的單根聯(lián)桿軸徑D分別為，D45≥52 mm，D40Cr≥35 mm，D42CrMo≥32 mm。綜合考慮成本及尺寸原因，本設備選取材料為40Cr材料制造，兩端采用米制螺紋限位固定，熱處理工藝選擇淬火后高溫回火處理。根據文獻[5]中選擇M42粗牙螺紋，聯(lián)桿最小徑按42 mm選取，最大徑按48 mm選取。

2.4 前板、后板及立柱的設計思路

根據聯(lián)桿螺紋尺寸可確定聯(lián)桿螺母及螺母墊尺寸，通過螺母墊尺寸可以初步確定立柱與螺母接觸面尺寸進一步通過強度分析最終可完成對立柱的尺寸設計；另根據2.1油缸的基本尺寸并結合常用旋塞閥尺寸即可初步確定前板及后板的基本尺寸，經分析即可完成對前板及后板的設計，最終完成對整個試驗架的設計。

2.5 水壓站參數(shù)選擇

根據2.1節(jié)分析可知，旋塞閥試壓分為低壓及額定壓力測試，因此水壓站的工作參數(shù)按低壓2.1 MPa，高壓72 MPa要求選擇相關元器件?？傮w結構按分檔增壓設計，前級選擇最高工作壓力為10 MPa的大流量柱塞泵，二級增壓選擇增壓能力為75 MPa的液動增壓泵。

2.6 水壓輔件的選擇

根據旋塞閥的試壓測試特點，壓力截止閥選擇兩級截止，管線前一級采用高壓截止閥，后一級采用低壓截止閥截至；根據壓力變送器的量程與精度之間的關系，管線壓力變送器采用高低壓分級檢測的方式，高壓檢測使用高壓壓力變送器檢測，低壓檢測使用低壓壓力變送器檢測。低壓壓力變送器選擇0～5 MPa量程，高壓選擇0～100 MPa量程。

3 設計創(chuàng)新及運行效果

與傳統(tǒng)的旋塞閥靜水壓測試裝置相比較，本裝置在以下兩個方面進行了創(chuàng)新設計。首先，將液壓缸引入機構中，利用液壓缸缸桿的推力對旋塞閥實現(xiàn)壓緊密封來提高工作效率，降低螺紋損壞風險；其次，水壓站采用柱塞泵與液動增壓器配合工作的兩級增壓方案。前級增壓利用柱塞泵的大流量特性可以對被測閥體內部空腔迅速注水，提高注水效率。后級增壓選用的液動增壓器與常規(guī)采用的氣動增壓器比較具有體積小巧工作穩(wěn)定的特點。本裝置投入使用后，經工廠現(xiàn)場應用與常規(guī)裝置對比發(fā)現(xiàn)。首先，在裝卡及拆卸時間上，較常規(guī)試壓裝置分別縮短了約為30%左右；其次，與傳統(tǒng)試壓裝置需要兩人配合工作比較，本裝置僅需一人操作即可完成整個試壓流程；第三，經對多組旋塞閥測試，對螺紋部位進行檢查發(fā)現(xiàn)，該裝置不會對旋塞閥兩端螺紋產生異常磨損或損壞；另外在工作特性方面與常規(guī)裝置同樣具有升壓迅速、密封可靠及運行穩(wěn)定的特點。符合最初設計預期同時能夠滿足現(xiàn)場使用。

4 結 語

對旋塞閥靜水壓快速試壓裝置的設計及分析進行了較為詳細的介紹，經現(xiàn)場實際測試該裝置基本功能滿足旋塞閥水壓測試要求，同時能夠提高裝卡及拆卸效率達到了最初的設計要求。此次裝置的設計不僅對旋塞閥產品的靜水壓快速測試有著一定的借鑒意義，同時也希望給能源行業(yè)由勞動密集型行業(yè)向機械化自動化方向發(fā)展提供一定的借鑒。