鉆井泵安全閥的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析

史衛(wèi)波，曹會(huì)寧, 白麗, 劉均讓, 侯和杰，劉軍

（寶雞石油機(jī)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(shí)，安全閥自動(dòng)打開，將系統(tǒng)中的一部分氣體、流體排出管道，保證系統(tǒng)不因壓力過高而發(fā)生事故[1]。因此，安全閥的靈敏度和可靠性就顯得格外重要，不僅需要對(duì)安全閥的主要承壓件、受力件進(jìn)行分析和計(jì)算，也需要大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，確保其工作的準(zhǔn)確性、可靠性、安全性。

目前油田現(xiàn)場鉆井泵采用的安全閥基本有兩類，即剪銷式和彈簧式安全閥[2]。針對(duì)不同的連接形式，安全閥主要有法蘭連接和由壬連接等兩種連接形式。

海洋鉆井平臺(tái)鉆井泵組配套的安全閥大部分是進(jìn)口的彈簧復(fù)位式安全閥，主要是美國的NOV(National Oilwell Varco) 公司生產(chǎn)的Titan Class Type B和Titan Class Type C型彈簧復(fù)位式安全閥及OTECO等公司生產(chǎn)的安全閥，價(jià)格昂貴，維修成本高。陸地鉆機(jī)的鉆井泵配套的安全閥大部分選用剪銷式安全閥，主要由寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)，型號(hào)主要有JA-3、JA-3H、JA-3×35和JA-3×52剪銷安全閥，價(jià)格低廉，維修成本低。

1 剪銷式安全閥

剪銷式安全閥的工作原理：鉆井泵工作時(shí)，排出的泥漿壓力通過轉(zhuǎn)換法蘭1作用在活塞桿3下部，使活塞桿向上移動(dòng)，而剪銷板4通過剪切銷6被固定在閥體2上，限制了活塞桿的移動(dòng)，當(dāng)排出壓力大于剪切銷6所插入孔對(duì)應(yīng)的壓力值時(shí)，剪切銷6被剪斷，剪銷板4繞著回轉(zhuǎn)銷軸5旋轉(zhuǎn)，活塞桿向上移動(dòng)，安全閥被打開，泥漿通過排出法蘭8及泄放管排出至泥漿罐（池）中。

剪切銷插入不同的孔，對(duì)應(yīng)不同的泄放壓力值，使用時(shí)，可根據(jù)工況決定插入剪切銷。但是設(shè)定的壓力泄放值不能大于鉆井泵配套缸套的額定壓力。

需要復(fù)位時(shí)，將活塞桿向下推，直至活塞與內(nèi)套完全接觸，將剪銷板復(fù)位，插入剪切銷，將安全護(hù)罩蓋上。

此安全閥結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可反復(fù)使用，且性能穩(wěn)定。但是，需要消耗剪切銷，安全閥的控制壓力主要取決于剪切銷的剪切強(qiáng)度[3]和閥體孔位的加工精度，放噴壓力設(shè)定值受到閥體剪切銷孔位數(shù)量的限制。如果生產(chǎn)和制造過程中，剪銷板和閥體的孔的位置度有偏差，或者活塞出現(xiàn)問題，都有可能導(dǎo)致剪銷安全閥在壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，無法動(dòng)作。另外，安全閥在設(shè)置時(shí)，需要操作人員爬上鉆井泵進(jìn)行本地設(shè)置，每次剪斷剪切銷后，泥漿泄壓后產(chǎn)生巨大的沖擊力，對(duì)安全閥內(nèi)的剪銷板、活塞產(chǎn)生一定的磨損，插入剪切銷后，必須蓋好安全罩，防止被剪斷的剪切銷飛出傷人。剪切銷為一次性使用零件，剪斷后必須更換，每次復(fù)位活塞桿時(shí)需檢查活塞膠皮是否完好。由此可見，剪銷安全閥在操作性、維護(hù)性、可靠性和安全性方面都有一定的不足。

2 彈簧復(fù)位式安全閥

圖1 剪銷式安全閥

彈簧復(fù)位式安全閥的工作原理：鉆井泵工作時(shí)，排出的高壓泥漿作用在活塞桿2上，活塞桿2通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)5和勺形杠桿機(jī)構(gòu)6與壓縮彈簧10連接，當(dāng)傳遞給壓縮彈簧10的力大于彈簧的預(yù)緊力時(shí)，彈簧被壓縮，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置被破壞，活塞桿向上移動(dòng)，泥漿通過活塞桿上的排泄孔排出至泄放管匯中，直至泥漿罐（池）中。

通過旋轉(zhuǎn)閥體上的螺母8，可調(diào)整彈簧的壓縮量，參照刻度尺9上不同的壓力值，可設(shè)定需要的泄放壓力值。但是設(shè)定的壓力泄放值不能大于鉆井泵配套缸套的額定壓力。

需要復(fù)位時(shí)，旋轉(zhuǎn)復(fù)位手柄，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)還原至死點(diǎn)位置，活塞桿向下移動(dòng)，流道被切斷。

彈簧復(fù)位式安全閥操作簡單，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)[4]，自動(dòng)放噴和手動(dòng)放噴功能。這種安全閥的缺點(diǎn)是：1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、磨損后壓力誤差大；2）活塞、活塞膠皮、活塞桿、連桿機(jī)構(gòu)、勺形杠桿平衡梁、壓縮彈簧等的幾何形狀、尺寸、力學(xué)性能等要求很高，加工制造困難；3）對(duì)使用維修人員技術(shù)要求高，且配件價(jià)格較貴。

3 自動(dòng)復(fù)位式安全閥

自動(dòng)復(fù)位式安全閥的工作原理：在排出管匯上安裝一個(gè)自動(dòng)復(fù)位式安全閥，控制系統(tǒng)采集壓力值，將采集到的壓力信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并將該信號(hào)發(fā)送給PLC控制器進(jìn)行監(jiān)控和處理。當(dāng)排出壓力值小于控制系統(tǒng)設(shè)定的壓力值時(shí)，給安全閥控制模塊輸出正常信號(hào)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作；當(dāng)排出壓力值大于控制系統(tǒng)設(shè)定的壓力值時(shí)，PLC控制系統(tǒng)及時(shí)給HMI顯示屏發(fā)出報(bào)警信息，并給安全閥控制模塊一個(gè)打開命令，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使安全閥打開。同時(shí)，設(shè)定一個(gè)延遲時(shí)間，當(dāng)延遲時(shí)間倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使安全閥關(guān)閉。在延遲的這段時(shí)間內(nèi)，操作人員可檢查是否存在故障，如有故障，可停泵檢查。

圖2 彈簧復(fù)位式安全閥

圖3 PLC邏輯控制式安全閥原理圖

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含一個(gè)三位兩通防爆電磁閥、氣動(dòng)三聯(lián)件、壓力表及不銹鋼材質(zhì)的氣管線等。

自動(dòng)復(fù)位式安全閥可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)壓力，具備報(bào)警功能，精度更高，無需人工復(fù)位，減少了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。與剪銷式和彈簧復(fù)位式安全閥相比，自動(dòng)復(fù)位式安全閥控制系統(tǒng)具有更好的可操作性、免維護(hù)性、可靠性和安全性[5]。

4 優(yōu)化及建議

1）鉆井泵安全閥是保障鉆井泵安全使用的重要部件，在選用和配套時(shí)，需根據(jù)鉆井泵的性能選用安全閥，且嚴(yán)格按照使用維護(hù)手冊(cè)進(jìn)行使用和維護(hù)。

2）彈簧復(fù)位式安全閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需進(jìn)一步優(yōu)化彈簧復(fù)位式安全閥的結(jié)構(gòu)形式，降低生產(chǎn)成本，加快國產(chǎn)化應(yīng)用，同時(shí)，提升彈簧的剛度穩(wěn)定性和耐腐蝕性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命。

3）自動(dòng)復(fù)位式安全閥，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，且減少人為操作的危險(xiǎn)性。在安全閥控制箱上設(shè)置聲光報(bào)警裝置，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警裝置，即使安全閥未及時(shí)打開，可提醒操作人員迅速去停泵檢查，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)論

通過對(duì)剪銷式安全閥、彈簧復(fù)位式安全閥、自動(dòng)復(fù)位式安全閥的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行梳理和分析，可見與剪銷安全閥相比，彈簧復(fù)位式安全閥可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)泄壓，操作更加簡單，同時(shí)減少了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。與彈簧復(fù)位式安全閥相比，自動(dòng)復(fù)位式安全閥完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，避免了人為操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，彈簧復(fù)位式安全閥和自動(dòng)復(fù)位式安全閥具有更寬的壓力調(diào)節(jié)范圍，操作者可根據(jù)實(shí)際工況自行設(shè)定泄壓值，具有良好的市場應(yīng)用前景。另外，針對(duì)鉆井泵安全閥的使用和設(shè)計(jì)，提出了優(yōu)化方向和建議，為鉆井泵安全閥的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了新的思路。