螺栓損傷對環(huán)形防噴器密封的影響及維修建議

李中華，嚴金林，孫娟，曾喬，萬春燕，楊超

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

重慶開縣“12·23”的特大型井噴事故，促使人們提高了對井控工作安全重要性的認識，對井控裝備的管理要求也日趨嚴格。隨著油氣行業(yè)對安全工作和井控裝備管理力度的逐年加強，井控裝備已經(jīng)成為作業(yè)隊施工的必備器材。王海濤[1]針對目前防噴器檢修流程及存在的問題提出了改進措施。郭強[2]在防噴器檢修過程中存在的損壞形式、執(zhí)行標準及影響檢修的因素進行了分析，提出了改進措施。袁建華[3]針對防噴器殼體裂紋缺陷進行了安全評估研究，針對防噴器裂紋特性建立了防噴器裂紋事故樹，利用軟件對其進行重要度分析，確定了各基本事件的危險程度，為防噴器殼體的安全評價提供了理論支撐。隋旭東[4]通過現(xiàn)場調(diào)查確定了環(huán)形防噴器發(fā)生失效的主要形式，確定了頂事件，編制了故障樹，對環(huán)形防噴器進行了定性定量分析。史輝[5]對井控防噴器檢測存在的問題提出了應(yīng)對維護措施。舒鵬[6]提出按照防噴器年限進行判廢是不合理的，防噴器判廢準則需結(jié)合防噴器的機構(gòu)和生產(chǎn)程序及國外防噴器管理方法，應(yīng)建立在防噴器的全面檢測上。上述文獻主要進行了理論探討，為了確保井控裝備的安全可靠性，SY/T 6160-2014《防噴器檢查和維修》[7]中不僅規(guī)定了防噴器的檢修維護內(nèi)容，也明確了防噴器關(guān)鍵指標的判廢規(guī)則，對殼體密封、通徑磨損、螺栓損傷等方面提出了防噴器判廢相關(guān)指標，其中對環(huán)形防噴器螺栓損傷的判廢規(guī)則如下：對環(huán)形防噴器，連接頂蓋與殼體的螺紋孔，有兩個或兩個以上嚴重損傷，且無法修復(fù)，將對防噴器進行判廢。目前這一判廢指標主要來自于工程經(jīng)驗，關(guān)于具體數(shù)值的計算還未見研究。本文將使用有限元仿真對環(huán)形防噴器頂蓋與殼體之間螺栓損傷開展分析，研究螺栓損傷數(shù)量對防噴器密封性能的影響。

1 環(huán)形防噴器

環(huán)形防噴器作為井控裝備的關(guān)鍵組成部分，其主要功能是鉆井、試油、修井等作業(yè)過程中控制井口壓力，有效地預(yù)防井噴事故發(fā)生。環(huán)形防噴器通常與閘板防噴器配套使用，按照膠芯的不同，環(huán)形防噴器一般分為以下3種：錐形膠芯環(huán)形防噴器、球型膠芯環(huán)形防噴器、組合膠芯環(huán)形防噴器[4]。常規(guī)作業(yè)中球型膠芯環(huán)形防噴器應(yīng)用廣泛，球形膠芯環(huán)形防噴器關(guān)鍵部件包含殼體、頂蓋、活塞、膠芯等。頂蓋與殼體之間通常采用螺栓緊固連接，膠芯呈半球型，多個鑄鋼支撐筋沿其徑向均勻分布，頂蓋內(nèi)腔為半球面造型，活塞的半剖面形狀呈“Z”字形。球型膠芯環(huán)形防噴器結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 球型環(huán)形防噴器零部件組成

2 模型簡化

球型環(huán)形防噴器關(guān)鍵部件頂蓋與殼體通過螺栓連接，在螺栓預(yù)緊力作用下，頂蓋與殼體端面將壓緊，從而保證了防塵圈與殼體外部密封。本文以某35-70球型環(huán)形防噴器為分析對象，研究頂蓋與殼體之間連接螺栓損傷對環(huán)形防噴器密封性能的影響。因本研究只關(guān)心螺栓損傷對頂蓋與殼體之間的密封狀態(tài)的影響，因而不考慮環(huán)形防噴器膠芯，只考慮頂蓋、殼體、活塞等關(guān)鍵部件，其幾何結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。環(huán)形防噴器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 35-70環(huán)形防噴器

表1 環(huán)形防噴器主要技術(shù)參數(shù)

3 有限元分析

有限元素方法的核心思想是結(jié)構(gòu)離散化，即對連續(xù)物體采用離散化處理，通過簡單幾何網(wǎng)格單元來近似逼近連續(xù)物體的形狀，根據(jù)物理方程及邊界條件綜合求解，對連續(xù)體模型進行網(wǎng)格劃分時，不僅要考慮對物體幾何形狀的準確描述，也要考慮變形梯度對物體的影響。防噴器的細節(jié)特征如圓孔、倒角等將影響模型網(wǎng)格質(zhì)量，在不影響模型整體受力情況下將環(huán)形防噴器各部件導入有限元分析軟件中，忽略頂蓋、殼體、活塞等零件的細節(jié)特征（如圓孔、倒角等），其模型如圖3所示。

圖3 頂蓋與殼體簡化模型

常用環(huán)形防噴器頂蓋、殼體、防塵圈、活塞材料為30CrMoA，材料的力學性能如表2所示。

表2 環(huán)形防噴器關(guān)鍵部件材料力學性能參數(shù)

對環(huán)形防噴器進行網(wǎng)格劃分，殼體、活塞、防塵圈是環(huán)形體，采用高質(zhì)量六面體網(wǎng)格進行劃分，因殼體屬于復(fù)雜拓撲模型，無法完全采用六面體網(wǎng)格進行劃分，對齊采用六面體與四面體網(wǎng)格混合進行劃分，環(huán)形防噴器共有123 815個六面體網(wǎng)格、5809 個四面體網(wǎng)格、159 297個節(jié)點。環(huán)形防噴器網(wǎng)格劃分示意如圖4所示。

圖4 環(huán)形防噴器法蘭網(wǎng)格劃分

環(huán)形防噴器在實際工作中，首先需將頂蓋與殼體之間螺栓進行預(yù)緊，使殼體和頂蓋之間接觸壓緊，然后進行防噴器加壓。連接螺栓規(guī)格為1-7/8 in，根據(jù)API 6A-21[8]標準附錄H，屈服強度為550 MPa的螺栓預(yù)緊力為428 kN。因環(huán)形防噴器螺栓多，且每個螺栓與環(huán)形防噴器頂蓋和殼體存在接觸，若將螺栓全部考慮為實體，會使本分析計算復(fù)雜，加大計算機計算工程量，因本計算中不關(guān)心螺栓具體變形，Abaqus中連接器（connector）是用于連接模型裝配件中的兩個點，建立它們之間的運動約束關(guān)系，其中translator可用來模擬螺栓的預(yù)緊效果，因此采用連接器（connector）中translator 來模擬螺栓的預(yù)緊力及變形，在建好的連接器中施加螺栓預(yù)緊力，圖5為環(huán)形防噴器采用連接器進行加載示意圖。

圖5 防噴器螺栓預(yù)緊力加載示意圖

殼體法蘭下表面與頂蓋上表面均通過螺栓連接在其他井控部件上，保持環(huán)形防噴器的固定，因此將殼體法蘭下表面和頂蓋法蘭上表面設(shè)為固定約束。環(huán)形防噴器在工作時，內(nèi)部將承受井內(nèi)工作壓力，本計算中頂蓋、殼體、防塵圈承受35 MPa工作壓力，環(huán)形防噴器位移及載荷加載示意圖如圖6所示。

圖6 防噴器位移及載荷加載示意圖

4 螺栓損傷數(shù)量研究

環(huán)形防噴器頂蓋與殼體共有24個連接螺栓，為便于研究環(huán)形防噴器螺栓損傷對殼體和頂蓋之間密封的影響，對螺栓逆時針進行編號（如圖7）。本文將研究無螺栓損傷、1個螺栓損傷（1#螺栓）、相鄰兩個螺栓損傷（1#螺栓和2#螺栓）、間隔兩個螺栓損傷（1螺栓#和3#螺栓）情況下對頂蓋與殼體之間密封性能的影響。

圖7 螺栓編號

5 結(jié)果分析

對上述4種螺栓損傷工況進行有限元分析，圖8～圖11分別為無螺栓損傷、1個螺栓損傷（1#螺栓損傷）、相鄰2個螺栓損傷（1#和2#兩個螺栓）情況下35-70環(huán)形防噴器的應(yīng)力及位移云圖，4種工況下環(huán)形防噴器的最大應(yīng)力和最大變形數(shù)值相差不大，從應(yīng)力和位移云圖無法直接判斷螺栓損傷數(shù)量對環(huán)形防噴器頂蓋與殼體之間密封性能的影響。需通過對頂蓋與殼體之間的接觸應(yīng)力及頂蓋環(huán)形路徑上的節(jié)點位移進行研究分析來判定其密封性能。

圖8 無螺栓損傷時環(huán)形防噴器應(yīng)力及位移云圖

圖11 相鄰2個螺栓損傷時環(huán)形防噴器應(yīng)力及位移云圖

為研究在不同螺栓損傷數(shù)量下頂蓋與殼體之間密封性能，需研究頂蓋與殼體之間的接觸應(yīng)力和位移，選取頂蓋下方點與殼體接觸應(yīng)力和頂蓋最下方點為研究對象，其中頂蓋環(huán)形路徑如圖12所示。

圖12 環(huán)形防噴器路徑

提取不同工況下頂蓋環(huán)形路徑下其節(jié)點的接觸應(yīng)力，頂蓋路徑上的節(jié)點接觸應(yīng)力隨螺栓損傷數(shù)量變化（如圖13），以無螺栓損傷工況下頂蓋節(jié)點接觸應(yīng)力為參考，可以看到當1個螺栓、間隔2個螺栓、相鄰2個螺栓損傷時，頂蓋與殼體在路徑上接觸應(yīng)力比無螺栓損傷時小，其中相鄰2個螺栓損傷對頂蓋密封節(jié)點上的接觸應(yīng)力影響區(qū)域最大，在螺栓損傷處其節(jié)點接觸應(yīng)力降為零。當1個螺栓損傷時，頂蓋與殼體在路徑上接觸應(yīng)力比無螺栓損傷時接觸應(yīng)力有所減小，但接觸應(yīng)力不為零，說明1個螺栓損傷時頂蓋和殼體之間在螺栓損傷區(qū)域二者之間壓緊程度有所降低，但仍存在一定程度壓緊，此時不影響防噴器的密封性能。當間隔2個螺栓損傷時，壓緊程度比1個螺栓損傷程度時的壓緊低，仍有一定壓緊，當有2個相鄰螺栓損傷時，螺栓損傷區(qū)域處的接觸應(yīng)力為零，意味著頂蓋和殼體之間不存在接觸情況，兩者存在間隙，說明在螺栓損傷處頂蓋與殼體無法壓緊，將影響防噴器的密封性能。

圖9 1個螺栓損傷時環(huán)形防噴器應(yīng)力及位移云圖

圖10 間隔2個螺栓損傷時環(huán)形防噴器應(yīng)力及位移云圖

提取不同工況下頂蓋環(huán)形路徑下其節(jié)點的法 向 位移，頂蓋密封圈路徑上的節(jié)點法向位移隨螺栓損傷數(shù)量變化如圖14所示，以無螺栓損傷工況的頂蓋的節(jié)點位移為參考，1個螺栓及間隔2個螺栓損傷時，頂蓋環(huán)形路徑下的節(jié)點位移在螺栓損傷處的變形相對無螺栓損傷時變形有所減小，相鄰2個螺栓損傷對頂蓋密封節(jié)點上的變形影響區(qū)域最大，同時螺栓損傷處節(jié)點位移大幅減少，結(jié)合圖13的節(jié)點接觸應(yīng)力分布情況，進一步說明頂蓋與殼體兩者存在間隙，說明螺栓損傷處頂蓋與殼體無法壓緊，將影響防噴器的密封性能。

圖13 頂蓋密封路徑上接觸應(yīng)力隨螺栓損傷情況變化圖

圖14 頂蓋密封路徑上位移隨螺栓損傷情況變化圖

6 結(jié)論

本文研究了環(huán)形防噴器在不同螺栓損傷數(shù)量對頂蓋與殼體之間的密封性能的影響，以無螺栓損傷工況下環(huán)形防噴器頂蓋路徑上的節(jié)點接觸力及位移為參考，可以看到：

1）當環(huán)形防噴器頂蓋與殼體連接螺栓損傷數(shù)量為1個時，在螺栓損傷處接觸應(yīng)力較無螺栓損傷時應(yīng)力及位移變形有所降低，未損傷螺栓處其節(jié)點接觸應(yīng)力和位移變形幾乎無變化，此時仍可進行有效密封；

2）當間隔2 個螺栓損傷時，頂蓋與殼體之間節(jié)點接觸應(yīng)力和變形位移相對螺栓損傷時變形有所降低，同時也比1個螺栓損傷工況時的接觸應(yīng)力和位移變形小，但二者之間接觸應(yīng)力未降至零，說明頂蓋與殼體之間依然存在一定密封效果；

3）當相鄰2個螺栓同時損傷時，在螺栓損傷處區(qū)域頂蓋與殼體之間的接觸應(yīng)力為零，螺栓損傷處的位移變形也大幅下降，意味在螺栓損傷區(qū)域頂蓋與殼體無法壓緊，頂蓋與殼體在螺栓損傷區(qū)域存在間隙，將影響防噴器性能。

綜上所述，從本研究可以看到，間隔2個螺栓損傷時頂蓋與殼體之間仍存在密封能力，文獻[7]中提出“有2個或2個以上嚴重損傷，且無法修復(fù)將對防噴器進行判廢”，該判廢標準過于保守，建議更改為“2個且2個螺栓為相鄰螺栓嚴重損傷且無法修復(fù)時建議對防噴器進行判廢”。