李慎奎，劉士巖，郝 斌，王紅麗，王坤青，張 寧

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

防噴器高溫高壓密封試驗(yàn)裝置研制

李慎奎，劉士巖，郝 斌，王紅麗，王坤青，張 寧

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

深井通常伴隨著高溫、高壓，為了確保鉆井安全，防噴器必須具有可靠的密封性。研制了一種防噴器高溫高壓密封試驗(yàn)裝置，可對(duì)防噴器進(jìn)行高溫、高壓的密封試驗(yàn)。介紹了該裝置的總體方案、中央控制室、熱油站、安全控制系統(tǒng)、升壓系統(tǒng)、加熱線圈。進(jìn)行了防噴器?89～?149 mm變徑閘板、?149 mm半封閘板的高溫高壓密封試驗(yàn)，取得了良好的效果，為防噴器在高溫高壓環(huán)境下工作安全性提供重要技術(shù)支撐。

防噴器；高溫；高壓；密封；試驗(yàn)

防噴器組是保證深井鉆井作業(yè)安全的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是控制井口壓力，防止井噴、井涌，保證人員、設(shè)備安全，避免環(huán)境污染和油氣資源破壞。由于深井通常伴隨著高溫、高壓，發(fā)生井涌的風(fēng)險(xiǎn)高，工作環(huán)境十分惡劣，一旦井控失敗，將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。防噴器作為鉆井安全的核心部分[1-3]，必須在高溫高壓環(huán)境下具有可靠的密封性，需滿足API 16A規(guī)定溫度的最高F級(jí)別，即溫度高達(dá)177.8 ℃的環(huán)境中，防噴器實(shí)現(xiàn)105 MPa超高壓力的可靠密封[4-8]。為了確保防噴器在高溫高壓環(huán)境中安全、穩(wěn)定的工作，研制了深井防噴器高溫高壓密封試驗(yàn)裝置。

1 防噴器

深井防噴器的核心功能是在高溫、高壓環(huán)境下具有可靠的密封性。例如，2FZ48-105型防噴器的4處密封起作用才能有效地密封井口，即：閘板頂密封與殼體的密封；閘板前密封與管柱、殼體及前密封相互間的密封；殼體與側(cè)門之間的密封；閘板軸與側(cè)門間的密封。2FZ48-105型防噴器如圖1所示。

圖1 2FZ48-105型防噴器

閘板的密封過(guò)程分為2步：一是在液壓油作用下閘板軸推動(dòng)閘板前密封膠芯擠壓變形密封前部，頂密封膠芯與殼體間過(guò)盈壓縮密封頂部，從而形成初始密封；二是在井內(nèi)有壓力時(shí)，井壓從閘板后部推動(dòng)閘板前密封進(jìn)一步擠壓變形，同時(shí)井壓從下部推動(dòng)閘板上浮貼緊殼體上密封面，從而形成可靠的密封，亦即井壓助封作用。

2 試驗(yàn)裝置

高溫高壓密封試驗(yàn)裝置主要由中央控制室、熱油站、安全控制系統(tǒng)、升壓室、試驗(yàn)區(qū)等部分組成?？傮w方案如圖2所示。

圖2 防噴器高溫高壓試驗(yàn)裝置總體方案

工作原理：?jiǎn)?dòng)熱油站，通過(guò)油泵將高溫油，經(jīng)進(jìn)油管線進(jìn)入加熱盤管，通過(guò)盤管散熱使防噴器內(nèi)高壓液體升溫，熱油經(jīng)過(guò)盤管，從回油管線流回?zé)嵊驼荆俅伪患訜?，周而?fù)始直至將防噴器內(nèi)腔溫度升至試驗(yàn)要求的溫度，進(jìn)入保溫控制。關(guān)閉閘板，通過(guò)升壓室的升壓系統(tǒng)將防噴器內(nèi)腔壓力升至試驗(yàn)要求的壓力，保壓，進(jìn)行防噴器高溫高壓下的膠件密封試驗(yàn)。

3 盤管設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 熱平衡計(jì)算

盤管產(chǎn)生的熱量與防噴器吸收的熱量達(dá)到平衡時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的試驗(yàn)溫度。

由于防噴器外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了方便計(jì)算，簡(jiǎn)化處理為圓筒型結(jié)構(gòu)，設(shè)有上下端蓋，如圖3所示。

圖3 2FZ48-105型防噴器外形及簡(jiǎn)化模型

根據(jù)防噴器內(nèi)腔的安裝空間及工作壓力，初定盤管尺寸?22 mm×6 mm，材料為合金鋼，導(dǎo)熱系數(shù)λ=45 W/(m2·℃)；防噴器內(nèi)腔熱油溫度t1=177.8 ℃，外表面溫度t2=100 ℃；簡(jiǎn)化模型內(nèi)圓r1=0.24 m，外圓r2=0.638 m，長(zhǎng)度L=1.88 m，厚度b=0.28 m；端蓋面積S=1.28 m2。當(dāng)熱傳導(dǎo)平衡時(shí)，對(duì)防噴器進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，根據(jù)傅里葉定律，計(jì)算傳遞熱量Q為

(1)

根據(jù)熱平衡原理，對(duì)盤管進(jìn)行分析。盤管釋放熱量與防噴器吸收熱相等，將Q=74.307 kW，內(nèi)圓rg1=0.005 m，外圓rg2=0.011 m，盤管內(nèi)液體溫度tg2=280 ℃，外壁溫度tg1=240 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=35 W/(m2·℃)代入式(2)，盤管長(zhǎng)度為

(2)

即盤管長(zhǎng)度在6.8 m，盤管內(nèi)液體溫度t2=280 ℃時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)防噴器內(nèi)腔試驗(yàn)熱油溫度為177.8 ℃，達(dá)到熱平衡。

考慮模型簡(jiǎn)化所造成的誤差，增加盤管的長(zhǎng)度，取3倍系數(shù)，盤管長(zhǎng)度為20.4 m。

3.2 強(qiáng)度校核

在280 ℃的高溫，105 MPa外壓環(huán)境下，盤管所處的環(huán)境極端惡劣，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。

根據(jù)ASMEⅡ-D外壓或壓縮載荷作用下的幾何尺寸線算圖及外壓作用下確定部件殼體厚度用線算圖(如圖4～5)，進(jìn)行強(qiáng)度校核。

已知盤管長(zhǎng)度L=20.4 m，外徑D=0.022 m，厚度δ=0.006 m。

根據(jù)L/D=20.4/0.022=927≥50，查圖4，取L/D=5。

由D/δ=0.022/0.006=3.66，查圖4，系數(shù)A=0.6。

根據(jù)A=0.6，熱油溫度280 ℃，查圖5，確定參數(shù)B=300 MPa。

按ASME計(jì)算最大外壓許用應(yīng)力為

pt=122.76MPa>105MPa,盤管強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)圖5，選取盤管的材料為20CrMo。

圖4 外壓或壓縮載荷作用下的幾何尺寸線算圖

圖5 SA-517所有級(jí)別建造時(shí)受外壓部件確定殼體厚度用線算圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 變徑閘板高溫高壓密封試驗(yàn)

將2FZ48-105型防噴器更換?89～?149 mm變徑閘板，安裝?89 mm的試驗(yàn)棒，防噴器內(nèi)腔充滿試壓油，熱油站輸出熱油溫度設(shè)定為280 ℃。通過(guò)盤管加熱1 h后，試壓油溫至121 ℃，關(guān)閉閘板，完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作。

1) 變徑閘板膠件高溫低壓密封試驗(yàn)。

變徑閘板膠件高溫低壓密封曲線如圖6，初始?jí)毫?.96 MPa，初始溫度121 ℃，穩(wěn)壓4 min，結(jié)束壓力為3.47 MPa，結(jié)束溫度122 ℃，密封效果良好，符合API 16A規(guī)定的高溫低壓密封要求。

圖6 變徑閘板膠件高溫低壓密封曲線

2) 變徑閘板膠件高溫高壓密封試驗(yàn)。

關(guān)閉閘板，升壓至試驗(yàn)要求壓力，保溫、保壓。變徑閘板膠件高壓高溫密封曲線如圖7，初始?jí)毫?04.74 MPa，初始溫度121 ℃，穩(wěn)壓60 min，結(jié)束壓力為109.9 MPa，結(jié)束溫度123 ℃，密封效果良好，符合API 16A規(guī)定的高溫高壓密封要求，試驗(yàn)合格。

圖7 變徑閘板膠件高溫高壓密封曲線

變徑閘板膠件試驗(yàn)前、后形貌對(duì)比如圖8所示。

圖8 變徑閘板膠件試驗(yàn)前、后形貌

4.2 半封閘板高溫密封試驗(yàn)

將2FZ48-105型防噴器的?89～?149 mm變徑閘板更換為?149 mm半封閘板，安裝?149 mm的試驗(yàn)棒，內(nèi)腔充滿試壓油，熱油站輸出熱油溫度設(shè)定300 ℃，通過(guò)盤管加熱了3 h，試壓油至177.8 ℃，關(guān)閉閘板，完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作。

1) 半封閘板膠件高溫低壓密封試驗(yàn)。

半封閘板膠件高溫低壓密封曲線如圖9，初始?jí)毫?.67 MPa，初始溫度180 ℃，穩(wěn)壓4 min，結(jié)束壓力為1.61 MPa，結(jié)束溫度177 ℃，密封效果良好，符合API 16A的規(guī)定的高溫低壓密封要求。

圖9 半封閘板膠件高溫低壓密封曲線

2) 半封閘板膠件高溫高壓密封試驗(yàn)。

關(guān)閉閘板，升壓至試驗(yàn)要求壓力，保溫、保壓，半封閘板膠件高溫低壓密封曲線如圖10，初始?jí)毫?05.32 MPa，初始溫度179 ℃，穩(wěn)壓60 min，結(jié)束壓力為105.61 MPa，結(jié)束溫度180 ℃，密封效果良好，符合API 16A規(guī)定的高溫高壓密封要求，試驗(yàn)合格。

圖10 半封閘板膠件高溫高壓密封曲線

變徑閘板膠件試驗(yàn)前、后形貌對(duì)比如圖11所示。

圖11 半封閘板膠件試驗(yàn)前、后形貌

5 結(jié)論

1) 防噴器高溫高壓密封試驗(yàn)裝置安全可靠。完成了2FZ48-105型防噴器在溫度121 ℃、壓力105 MPa等級(jí)的變徑閘板膠件高溫高壓密封試驗(yàn)和溫度177.8 ℃、壓力105 MPa等級(jí)的半封閘板膠件高溫高壓密封試驗(yàn)，為深井防噴器安全可靠的應(yīng)用提供了保障。

2) 試驗(yàn)中，防噴器內(nèi)加入的是導(dǎo)熱油(試壓油)作為試驗(yàn)介質(zhì)，成本高，容易造成環(huán)境污染?？梢試L試用水作為導(dǎo)熱試驗(yàn)介質(zhì)，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，但存在一定的危險(xiǎn)性。

[1] 侯國(guó)慶，許宏奇，粟京，等.F48-70型水下防噴器組研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45(5)：37-42.

[2] 耿艷東，王莎，王衛(wèi)華，等.海洋油氣開(kāi)發(fā)水下防噴器緊急備用控制系統(tǒng)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45(2)：79-83.

[3] 顧和元，侯國(guó)慶，郭雪，等.水下防噴器組控制系統(tǒng)深水模擬試驗(yàn)裝置研制[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42(4)：1-5.

[4] 張智，劉江偉，王思文，等.管殼式換熱器的熱力計(jì)算和數(shù)值仿真[J].金屬材料與冶金工程，2012(1)：33-37.

[5] 薛明德，黃克智，李世玉，等.GB 151中帶膨脹節(jié)固定式換熱器管板計(jì)算方法的改進(jìn)[J].壓力容器，2012(4)：57-61.

[6] 楊寧.高壓容器常見(jiàn)的密封型式與發(fā)展趨勢(shì)分析[J].科技信息，2011(19)：132-133.

[7] 廖小榮.高壓容器筒體端部?jī)煞N密封結(jié)構(gòu)比較[J].大氮肥，2011(5)：328-331.

[8] 周博，陳家旺，顧臨怡.深海高壓環(huán)境下的密封材料變形特性分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010(12)：152-156.

BOP High Temperature and Pressure Seal Test Apparatus

LI Shenkui，LIU Shiyan，HAO Bin，WANG Hongli，WANG Kunqing，ZHANG Ning

(Hebei Rongsheng Manufactory Ltd.of Huabei Oil Field，Renqiu 062552，China)

The deep well is usually accompanied with high temperature and high pressure，blowout preventer must have a reliable sealing，to ensure the safety of drilling.In order to meet the test requirements of high temperature and high pressure resistant sealing of BOP，the BOP was studied under high temperature and high pressure seal test apparatus，including the overall plan，the central control room，oil station，safety control system，boost system，heating coil，and the BOP ?89～?149 mm adjustable shutter，?149 mm half rams high temperature and pressure seal test，field test and achieved good results，which provided technical support for BOP work in high temperature and high pressure environment safety.

BOP；high temperature；high pressure；sealing；test

1001-3482(2016)12-0043-05

2016-06-07

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA09A220)

李慎奎(1981-)，男，遼寧建昌人，碩士研究生，主要從事石油鉆采設(shè)備研究，E-mail：dbdxljm@126.com。

TE931.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.012