田占川， 王軍偉， 周小明， 李永飛

（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(guò)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(guò)高發(fā)生事故。

公司設(shè)計(jì)開發(fā)出自主知識(shí)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(jì)，2013年完成樣機(jī)試制，2014年9月完成廠內(nèi)型式試驗(yàn)。盡管在安全閥研制過(guò)程中,對(duì)主要承壓件、受力件進(jìn)行了有限元分析和計(jì)算等工作，但各部件受力情況僅用理論計(jì)算是不夠的，一般還要對(duì)其進(jìn)行型式試驗(yàn)，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(yàn)是設(shè)計(jì)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(duì)3種試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)估，闡述了它們各自的優(yōu)點(diǎn)及不足，并最終確定一種最優(yōu)的試驗(yàn)方法。

1 JA-3×35安全閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，排出的高壓液體通過(guò)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(gè)企圖推動(dòng)剪銷板5繞長(zhǎng)銷軸7順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)不讓剪銷板5繞銷軸7順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的反時(shí)針力矩。鉆井泵排出的高壓液體壓力越高，產(chǎn)生的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)力矩越大。當(dāng)產(chǎn)生的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大于安全銷所能承受的最大逆時(shí)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(zhǎng)銷軸中心的距離）時(shí)，安全銷就被剪斷，剪銷板5繞銷軸7順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞推著活塞桿迅速上行，高壓液體通過(guò)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(xiǎn)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(yùn)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(zhǎng)銷孔位置其余6個(gè)不同位置孔為剪切銷孔。這6個(gè)剪切銷孔分別對(duì)應(yīng)6個(gè)不同的放噴壓力值，以滿足鉆井泵安裝不同直徑缸套時(shí)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(jì)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(yàn)方法

JA-3×35安全閥的設(shè)計(jì)借鑒了現(xiàn)有剪銷式安全閥的結(jié)構(gòu)，對(duì)其吸入口和排出口進(jìn)行了小的改進(jìn)。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(jì)的放噴壓力值一般允許誤差不超過(guò)設(shè)定值的±10%，因此試驗(yàn)的準(zhǔn)確性極大地取決于試驗(yàn)方法的選擇。

3.1 直接加壓法

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

圖3 直接加壓試驗(yàn)法

圖4 直接加壓試驗(yàn)曲線圖

3.2 全工況模擬試驗(yàn)法

在全工況模擬試驗(yàn)中，完全模擬安全閥實(shí)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(lái)，加壓裝置通過(guò)四通對(duì)安全閥加壓（如圖5）。

3.3 半工況模擬試驗(yàn)法

在半工況模擬試驗(yàn)中，四通將安全閥與空氣包（不帶氣囊）及壓力表連接起來(lái)，加壓裝置通過(guò)安裝在四通上的進(jìn)液接頭對(duì)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(yàn)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)裝置主要組成部分

圖5 全工況模擬試驗(yàn)法示意圖

圖6 全工況模擬試驗(yàn)曲線圖

圖7 改進(jìn)的工裝試驗(yàn)法

圖8 半工況模擬試驗(yàn)曲線圖

試驗(yàn)基礎(chǔ)（包括試驗(yàn)地坑及周邊安全防護(hù)措施）、動(dòng)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(cè)系統(tǒng)（包括壓力控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等）、機(jī)械裝置本體（包括安全閥、試驗(yàn)工裝）、地坑規(guī)格（長(zhǎng)×寬×高）6.0 m×4.0 m×3.5 m。2臺(tái)增壓泵型號(hào)CB400-15/CB250-15,最高工作壓力400/250 MPa，額定流量105/180 L/h，電動(dòng)機(jī)功率15 kW（變頻電動(dòng)機(jī)），泵沖88/108 r/min。

4.2 全工況模擬試驗(yàn)結(jié)果

全工況模擬試驗(yàn)法完全模擬了JA-3×35安全閥的實(shí)際工況，針對(duì)6個(gè)放噴壓力值共做不少于50次試驗(yàn)，分別對(duì)試驗(yàn)放噴壓力及其承壓時(shí)間進(jìn)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(shí)，最大誤差9%；放噴壓力為15.2 MPa時(shí)，最大誤差9%；放噴壓力為20.0 MPa時(shí)，最大誤差8%；放噴壓力為25.5 MPa時(shí)，最大誤差-8%；放噴壓力為31.7 MPa時(shí)，最大誤差-8%，放噴壓力為37.9 MPa時(shí)，最大誤差-8%。

表1 試驗(yàn)放噴壓力及其承壓時(shí)間數(shù)據(jù)采集表

4.3 直接加壓試驗(yàn)結(jié)果

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)定壓力值相差很大，針對(duì)6個(gè)放噴壓力值只作5組試驗(yàn)，試驗(yàn)放噴壓力及其承壓時(shí)間記錄（表2）。

由表2，可看出試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與設(shè)定放噴壓力的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了10%，試驗(yàn)時(shí)間較短。

表2 試驗(yàn)放噴壓力及其承壓時(shí)間記錄表

4.4 半工況模擬試驗(yàn)結(jié)果

同樣針對(duì)6個(gè)放噴壓力值做不低于50次試驗(yàn)，分別對(duì)試驗(yàn)放噴壓力及其承壓時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄（表3）。

表3 試驗(yàn)放噴壓力及其承壓時(shí)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(shí)，最大誤差9%；放噴壓力為15.2 MPa時(shí)，最大誤差9%；放噴壓力為20.0 MPa時(shí)，最大誤差8%；放噴壓力為10.3 MPa時(shí)，最大誤差8%；放噴壓力為25.5 MPa時(shí)，最大誤差6%；放噴壓力為31.7 MPa時(shí)，最大誤差-7%，放噴壓力為37.9 MPa時(shí)，最大誤差-8%。

5 試驗(yàn)評(píng)估

5.1 全工況模擬與半工況模擬對(duì)比

全工況模擬試驗(yàn)與半工況模擬試驗(yàn)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(yàn)加壓時(shí)，試驗(yàn)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(guò)程，導(dǎo)致加壓、注水耗時(shí)約35～65 min,遠(yuǎn)大于半工況模擬試驗(yàn)的安全閥承壓時(shí)間5～9 min。試驗(yàn)結(jié)果分別如表1、表3所示。

5.2 直接加壓試驗(yàn)與半工況模擬對(duì)比

直接加壓試驗(yàn)時(shí)間較短，歷時(shí)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(yuǎn)偏離了誤差的允許值。由于在半工況模擬試驗(yàn)中,安全閥通過(guò)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(dòng)度；直接試驗(yàn)法未能提供足夠的緩沖空間，加壓裝置在注水增壓過(guò)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(shí)壓力很大（在試驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)顯示區(qū)未來(lái)得及采集、顯示）導(dǎo)致安全閥提前打開、放噴。試驗(yàn)結(jié)果如表2及表3所示。

6 結(jié) 論

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

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