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(重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331)

在石油工程鉆井過(guò)程中，當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥诰矁?nèi)液柱壓力時(shí)，地層流體有可能進(jìn)入井筒鉆井液中，導(dǎo)致井口出現(xiàn)溢流甚至發(fā)生井噴。目前的井控工藝分為環(huán)空防噴和鉆桿內(nèi)防噴，井口環(huán)空通過(guò)閘板式防噴器等防止井噴，鉆桿內(nèi)防噴是通過(guò)旋塞閥防止井噴。隨著頂驅(qū)的發(fā)展，內(nèi)防噴旋塞閥也逐漸應(yīng)用于頂驅(qū)內(nèi)防噴器中，通過(guò)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由司鉆通過(guò)頂驅(qū)控制箱操作啟閉[1]。

旋塞閥在使用中，主要通過(guò)金屬與金屬的直接接觸并擠壓產(chǎn)生微變形實(shí)現(xiàn)主密封，現(xiàn)役的旋塞閥接連出現(xiàn)球閥與閥座之間密封失效、閥座刺壞、球閥與本體間被泥漿充填、閥座密封面銹蝕等問(wèn)題[2]；球形閥芯的上下閥腔之間形成很大壓差,使閥芯與閥座之間、旋鈕與閥體之間產(chǎn)生很大壓力,增大了摩擦力矩。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕時(shí),巨大的壓力使閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生巨大的摩擦力,導(dǎo)致旋塞閥關(guān)閉和開(kāi)啟困難，極大地影響了旋塞閥的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法及時(shí)控制住井噴事故的發(fā)生[3]。因此，非常有必要對(duì)旋塞閥的工作原理進(jìn)行研究，優(yōu)化現(xiàn)有旋塞閥的結(jié)構(gòu)，使其更好地服務(wù)于鉆井現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)為頂驅(qū)內(nèi)防噴裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 旋塞閥的研究現(xiàn)狀

內(nèi)防噴旋塞閥在使用過(guò)程中，密封失效是其最主要的失效形式。針對(duì)此問(wèn)題，陳浩等[2]進(jìn)行了失效分析，提出了3種主要失效形式：強(qiáng)度失效、閥的球體轉(zhuǎn)動(dòng)失效、密封失效，并分析了失效的機(jī)理；肖曉華等[4]結(jié)合旋塞閥的典型失效案例，建立了失效故障樹(shù)，分析并求出了故障樹(shù)結(jié)構(gòu)重要度，確定了主要失效因素；謝娟等[5]進(jìn)行了失效和受力分析，提出了減小閥體溝槽和增大圓角半徑、采用小通道結(jié)構(gòu)降低壓差等改進(jìn)措施；何玉發(fā)等[6]利用應(yīng)力接觸仿真以及閥體內(nèi)的流場(chǎng)仿真進(jìn)行了失效機(jī)理分析。

為了改進(jìn)密封性能，聶海濱等[7]提出了增加潤(rùn)滑脂的改進(jìn)方法；張繼升等[8]列舉了旋塞閥主密封的主要結(jié)構(gòu)以及使用的主要材料，提出了浮動(dòng)球雙通道的結(jié)構(gòu)；陳浩等[9]提出了一種金屬對(duì)金屬接觸和金屬對(duì)聚四氟乙烯(PTFE)接觸的組合密封結(jié)構(gòu)。這幾種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是改善了密封效果，缺點(diǎn)是沒(méi)有改變摩擦力矩大、旋塞閥啟閉困難的問(wèn)題。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)閥芯時(shí)摩擦力矩大的問(wèn)題，劉紅莉等[10]針對(duì)密封接觸造成的摩擦阻力過(guò)大而使旋塞閥球轉(zhuǎn)不動(dòng)的現(xiàn)象，提出了在旋塞閥上增加操作鍵墊和潤(rùn)滑裝置，如圖1所示；朱衛(wèi)新等[11]提出了2種旋塞閥的工藝改進(jìn)方法：閥體設(shè)置壓力平衡通道、閥體設(shè)置測(cè)壓接頭。這2種改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、利于裝配，缺點(diǎn)是不能很好地保證閥芯對(duì)中，仍然是滑動(dòng)摩擦，力矩較大。

針對(duì)旋塞閥在高壓時(shí)旋鈕轉(zhuǎn)矩大的問(wèn)題，李新利等[12]還提出了一種短軸上增加保持架的形式，如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：能保證閥芯的對(duì)中性，減小旋鈕的轉(zhuǎn)矩以及摩擦力矩，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂。缺點(diǎn)是：短軸與保持架之間是滑動(dòng)摩擦，在高壓狀況下，短軸與保持架之間的摩擦力矩增大，同時(shí)，也沒(méi)有進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，沒(méi)有完整的裝配圖。

圖1 帶操作鍵墊和潤(rùn)滑裝置的旋塞閥結(jié)構(gòu)

圖2 帶保持架的旋塞閥結(jié)構(gòu)

目前，很多人對(duì)旋塞閥做了分析，提出了不同的改進(jìn)方案，但在使用現(xiàn)場(chǎng)，仍然存在摩擦力矩大、閥芯旋轉(zhuǎn)困難以及密封不嚴(yán)等問(wèn)題。

2 壓差自密封式旋塞閥的改進(jìn)

筆者認(rèn)為旋塞閥失效的根本原因是：當(dāng)旋塞閥關(guān)閉時(shí)，井筒內(nèi)的高壓液體使閥芯和閥座之間憋死，又有刺漏問(wèn)題的存在，導(dǎo)致旋塞閥旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大；加上工作人員的強(qiáng)力操作，使旋塞閥的密封問(wèn)題更加嚴(yán)重。針對(duì)此問(wèn)題，在現(xiàn)役旋塞閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文采用對(duì)稱(chēng)的支撐軸將閥芯支撐起來(lái)，將巨大的壓力轉(zhuǎn)移到支撐軸上，同時(shí)利用滾針軸承將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大幅降低旋塞閥的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)矩，延長(zhǎng)使用壽命。

2.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)的基本原理

在改進(jìn)旋塞閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用壓力自平衡和壓差自密封原理再對(duì)旋塞閥進(jìn)行優(yōu)化，旋塞閥上腔體和下腔體中分別設(shè)置上密封結(jié)構(gòu)和下密封結(jié)構(gòu)，在開(kāi)啟和關(guān)閉旋塞閥時(shí)通過(guò)介質(zhì)流體對(duì)閥芯產(chǎn)生推力，實(shí)現(xiàn)自密封，較好地保證閥芯的對(duì)中性，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦力矩小，密封效果好，安全性高等優(yōu)點(diǎn)，有效提高了旋塞閥的密封性。

2.2 壓差自密封式旋塞閥方案

本文設(shè)計(jì)了一種新型的壓差自密封式旋塞閥，其結(jié)構(gòu)方案如圖3所示，主要由閥芯、閥座、閥體、支撐軸、旋塞閥上下腔體、上下彈簧、對(duì)頂螺母、密封件和密封填料等組成。

a 總體結(jié)構(gòu)

b 支撐軸處結(jié)構(gòu)(局部放大)

2.3 新型壓差自密封式旋塞閥工作原理

當(dāng)旋塞閥開(kāi)啟，即處于常開(kāi)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)擰緊旋轉(zhuǎn)外螺母，對(duì)閥芯施加一定的預(yù)緊力，保證在沒(méi)有鉆井液進(jìn)入閥體時(shí)，支撐軸不受閥芯的作用力。當(dāng)鉆井液從旋塞閥上腔體進(jìn)入井內(nèi)時(shí)，此時(shí)高壓力的鉆井液一方面對(duì)旋轉(zhuǎn)外螺母施加一定的作用力，更好地防止該螺母松動(dòng)；另一方面，鉆井液由帶槽口的環(huán)形支撐座進(jìn)入下閥座與閥體之間，利用液壓自密封原理，保證閥芯與上閥座和下閥座之間的密封性能，此時(shí)閥芯在流道方向上可以有一定的偏移，隨著鉆井液壓力的增加，密封壓力越高，密封性能越好。

當(dāng)旋塞閥需要關(guān)閉時(shí)，通過(guò)扳手旋轉(zhuǎn)支撐軸至不能旋轉(zhuǎn)時(shí)即可。此時(shí)，旋塞閥關(guān)閉，井內(nèi)巨大的壓力致使閥芯向上游端偏移，同時(shí)由于支撐軸與閥芯之間的誤差，致使支撐軸亦有微量的偏移，使閥芯擠壓上閥座，上閥座壓縮上彈簧，到一定程度時(shí)，閥芯將其與上閥座之間的絕大部分作用力轉(zhuǎn)移到支撐軸上，避免閥芯與上閥座之間過(guò)渡擠壓導(dǎo)致閥芯損壞。同時(shí)，上閥座與閥芯之間的接觸作用力增大，有力地保證上閥座與閥芯之間的密封性能。對(duì)于下閥座，在井內(nèi)的高壓力作用下，鉆井液將壓力傳至帶槽口的環(huán)形支撐座上，通過(guò)其將力傳遞到下閥座上，在下彈簧的作用下，下閥座與閥芯之間緊密接觸，通過(guò)鉆井液的壓力，使帶槽口的環(huán)形支撐座、下彈簧和剛性墊圈向上游端移動(dòng)，增加下閥座與閥芯之間的接觸作用力，亦能保證下閥座與閥芯之間的密封性能。當(dāng)井內(nèi)壓力增高時(shí)，下閥座與閥芯之間的作用力增大，密封性能提高，實(shí)現(xiàn)了液壓自密封，進(jìn)而提高旋塞閥的密封性和可靠性。由于閥芯將作用力轉(zhuǎn)移到支撐軸上，因此能減小開(kāi)啟時(shí)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)。

3 旋塞閥主密封結(jié)構(gòu)處有限元分析

在油田使用中，由于井眼和鉆桿的尺寸限制，旋塞閥一般選擇可浮動(dòng)式的結(jié)構(gòu)。所謂可浮動(dòng)式的旋塞閥是指在關(guān)閉的情況下，由于井筒內(nèi)流體的壓力作用，使得閥芯會(huì)沿軸向產(chǎn)生一定的偏移，使流體在上閥座的密封面受到截堵。因此，閥芯與閥座之間的壓力必須達(dá)到要求的密封比壓，否則就不能保證旋塞閥的密封可靠性。但是，當(dāng)閥芯與閥座之間的比壓太高時(shí)，又會(huì)引起旋塞閥旋轉(zhuǎn)操作轉(zhuǎn)矩增大，甚至使密封材料超過(guò)許用的壓力而損壞。因此，密封比壓必須滿足式(1)條件：

qb

(1)

式中：qb為閥門(mén)密封的必需比壓，MPa；q為旋塞閥工作時(shí)的實(shí)際比壓，MPa；[q]為閥芯、閥座材料的許用比壓，MPa。

3.1 密封比壓計(jì)算

必需比壓是為保證旋塞閥能實(shí)現(xiàn)有效的密封時(shí)，其密封面單位面積上需的最小壓力，以qb表示。其一般只能根據(jù)試驗(yàn)來(lái)確定[1]，根據(jù)不同條件進(jìn)行密封試驗(yàn)，得出經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

(2)

式中：a,c為與密封面材料相關(guān)的系數(shù)；p為井筒內(nèi)的流體的工作壓力，MPa；b為密封面在垂直于流體流動(dòng)方向上的投影寬度，b=tsinγ,mm；γ為密封面法向與流道中心線的夾角，(°)；t為密封面的寬度，mm。

旋塞閥閥芯與閥座都采用40 CrMnMo材料，設(shè)計(jì)的旋塞閥流道直徑為76 mm，則可算得該旋塞閥的密封比壓為qb=95 MPa，查閱資料可知，40 CrMnMo材料的許用比壓約為300 MPa，滿足式(1)，說(shuō)明該密封面能在許用比壓的條件下達(dá)到密封效果。

3.2 主密封處有限元分析

根據(jù)方案圖繪制旋塞閥的三維模型，其閥芯閥座的配合圖如圖4所示，根據(jù)工況施加邊界條件，其閥芯和閥座的受力模型如圖5所示。

圖4 旋塞閥閥芯閥座配合示意

圖5 閥芯閥座受力模型

A處設(shè)置固定約束，C處的兩上下對(duì)稱(chēng)平面設(shè)置法向的位移約束，B處曲面設(shè)置井筒內(nèi)流體壓力。由于其在最大工作壓力75 MPa作用下，閥芯裸露在下端的曲面都會(huì)有流體，因此B處全部加上井筒內(nèi)流體的壓力。通過(guò)計(jì)算所得的應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 閥芯閥座等效應(yīng)力云圖

如圖6所示，當(dāng)井底壓力為70 MPa時(shí)，上閥座與閥芯接觸面上的應(yīng)力分布不均，上閥座的最大等效應(yīng)力為193.8 MPa，閥芯密封面上的最大等效應(yīng)力為265.4 MPa，小于材料的屈服極限(σs≥785 MPa)，因此上閥座與閥芯的強(qiáng)度滿足材料強(qiáng)度要求。同時(shí)，通過(guò)前面的計(jì)算可知，上閥座與閥芯之間的必需比壓為95 MPa，閥座與閥芯均滿足要求，可以實(shí)現(xiàn)有效密封。

3.3 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的有限元接觸分析

前面的有限元分析中，沒(méi)有考慮閥芯與支撐軸之間的摩擦因數(shù)，因此，需要對(duì)旋塞閥的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行有限元接觸分析，利用Inventor建立旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的三維模型，根據(jù)工況設(shè)置其約束條件和受力條件，如圖7所示。通過(guò)分析得到如圖8所示旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的等效應(yīng)力云圖。

圖7 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)受力模型

圖8 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等效應(yīng)力云

由圖8可得，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在支撐軸與閥體的配合面上，其值為607 MPa，在材料的屈服極限(σs≥785 MPa)之內(nèi)，因此旋轉(zhuǎn)部分的強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求。閥座與閥芯的主密封處的等效應(yīng)力約為168.8 MPa，而所要求的主密封的必需比壓為95 MPa，滿足要求，可實(shí)現(xiàn)有效密封。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)方案對(duì)比和有限元分析，對(duì)旋塞閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了新型鉆井用內(nèi)防噴壓差自密封式旋塞閥。該內(nèi)防噴旋塞閥利用對(duì)稱(chēng)設(shè)置的耳軸及滾針軸承，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)為滾動(dòng)摩擦，減小了摩擦力矩，并利用壓力自平衡和壓差自密封原理，保證了閥芯的對(duì)中性。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦力矩小，密封效果好，安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

2) 通過(guò)對(duì)旋塞閥進(jìn)行密封比壓的分析計(jì)算和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的有限元接觸分析，保證了旋塞閥的密封性能，提高了旋塞閥的可靠性。

3) 未來(lái)的研究工作主要包括對(duì)旋塞閥內(nèi)部流道進(jìn)行數(shù)值模擬、流場(chǎng)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加工實(shí)物并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。以期能在頂驅(qū)內(nèi)防噴中得到更廣泛的應(yīng)用，同時(shí)為內(nèi)防噴旋塞閥的研究提供參考。