闸板防喷器液压自动锁紧装置的改进.pdf

2 0 1 1年 第 4 O卷 第 1 1期 第 5 1页 石油 矿 oI L FI ELD 场 机 械 EQUI PME NT 2 0 1 1 ， 4 0 1 1 5 1 ～ 5 3 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 1 1 1 0 0 5 1 - 0 3 闸板防喷器液压 自动锁紧装置的改进 孟庆荣 ， 李俊 ， 杜 平 ， 侯国庆 。 廖伟恒 ， 郑传周 1 ． 河北华北石油荣盛机械制造有限公 司 ， 河北 任丘 0 6 2 5 5 2 ； 2 ． 渤海钻探工程公司 管具技术服务分公司 ， 天津 3 0 0 4 5 7 摘要 国内使用的闸板 防喷器楔面式液压锁 紧装置存在不能解锁、 闸板打不开及显示机构不能正常 显 示等缺 点 。对楔形 活 塞上的斜 面和 闸板 轴的斜 面进行 耐 磨 处理 ， 改进 了顺 序 阀和显 示机 构 。试 验及用户使用结果表明 改进后锁 紧装置的锁紧与解锁操作灵活、 准确、 安全可靠， 能够满足现场使 用 的要 求 。 关 键词 防喷 器； 锁 紧装置 ； 结构 分析 ； 技 术 改造 中图分 类号 T E 9 2 1 ． 5 0 3 文 献标识 码 A De v e l o p me nt o f Ra m BOP Hy d r a u l i c Lo c k i n g M a c h i n e MENG Qi n g r o n g ， I A J u n ， DU P i n g ， HOU Gu o q i n g ， LI AO We i h e n g， Z HENG Ch u a n z h o u 1 ． Ro n g s h e n gMa c h i n e r y Ma n u f a c t u r e L t d ．o ，Hu a b e i Oi l f i e l d， R e n q i u 0 6 2 5 5 2 ， C h i n a ； 2 ． Pi pe To o l s Te c h n i c a l S e r v i c e s Br a n c h Co mpa n y， Bo h a i Dr i l l i n g En g i n e e r i n g Co mp a n y， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 7， C h i n a Ab s t r a c t B e c a u s e o f t h e d e f e c t s i n t h e we d g e h y d r a u l i c l o c k i n g d e v i c e i n t h e i n t e r n a l u s e ， f o r e x a mpl e i t wa s not un l oc ke d； i t c o ul d no t o pe n t h e r a ms a nd t he v i s i o n d e v i c e wa s n o t e f f e c t i ve ． Thi s de v i c e wa s s t u d i e d a nd t he i mpr o v i ng m e a s u r e s we r e i nt r o du c e d． I n o r d e r t o e nh an c e t he a br a s i o n r e s i s t a nc e o f we d ge p i s t on a nd r a m r o d， we d g e s ur f a c e t r e a t m e nt wa s c ha ng e d ．I n t he me a n t i me， c he c k va l v e a n d v i s i o n d e v i c e we r e i mpr o ve d． By t e s t i ng a nd us i n g i n t he f i e l d， t he l o c ki n g a n d u n l o c k i n g o f i mp r o v e d h y d r a u l i c l o c k i n g d e v i c e wa s q u i c k， e x a c t a n d r e l i a b l e ． I t c a n s a t i s f y d e ma n d s o f us e i n t he f i e l d ． Ke y wo r d s BOP； l oc ki n g de v i c e； s t r u c t u r a l a n a l y s i s； t e c hn i c a l r e f o r m 闸板 防喷 器是 井 控装 置 的关 键部 件 ， 主要 用 于 钻井 、 修井 、 试油等过程中控制井 口压力 ， 能有效地 防止 井喷事 故发 生 ， 实现安 全施 工 。 目前 ， 国 内常用 的 闸板 防喷 器 的 锁 紧 装 置 分 为 手 动 锁 紧 和 液 压 锁 紧， 液压锁紧装置根据锁紧原理又分为楔面 自锁和 单 向棘齿防逆转结构L 1 ] 。手动锁紧装置依靠人力转 动锁紧端的手轮从而使锁紧轴转动锁 紧闸板， 由于 速度慢 、 可靠性差 、 劳动强度大， 其使 用条件受到一 定 的 限制 ； 液 压 自动 锁 紧装 置 是 在 液 压关 闭 闸板 后 自动实现锁紧， 开启时液压 自动解锁 ， 具有体积小 、 操作方便等优点l 2 ] ， 这种结构为高压及远程控制防 喷器提供了便利 ， 特别是在水下作业时更有必要 。 近几年， 随着海洋油气田和高压油气 田的开发， 油 田使用 单位 对液 动锁 紧 闸板 防喷 器的需 求越 来越 多 。现在 国内市场上使用的多为楔面式液动锁紧闸 板防喷器 ， 在使用时， 经常出现不能解锁 、 闸板打不 开、 锁紧斜面拉伤以及显示机构不能起显示作用等 问题 。为了解决此类问题 ， 满足使用需要 ， 保障井控 安全 、 可靠 ， 笔者通过多次研究探索， 对楔面式液压 自动锁紧装置进行了几次重大改进 ， 形成了成熟的 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 7 1 5 作者简介 孟庆荣 1 9 7 5 一 ， 女 ， 吉林 白城人 ， 工程师 ， 硕士 ， 2 0 0 6年毕业于 中国石油大学 北京 机 电工程学 院 ， 现从 事井控 产品的研发工作 ， E ma i l me n g v v v 1 2 6 ． t o m。 石 油矿 场 机械 2 0 1 1 年 1 1月 1 液压锁 紧装置简介 1 ． 1国外现 状 国外著名 的防喷器生产制造单位 Hy d r i l 和 C a me r o n等公司在液压锁紧结构 的研制开发上一直处 于领先地位 ， 其结构各有特点 。 Hy d r i l 公 司 的液压 锁 紧装 置 主 要 由液缸 、 单 向 离合器 、 尾杆 、 活塞和锁紧螺母等组成。依靠活塞和 尾杆的移动带动锁紧螺母旋转 ， 离合器可 以限制或 允许锁 紧螺母 的旋转 ， 进 而起到锁紧闸板和解锁 闸 板 的作用 。 C a me r o n公 司 的液 压 锁 紧 结 构 采 用 了斜 面 自 锁原 理 ， 主要 由楔形活 塞 、 锁 紧端 盖 、 锁 紧液 缸 、 解 锁 端盖和锁紧楔块等组成。采用活塞杆尾部锁紧的方 式 ， 在 尾部设 计 了锁 紧 缸 ， 内有 锁 紧楔 块 ， 以楔 块 锁 住活塞杆的尾部， 以液压油控制来实现在一定范围 内的锁 紧 。其 缺点是 锁 紧缸需要 单独 的控 制系统 。 1 ． 2国内现状 国内液压锁紧装置的研制是继国外成功应用后 开始的。目前 ， 在大多数的防喷器生产制造单位均 有该结构的防喷器 ， 但在现场使用过程中有一定的 不稳定性 。采用的液压锁紧装置大都是仿美 国 C a me r o n公司的楔面锁紧方式， 并与 C a me r o n公司的 结构有不同点。例如 ， 某公司在锁紧液缸头的侧面 设计 轴 向显示 器和 径 向显 示 器 ， 可 分 别 显示 闸板 轴 和锁 紧斜块 的位置[ 3 ] 。 2 结构及工作原理 2 ． 1结构 组成 在分析研究 C a me r o n公司同类 型防喷器 的液 压锁 紧结 构 的优 缺 点后 ， 进 行 了结 构改 进 创 新 。改 进后的楔面式液压 自动锁紧装置主要由锁 紧液缸、 楔形活塞 、 锁紧活塞 、 顺序阀、 锁紧端盖、 解锁端盖、 显示机构组成 如图 1 。该装置可 自动实现关闭闸 板 、 锁紧闸板 、 解锁闸板 、 打开 闸板 的顺序动作 。如 果需要长时问封井 ， 在液压关闭锁紧闸板后， 可泄掉 液压， 楔形活塞上的楔面便 可 自锁 闸板。通过显示 机构可观察闸板 的开关状态 。在地面维修 时， 可 以 拆去显示机构 ， 观察锁紧动作和锁紧斜面的状况 ， 方 便 维修 。 2 ． 2工作原 理 1 锁紧闸板 锁紧状态如图 2 a所示。高压 油进入左右锁紧液缸的锁紧腔 ， 推动楔形活塞 ， 使楔 形 活塞 的斜 面与 闸板 轴 端 的斜 面 靠 紧 ， 实 现 白锁 紧 闸板 ， 这 时可 卸掉来 自液 控 系统 的高 压油 。 2 解锁并打开闸板解锁状态如图 2 b所示。 高 压油 首先 进入左 右 锁 紧液缸 的解 锁 腔 ， 推 动 楔形 活塞 ， 使楔形活塞的斜面与闸板轴端的斜面脱开 ， 当 将要到达完全解锁位置时， 楔形活塞压缩顺序阀， 直 到完全压缩并完全 打开顺序阀 8 亦即楔形 活塞到 达完全解锁位置 ， 完成解锁动作。 1 解锁端盖 ； 2 楔形活塞 ； 3 一锁紧活塞 ； 4 锁紧液缸 5 一 锁紧端盖 ； 6 顺 序阀； 7 显示机构 图 1 闸板 防喷器液压 自动锁 紧装 置 ／ ／ 一 ＼ h 解锁状态 1 解锁端盖 ； 2 ⋯楔 形活塞 ； 3 锁 紧液缸 ； 4 锁紧端盖 ； 5 一连 接螺栓 ； 6 显示机构 ； 7 锁紧活塞 ； 8 -- 一 顺序阀 ； 9 闸板轴 图 2 锁 紧装 置工作示 意 与美国 C a me r o n公司同类型防喷器的液压 自动 锁紧装置相 比， 其优点是锁紧缸不需要单独控制操 作， 并与闸板开关采用同一油路 ， 自动实现闸板关、 锁 紧、 解锁、 开顺序动作 。另外， 液压 自动锁紧装置的显 示部件是专有的设计 ， 而美国 C a me r o n公司同类型防 喷器的液压 自动锁紧装置没有该设计 。 3 改进创 新 3 ． 1 闸板轴斜面的表面处理 楔 面式液压 自动锁 紧装置实现锁 紧闸板 的功 第 4 O卷第 1 1 期 孟庆荣 ， 等 闸板防喷器液压 自动锁紧装置的改进 能 ， 主 要靠 楔形 锁 紧活 塞 上 的楔 面 和 闸 板轴 的斜 面 接 触来 自锁 闸板 。改进 前一 直只 对楔形 活塞 上 的斜 面进行 表 面处理 ， 而 对其 相互 接 触 的 闸板 轴 的斜 面 只进行常规表面处理 ， 耐磨性较差， 反复开关时极易 产生拉伤现象 ， 而导致不能锁紧或解锁 闸板。根据 该情况 ， 决定对闸板轴端 的斜面也进 行特殊 的表面 处理 ， 以增强表面的耐磨性。改进后很好地解决了 锁紧斜面的拉伤现象， 提高了液压 自动锁 紧装置的 可靠 性 。 3 ． 2顺 序 阀的 改进 顺序阀是 1套液压元件比较精密的单 向阀， 其 可靠性直接影响到打开闸板动作的有效性。顺序阀 失效 主要 表现 在 不 能解 锁 ， 闸板 打 不 开 。如 果液 压 油有杂质或者弹簧张力不够， 就会导致顺序阀密封 失效 。改进前的顺序 阀是依靠 钢对钢 的接触密封 ， 对杂 质 的影响 较敏感 ， 容 易引起 密封 失效 ； 改进 后 的 顺序阀采用钢对橡胶的锥面密封 ， 所需 的弹簧张力 较小 ， 具有 较好 的可靠性 。 3 ． 3 显 示机构 的 改进 显示机构的主要功能是观察闸板 的开关动作以 及是否起到锁紧或解锁的功能 。显示机构的失效主 要表现在进行开关动作时显示杆不动作， 不能起到 显示作用。产生的主要原因是由于内置的弹簧张力 不够或泥浆污物等阻碍显示杆的运动等。通过加大 弹簧张力并且在上面增加防护罩等措施 ， 确保显示 杆能够被 自由顶 出和复位 ， 以便较好地实现其功能。 4实验室试 验[ 4 ] 为进一 步验 证改 进后 的液 压 自动 锁 紧装置 的可 靠性 ， 河北华北石油荣盛机械制造有限公 司委托石 油 工业 井控 装置 质 量监 督 检 验 中心进 行 检 验 ， 按 照 AP I 1 6 A规范附录 c的要求 ， 对 F 3 5 7 0型液动锁 紧闸板防喷器进行 了功能试验 ， 疲劳寿命试验。每 开 关 闸板 7次 进 行 1次 压 力 试 验 ， 包 括 低压 1 ． 4 ～ 2 ． 1 MP a和 高压 7 0 MP a试 验 。共 进 行 了 8 2组 压 力 循环 ， 开关 5 7 4次 ， 每 7次压 力循 环泄 掉液 控 压 力 ， 进行 了 1次 自锁 密 封 试 验 ， 稳 压 时 间 3 mi n ， 压 力试 验 合 格 。开 关 闸 板 液 控 压 力 为 1 0 ． O ～ 1 0 ． 5 MP a 。 正 常 开 启 闸 板 平 均 操 作 液 压 力 5 ～ 6 MP a ， 关 闭闸板操作液压力 6 ～7 MP a 。 锁 紧斜面 没有出现拉伤现象， 顺序阀以及显示机构工作正常。 试验结果表明， 经过改进后 的液压 自动锁紧装 置的锁紧与解锁操作灵活、 准确 、 安全可靠。 5 现 场 使 用 从 2 0 0 8年开始 ， 改进后的 F Z 3 5 7 0型液动锁紧 闸板防喷器已在国内外多家油 田使用， 截至 目前仍 然保持 良好的使用性能 。在使用中 ， 该类型的闸板 防 喷器经 历 了各类 严 酷 的工 况 考 验 ， 包 括恶 劣 的现 场 自然环境、 有害气体 如硫化氢 的侵蚀作用、 突发 的井涌事件等 ； 在每周现场的例行试验检查 中也表 现 出优 良的性 能 。改 进后 的液压 锁 紧装置 的维修 率 较 改进前 减少 了 5 8 。 6 结论 1 采用先进的表面处理技术， 改进传统顺序 阀的密封方式 ， 并增加了显示机构等 ， 使得楔面式液 压 自动锁紧装置的锁紧与解锁操作更加灵活 、 准确 、 安全可靠 ， 极大地缩短 了现场的维修时间， 提高了工 作效 率 。 2 与美 国 C a me r o n公 司同类型防喷器的液 压 自动锁紧装置相 比， 采用同一油路 ， 操作方便 ， 优 点突出， 性 能可靠 ； 增加 了显示机 构， 便 于观察 和 维修 。 3 随 着 国内大 变径 闸板防 喷器研 制 的快 速发 展 ， 该 楔面 式液压 锁 紧装置 的缺点 也 日益突 出 ， 即锁 紧范围只限于活塞的斜 面部分， 使用时会受到一定 程度的限制 ； 另外 ， 要求 的制造精度较高， 造成加工 成 本较 高 。 4 在今后的研究中， 应积极探索新的液压锁紧 结构， 以适应产品的不断发展变化 ； 另外， 应加强理论 研究和计算， 例如斜面锁紧力大小的理论分析计算 ， 以对锁紧结构的设计提供强有力的理论支持。 5 建议各使用单位加强 现场的定期维护保 养 ， 提高产品的使用寿命 ， 降低维修率 。 参考文献 [ 1 ] 刘清友 ， 陈绍伟 ， 艾海提江 ， 等． 闸板防喷器 液压锁紧装 置研究现状 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 0 1 4 ． [ 2 ] 朱海燕 ， 刘清友 ， 肖晓华 ， 等． 闸板防喷器液 压锁紧装置 现状及发展研究 [ J 7 ． 石油钻探技术， 2 0 0 8 ， 3 6 4 83 86 ． [ 3 ] 施俊宝， 朱克兵． 一种石油天然气钻井用闸板防喷器的 液压 自动锁紧装置[ P ] 中国． 2 0 0 6 2 0 0 4 6 8 2 7 ． 7 ． 2 0 0 7 O9 26 ． [ 4 ] S Y／ T 6 4 2 6 --2 0 0 5 ， 钻井井控技术规程I s ] ． [ 5 ] AN S I ／AP I S p e c 1 6 A， Th e Ame r i c a n S o c i e t y o f P e t r o l e u m[ S ] ． T h i r d e d i t i o n ， 2 0 0 4 ．