环形调压阀压力波动原因分析及改进.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 7期第 2 9页 石 油矿 场 机械 0I L F I EL D E QUI PMENT 文 章 编 号 1 0 01 3 4 8 2 2 0 1 0 07 00 2 9 0 3 环形调压 阀压 力波动原 因分析及 改进 李 英 。 陈慧 慧 ， 方志猛 ， 郭 展 ， 杜金凤 北京 石油机械厂 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 环形调压阀是地面防喷器控制装置的重要元件之一 ， 从结构 、 温度 、 容积和泄漏等方面分析 了 环 形调压 阀压 力波动 的原 因 ， 并进 行 了试 验验 证 。针 对 分 析 的 原 因采 取 了 多项 改进 措施 ， 以满足 AP I 1 6 D规 范要 求 。 关键 词 环 形调压 阀； 结构 ； 容 积 ； 温度 ； 泄 漏 中 图分 类号 T E 9 3 1 ． 1 0 3 文献 标识 码 A Ca u s e An a l y s i s o f P r e s s u r e Fl u c t u a t i o n o f t h e An n u l a r Re g u l a t i n g Va l v e LI Yi n g， CHEN Hu i h u i ， FANG Z h i me n g ， GUO Ch e n ， DU J i n - f e n g Be i j i n g Pe t r o l e u m Ma c h i n e r y Fa c t o r y， Be j i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a Ab s t r a c t Th e a n n u l a r r e g u l a t i n g v a l v e i S o n e o f t h e i mp o r t a n t c o mp o n e n t s i n t h e c o n t r o l s y s t e m f o r s u r f a c e m o un t e d BOP s t a c ks ． The t e s t i ng o f t h e va l v e i s de s c r i be d， a n a l y z i n g t h e c a u s e of t he a n nul a r r e g ul a t i ng v a l v e pr e s s ur e f l u c t u a t i on f r om p e r s pe c t i v e s s uc h a s s t r uc t ur e， t e m p e r a t ur e， v ol u me， l e a k a ge a nd e t c ．Exp e r i me n t a l ve r i f i c a t i on i s c a r r i e d o ut a nd b a s e d o n t h e a na l y s i s； m e a s ur e s a r e t a k e n f o r t he v a l v e t o me e t API 1 6 D r e qu i r e m e n t s ． Ke y wo r d s a nn ul a r r e gu l a t i ng v a l v e； s t r uc t ur e； v o l ume； t e mp e r a t u r e； l e a k a ge 地面防喷器控制装置 简称控制装置 是控制井 口防喷器组 、 液动 节流 阀 以及 压井 阀 的重 要设 备 ， 也 是钻井、 修井作业 中防止井喷不可 缺少 的装置_ 1 ] 。 环形 调压 阀是控 制装 置 的重 要元 件 之 一 ， 其 作 用 是 控制环形防喷器的压力 ， 将蓄能器 中的高压油液 2 1 MP a 降低到较低的压力 通常为 1 0 ． 5 MP a ， 具有 自动溢流降压作用 ， 所以是一种减压溢流阀。 AP I 1 6 D 规 范规定 ， 环 形 防 喷器 控 制 管 汇 的构 成必须包括一个专用调压阀， 将上游管汇压力 降低 到防喷器制 造厂商推 荐 的动力液 压力值 ， 通 常为 1 0 ． 5 MP a 。在防喷器组中， 环形防喷器在正常使用 时相对于其他规格 的防喷器使用频率较高 ， 因而胶 芯磨 损量较 大 ， 维 护成 本较 高 。因此 ， AP I 规 范对 控 制装置中环形防喷器的压力要求 比较严格 ， 即调压 阀对 下游端 压力 变化 反应 的灵敏 度必 须保证 调定 压 力 的变化 小 于1 MP a 1 5 0 p s i E 2 3 。此 处 的波 动 范 围是 指在上 次调 定 压 力值 基 础 上 的 变化 ， 例 如 调定 的出口压力 为 1 0 ． 5 MP a ， 稳定后压力波动值应 为 9 ． 5 ～1 1 ． 5 MP a 。 目前， 环形调压阀有气手动减压溢 流阀和气／ 液 马达减压溢流阀， 虽然结构不同， 但是 工作原理和功能是一样的。 本 文对 环形 调压 阀压力 波动 的现象 及其原 因进 行 了分析 ， 并针对 上述 原 因进 行 了改进 和试验 。 l 模拟试验 在实际钻井过程 中， 环形调压 阀的压力会受一 些 因素的影响而向上或向下变化。进行环形调压阀 出口压力稳定性试验时 ， 首先将 调压 阀的进 口压力 调为 2 1 MP a ， 出 口压 力调为 厂商推荐 值， 通 常为 1 0 ． 5 MP a ， 然 后 改变 外 界 条 件 ， 使 调 压 阀 出 口压 力 收稿 日期 2 0 0 9 一 1 0 3 0 作者简介 李英 1 9 7 8 一 ， 女 ， 辽 宁辽 阳人 ， 工程师 ， 硕士 ， 2 0 0 4年毕业于辽 宁石油化工 大学化工 过程机 械专业 ， 现从事地 面防喷器控制装置的研发工作。 石油 矿 场机 械 2 0 1 0年 7月 缓慢上升或者下降， 然后通过压力表观察其 出 口压 力 的变化 ， 并 记 录其波动 的范 围 。 2 压力波动原 因分析 2 ． 1 内因 调压阀在调压过程中， 顺时针或逆时针旋转手 轮， 随着手轮压缩或释放弹簧 ， 出口压力随之变化 。 观察压力表 ， 当出口压力达到 1 0 ． 5 MP a 时 ， 停止旋 转手轮 。调压 阀压 力 的变 化 不 是线 性 的 ， 而 是 呈 阶 梯性跳跃 ， 虽然从压力表读数看压力已达到指定值 ， 但 是 由于弹簧力 的继续 释放 ， 实 际压力还 有所 变化 ， 因此会 出现压力 不 能及 时稳 定 的现 象 ， 需 要 反 复调 节 ， 这是 弹簧 引起 的波动 ， 属于正 常现象 。为 了避免 此情 况 ， 调压时应 缓慢调 节 。另一 方面 ， 调压 阀 内部 采用平面密封的形式 ， 这种结构不能避免 内部泄漏 ， 从而造成出口压力 降低。出 口压力降低后， 为了维 持压 力 的平衡 ， 需 要用 油压力 进行 补充 ， 这 样 的反复 动作会引起压力波动[ 3 ] 。 2 ． 2 外 因 2 ． 2 ． 1内泄漏 由于三位四通转阀和环形调压阀存在允许范围 之内的内泄漏， 而且环形管路的容积较小 ， 当泄漏量 累积 到一定 程度 时会 引 起压 力 的变 化 ， 进 而 引起 调 压阀进行调压 。 2 ． 2 ． 2容积的影响 在实际使用中， 环形调压 阀的出油 口与三位 四 通转 阀 、 管 排 架 、 高压 软 管 、 防 喷器 等 连 接 ， 相对 于 5 0 m 的连接 管路 及 防喷器 油腔 ， 元件 的内泄漏 可 以 忽略不 计 。但 是在 调试 验 收 时 ， 调 压 阀 出 口往 往没 有 连接 管排架 和防 喷器 ， 只有环形 管汇 ， 此 时微 小 的 变 化便会 引起较 大 的压力 波动 。 图 1～ 2为 同 一 个 气 马 达 调 压 阀 在 同 一 台 F KQ4 8 0 5 E型 控制装 置 中的试 验 结 果 ， 2次 试 验 的 三位 四通转阀均放置在开位 。图 1为环形调压阀出 油 口无外接容器 ， 用 圆图记 录仪监测 出口压力波动 情 况 ， 监测 时 间 2 4 h 。图 2是 在 调压 阀 的 出油 口位 置外 接 3个 4 O L蓄能 器时 出 口压力 的波 动 情况 ， 监 测 时间约 4 8 h 。 由图 1 ～ 2可 以看 出 ， 容 积 小 时 ， 出 口压 力波 动 变化很 大 ， 容 积增 大 时 ， 出 口压 力 波 动缓 慢 ， 几 乎 没 有变化 ； 控制 装置 外接 容 器 的 大小 对 环 形压 力 变 化 的影响较大 。蓄能器也有一定的吸收压力波动的作 用 ， 但不影响试验结论的准确性 ， 因此当没有外接容 器 时得 到的数 据并不 是真 实工况 的数值 。 图 1 无外接容器时调 压阀出口压力波动 图 2有外接蓄能器 时调压 阀出口压力波动 2 ． 2 ． 3温 度 的 影 响 控制装置 中通常使用 HM3 2抗磨液压油 。液 压油 的粘 度受 温度 影 响很 大 ， 温 度 升高 ， 粘 度 降 低 ， 泄漏增加 ， 效率 降低 ， 由于粘度降低 ， 减压密封 平 面 移 动 部 位 的油 膜 变 薄 或 者 被 切 破 ， 摩 擦 阻 力 增 大 ， 导 致磨 损 。此 外 ， 油 温 过 高 还 会 导 致 热 膨 胀 系数不同的运动部件之 问的间隙变小影响使用效 果 ， 同时可能会造 成橡胶 密封变形 以及产 生气穴 等 问题 。 针对温度对环形调压阀压力波动的影响进行厂 内试 验 。用 同 一 个 环形 调 压 阀 在 同一 台 F KQ 4 8 0 5 E型控制装置上进行试验 ， 三位四通转 阀手柄置于 开位 ， 无外接蓄能器， 露天装置。用圆图记录仪监测 2 4 h ， 白天最高气温3 5℃， 晚上最低气温2 0℃， 温差 在 1 5℃左 右 ， 圆 图记 录仪 监 测 结果 如 图 3 。 由于环 形 调压 阀管 汇为较 短 的密 闭管 汇 ， 液 压 油对 温度 影 响更 为敏感 ， 由图 3可知 ， 环形 调压 阀 出 口压力 随着 第 3 9 卷第 7期 李英 ， 等 环形调压阀压力波动原因分析及改进 温度的上升而上升 ， 且波动得 比较频繁 ， 当温度降低 时 ， 压力下 降 ， 并 趋 于稳 定 在调 定 的压力 1 0 ． 5 MP a 。 用 同一环 形调压 阀工况 同前 ， 只是 白天下 雨 ， 温 度约 2 O℃， 晚上最低气温1 6℃， 2 4 h 内温差变化不大 ， 其 监测结 果 如 图 4 。该 调 压 阀 的出 口压 力 波 动 为 - t - O ． 7 MP a ， 满足 AP I 1 6 D规范要求 。为了验证此 结论 的正 确性 ， 在 同种工况 下又 试验 了 3台调压 阀 ， 结果 一致 。由此 可 知 ， 温 度对 环 形 调 压 阀 的 出 口压 力 波动 的影响很 大 。 图 3 温差大时调压阀出 口压力波动 图 4 温差小 时调压 阀出口压力波动 3 改进措施 针对现场使用工况 如野外作业 ， 温度变化较大 等 ， 对 调压 阀 出 口压力 波动 大的 问题进 行 了多次 改 进和试 验 。 3 ． 1 改进调 压 阀结构 对 比国外调压阀的试验结果 ， 发现其 出 口压力 稳定性相对较好 ， 波动小 ， 但是阶跳普遍较大 。参照 国外调压阀结构 ， 改进了现有调压阀的部分结构， 包 括波形弹簧 ， 泄油结构和大、 小弹簧 ， 并采取硫化工 艺等多项措施减少调压 阀的摩擦力 ， 使 出口压力尽 量 接近 线性 变化 。对改 进后 的调压 阀进 行多 次小批 量试验 ， 出口压力稳定性较改进前有所改善。 3 ． 2 增 加环 形管 汇容 积 现 场使 用 时 ， 控 制装 置 连 接环 形 防喷 器 及 管排 架 ， 容积 比较大， 所 以对内泄漏影响不大。客户验收 时可采用外接容器 如防喷器 来增加环形管汇的容 积 ， 这样模 拟实 际工况得 出 的数值更 加符合 实际 工 况 。 3 ． 3控 制温 度 控 制装 置 应尽 量 避 免直 接 暴露 在室 外 ， 在温 差 较大的地方如新疆地 区， 使用保 温房来减少温差对 压力波动的影响。同时， 油 田现场应使用生产厂推 荐的液压油， 或者选用在保证液压元件正常工作的 情况下粘温性能好的液压油， 以此来保证使用效果 。 此外 ， 液压油污染也会造成磨损、 堵塞等情况、 进而 引发配合间隙过大， 使元件 性能恶化 ， 过早结束 寿 命 ， 因此需 要对 液压 油进行 及 时的清理 _ 4 ] 。 AP I 1 6 D规 范 中规定 的压力 波动 范 围的前提条 件是控制装置和环形防喷器的连接。但是在产品验 收时 没有 连接环 形 防 喷器 ， 所 以容 积 和温 度 的影 响 会 造成 验 收数据 不 准确 ， 不 能正 确 地 反 映环 形 调压 阀 的性 能 ， 在这 种 情 况 下 1 MP a 1 5 0 p s i 的 范 围 也不 能作 为准确 的验 收 依据 。因此 ， 客户 验 收 时应 尽 量 消除容 积和 温度 的影 响 。 4 结语 本 文 从结 构 、 温 度 、 容 积 和泄 漏 等 方 面 对 压 力 波动的原因进行分析 ， 介绍 了温度 、 容积以及 内泄 漏 对 压 力 波 动 造 成 的 影 响 ， 并 进 行 了相 应 改 进 。 还 有 一些 影 响压 力 波 动 的 原 因需 要进 一 步 开 展 相 关 研究 。 参考文献 [ 1 ] 郝立军 ， 徐绍林 ， 邵玉 田， 等． 石油与天然气钻井井控培 训教材 [ z ] ． 2 0 0 8 ． [ 2 1 S Y ／ T 5 O 5 3 ． 2 2 0 0 7 ， 钻井井 口控制设备及 分流设备控 制 系统规范I S 3 ． [ 3 3 杨铁宁 ， 张金 中． 直线 电机驱动往复泵流量压 力变化规 律试验研究[ 1 3 ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 4 5 6 6 1 ． [ 4 ] 陈丽霞， 刘清友 ， 单代伟， 等． 防喷器控制系统故障树的 建立与定 性 分 析l- J ] ． 石 油矿 场 机 械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 0 64 67 ．