方钻杆旋塞阀试压装置的研究.pdf

方 钻 i Ii千旋 塞 阀 试 压 装 置 的 研 究 口纪苏丹 口钱东良 口刘永升 口罗旭 西南 百油大学 机 电T程学院成都6 1 0 5 0 0 摘 要 介绍了一 种非螺纹连接 的试 压装置 ， 该 装置主要 由升 降机 构 、 底板 、 固定挡板 和移动挡板组 成 利 用有 限元 A N S Y S软件对结构的主要部 分底 板和 固定挡板进行 了有限元分析 ． 弥补 了限位接 头的不足 关键词 方钻杆旋塞阀试 压装置有限元分析 中图 分 类 号 TH1 2 2； T E 9 2 8 文 献标 识码 B 文章 编 号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 01 4 0 4 0 0 7 4 0 2 1 概 述 随 着 钻 井 技 术 的 日益 发 展 ．井 控 T 作 越 来 越 得 到 重 视 ．疗 钻 杆 旋 塞 阀 作 为 井 控 必 备 具 ．得 到 普 遍 应 用 。 方 钻 杆 旋 塞 阀 是 一 种 防 止 溢 流 和 井 喷 的 有 效 丁 具 ， 于 保 护 水 龙 带 不 受 地 层 高 压 的 破 坏 。避 免 严 重 的井 喷 事 故 发 生 ， 同 时 起 到 节 约 钻 井 液 、 保 持 钻 清 沽 、 减 少 环 境 污 染 的 作 用 它 也 是 改 善 丁 作 条 件 ．实 现 文 明 生 产 和 发 生 井 喷 时 应 急 使 用 的 一 种 辅 助 钻 井 装 簧 。 方 钻 杆 旋 塞 阀 结 构 简 单 ， 操 作 方 便 ， 使 用 较 可 靠 。 方 钻 杆 旋 塞 阀 是 一 种 球 阀 ．分 为 上 部 方 钻 杆 旋 塞 阀 和 下 部 方 钻 杆 旋 塞 阀 两 种 ，两 端 有 与钻 柱 相 连 接 的 螺 纹 。上 旋 塞 阀 装 在 水 龙 头 和方 钻 杆 之 间 ， 下 旋 塞 装 在 方 钻 杆 与 钻 杆 之 间 ． 它 们 是 防 止 钻 井 液 喷 溅 、 改 善 作 条 件 、实 现 文 明 生 产 和 发 生 井 喷 时 应 急 使 用 的 一 种 辅 助 钻 井 装 置 l l 上 旋 塞 阀 位 于 方 钻 杆 上部 ． 下 部 为 下 旋 塞 阀 。 上 旋 塞 阀 为 左 旋 螺 纹 ， 下 旋 寒 阀 为 右 旋 螺 纹 ．．在 钻 井 作 业 时 ． 旋 塞 阀 处 于 开 扁 状 态 ， 一 旦 发 生 溢 流 或 者 井 涌 ， 为 r阻 止 钻 井 液 沿 钻 具 水 眼 上 窜 ， 危 及 水 龙 带 和 立 管 管 线 安 全 ． 就 必 须 立 即关 闭 旋 塞 阀 ， 以 防 止 井 喷 。 在 井 控 作 业 巾 ， 水 龙 带 、 高 压 管 汇 损 坏 时 ， 关 闭 该 装 置 ， 即 可 进 行 安 全 更 换 。 当需 要 进 行 高 密 度 钻 井 液 循 环 压 井 时 ． 义 必 须 立 即 开 启 旋 塞 阀 ． 国 内 外 有 关 方 钻 杆 旋 塞 阀 研 究 报 道 的 资 料 非 常 少 ，而 它 在 确 保 钻 井 安 全 运 行 方 面 起 着 非 常 重 要 的 作 用 。其 本 身 性 能 的 好 坏 将 直 接 影 响 旋 塞 阀 功 能 的 正 常 发 挥 旋 塞 阀 阀 体 的 加 1 T 序 一 般 为 下 料 、 粗 车 、 热 处 理 、 无 损 探 伤 、 精 车 、 精 车 锥 管 螺 纹 、 磷 化 、 装 配 、 试 压 、 喷 漆 、 包 装 2 ] ． 可 以 简单 总 结 为 前 期 加 丁 、 试 压 和 包 装 出 厂 3个 部 分 而 试 压 是 旋 塞 阀 投 入 使 用 前 检 验 其 是 否 合 格 的 l芙 键 丁 序 ． 【太 J 此 开 展 旋 塞 阀 试 压 装 置 结 构 的 研 究 具 有 f J 分 重 要 的 意 义 ． ． 存 对 旋 塞 进 行 试 时 ， 一 般 利 用 与 阀 体 锥 螺 纹 相 配 的 限 位 接 头 实 现 密 封 ． 收稿 日期 2 0 1 3年 1 1月 2 0 1 4 ／ 4 然 后 向 阀 内 注 水 打 压 ～ 检 测 不 旧 直 径 大 小 的旋 塞 阀 时 ， 需 要 切 换 不 同 的 螺 纹 接 头 尺 寸 ， f 1 -2“ 比 较 繁琐 ， 且 容 易 导 致 螺 纹 的 磨 损 、 滑 抓I 、 疲 劳 破 坏 甚 至 失 效 ． 严 重 影 响 试 压 螺 纹 连 接 的 安 全 可 靠 性 和 紧 密 性 针 对 这 问 题 ． 笔 者 设 计 _ lr一 种 适 用 于 不 同 商 径 尺 寸Ⅱ 非 螺 纹 连 接 的 旋 塞 试 压 装 置 。 检 测 不 同 直 径 的 旋 塞 阀 时 。 只 需 要 调 节 升 降 机 构 的 高 低 即 可 2旋塞阀的压力试验 旋 塞 阀 的 压 力 试 验 主 要 是 对 阀 体 外 壳 进 行 试 压 ． 以 检 验 阀 体 致 密 性 及 整 个 壳 体 的 耐 压 能 力 根 槲A P I 旋 转 钻 井 设 备 规 范 相 关 标 准 规 定 ． 必 须 对 方 钻 朴 阀壳 体 在 适 当 的 T 厂 液 压 试 验 压 力 下 进 ， 彳试 验 。 如 果 不 经 试 压 直 接 安 装 ． 不 仅 会 发 生 泄 漏 ． 还 会 存 在 井 喷 等 安 全 隐 患 ． 给 生 产 和 人 身 安 全 造 成 大 损 失 ． 、 旋 寒 阀 试 压 前 需 进 行 外 观 检 查 ， 各 项 指 标 须 符 合 相 关 要求 ． 在 此 基 础 上 根 据 设 计 要 求 对 旋 塞 阀 逐 个 进 行 压 力 试 验 和I 密 封 试 验 。 试 压 时 首 先 封 闭 阀 门 两 端 ， 启 闭 件 处 于 微 开 启 状 态 。 再 给 腔 体 充 满 试 验 介 质 ． 这 种 介 质 可 以 是 液 体 也 可 以 是 气 体 ． 液 体 包 括 水 可 以 加 入 防 锈 剂 、 煤 油 或 黏 度 不 大 于 水 的 其 它 适 宜 液 体 ．气 体 包 括 空 气 或 其 它 适 宜 的 气 体 。 用 液 体 作 试 验 时 ， 应 排 除 阀 门 腔 体 内 的 气 体 。 用 气 体 作 试 验 时 ． 应 采 用 安 全 防 护 措 施 。然 后 给 体 逐 渐 加 压 到 试 验 压 力 ， 压 力 耍 逐 渐 增 高 ， 不 允 许 急 剧 、 突 然 地 增 压 。 最 后 关 闭 启 闭 件 ， 释 放 阀 门一 端 力 ． 阀 门 另 一 端 也 按 同 样 方 法 加 压 按 保 斥 时 间 要 求 保 持 试 验 压 力 ． 若 在 规 定 时 间 内 保 持 压 ， 承 壁 及 阀 体 没 有 可 见 渗 漏 ． 壳 体 不 } } J 现 结 构 损 伤 ， J lJ 可 判 断 试 验 合 格 3试压装置 的结构研 究 该 试 压 装 置 主 要 r h底 板 l 、 左 挡 板 2、 升 降 机 构 3、 密 封 垫 片 4、 右 梢 板 5、 旋 寒 阀 6 和 驱 动 什 捎 板 运 动 的 液 压 系 统 组 成 ． 结 构 如 l所 永 左 挡 板 和 底 座 阎 定 成 一 个 整 体 ， 底 板 同 定 存 地 而 I ， 左 侧 设 钉 加 强 筋 支 撑 。 机械制造 5 2卷 第 5 9 6期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 底 板 设 有 滑 动 导 轨 ， 与 右 挡 板 的 导 轨 槽 构 成 移 动 副 。 右 挡 板 在 液 压 力 的 驱 动 下 ． 沿 着 底 板 导 轨 可 实 现 左 右 运 动 。 底 板 的 导 轨 结 构 既 满 足 了 移 动 挡 板 按 固 定 轨 迹 移 动 的 要 求 ， 又 避 免 了 试 压 后 阀 内 的 水 流 出 ， 在 槽 内 形 成 淤 积 ， 导 致 锈 蚀 等 严 重 影 响 移 动 挡 板 运 动 的 问 题 。 在 左 右 挡 板 的 一 定 高 度 上 设 有 通 孔 ， 以 方 便 试 压 时 注 水 ， 在 通 孑 L 处 配 置 密 封 垫 片 ， 密 封 垫 片 与 通 孔 是 同 轴 关 系 。主 要 结 构 尺寸 高度 为 8 5 0 mm 左挡板 的高度包 括底 板 高度 ， 宽 度 为 3 0 0 mm．厚 度 4 0 mm，通 孔 的 定 位 高 度 为 6 4 0 mm。 在 实 际应 用 中 。 为 了 满 足 不 同尺 寸 的 旋 塞 阀 能 够 用 同 一 个 装 置 进 行 试 压 。 需 要 对 旋 塞 阀 的位 置 进 行 调 节 ， 所 以该 装 置 的 升 降 机 构 显 得 尤 为 重 要 。 升 降 机 构 主 要 由 V 型 铁 和 丝 杠 组 成 ，通 过 调 节 丝 杠 可 以 实 现 高 度 的 调 节 。 以 满 足 不 同 直 径 的 旋 塞 阀试 压 。左 挡 板 的 设 计 为 通 孔 结 构 。 以 便 将 橡 胶 垫 固 定 在 挡 板 上 ， 右 挡 板 的 左 半 部 分 做 成 螺 纹 孔 ， 以 便 和 试 压 接 头 相 连 接 。为 了 保 证 试 压 时 的 密 封 性 ．在 左 右 挡 板 上 分 别 安 装 聚 四 氟 乙 烯 材 料 的 密 封 垫 片 。 4 利用有 限元软件分析试压装置 利 用 ANS YS进 行 结 构 分 析 。 主 要 包 括 建 立 有 限 元 模 型 、 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 进 行 求 解 、 进 行 结 果 评 价 和 分 析 三 个 步 骤 。本 文 主 要 对 试 压 装 置 的 左 挡 板 和 底 板 的 固 连 件 进 行 结 构 分 析 。可 以通 过 P r o ／ E 软 件 建 立 结 构 模 型 导 人 ANS YS中 ． 导 入 模 型 之 前 必 须 注 意 单 位 的 转 换 ． 也 可 以 直 接 在 ANS YS中建 立 有 限 元 模 型 ， 将 由 P r o ／ E完 成 的 实 体 模 型 转 化 为 I GS格 式 导 入 有 限 元 软 件 中 。 为 遵 守 有 限 元 建 模 使 用 最 简 单 的 模 型 和 单 元 这 一 准 则 。 建 模 时 将 试 压 的 通 孔 省 略 。 4 ． 1 单 元 类 型 和 材 料 属 性 在 对 三 维 有 限 元 模 型 进 行 网 格 划 分 前 必 须 确 定 单 元 的 类 型 、 实 常 数 和 材 料 等 ， 由 于 装 置 结 构 比 较 规 则 简 单 ， 选 用 S o l i d l 8 6单 元 即 可 满 足 计 算 精 度 要 求 。 弹 性 模 量 为 2 0 6 GP a ， 泊 松 比为 0 ． 2 8 。 4 ． 2加 载 边 界 条 件 与 地 面 固定 的 底 板 底 面 采 用 全 约 束 。左 挡 板 左 边 加 强 筋 的 接 触 点 采 用 全 约 束 ．作 用 于 垫 片 密 封 面 上 的 机械制造5 2卷 第5 9 6期 载 荷 为 3 5 MP a 。 4 ． 3 有 限 元 网格 划 分 采 用 自 由 网 格 F r e e 划 分 方 法 对 实 体 模 型 进 行 划 分 ， 为 了 获 得 较 好 的 计 算 精 度 ， 本 研 究 采 用 精 度 较 高 的 空 间 四 面 体 十 节 点 单 元 ． 网 格 密 度 控 制 采 用 智 能 S ma r t 单 元 尺 寸 控 制 方 式 ． 尺 寸 级 别 设 置 为 6。 经 过 网 格 划 分 ． 得 到 旋 塞 阀试 压 装 置 左 挡 板 的 有 限 元 网 格 模 型 节 点 数 为 4 0 4 2， 单 元 数 1 9 2 7。 4 ． 4 求 解 和 结 果 分 析 利用 ANS YS 求 解 器 对 其 进行求 解 ． 分 析 得 出 试 压 装置的 Vo n M i s es 应 力 分 布 云 图 如 图 2所 示 。 在 密 封 垫 片 和 左 侧 支 撑 的 中 间 位 置 ， Mi s e s应 力 最 大 。 由 于 结 构 尺 寸 较 大 。 所 以 在 垫 片 受 力 时 如 果 没 有 挡 板 左 侧 的 支 撑 ， 则 最 大 应 力 应 该 发 生 在 挡 板 和 底 板 的 连 接 处 。 由 有 限 元 分 析 结 果 可 知 ， 该 装 置 在 试 压 过 程 中 满 足 强 度 要 求 。 5 结论 在 了解 旋 塞 阀 试 压 的 相 关 要 求 和 规 定 后 ，设 计 了 方 钻 杆 旋 塞 阀 试 压 装 置 ， 并 对 其 进 行 有 限元 分 析 ， 得 到 了 主 要 结 构 最 大 应 力 发 生 的 位 置 。该 试 压 装 置 结 构 简 单 。 使 用 方 便 ， 能 够 在 额 定 压 力 下 保 证 其 连 接 的 密 封 可 靠 性 ， 成 本 低 ， 适 用 于 不 同 直 径 的 旋 塞 阀 。 由 于 旋 塞 阀 在 防 喷 中 的 重 要 性 ， 开 展 旋 塞 阀试 压 装 置 的 分 析 研 究 ， 对 提 高 旋 塞 阀 的 可 靠 性 具 有 非 常 重 要 的 现 实 意 义 。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈浩， 宋周成， 王晓萍， 等． 方钻杆旋 塞阀的失效分析 [ J ] ． 天 然气工业， 2 0 0 7 1 2 ． 『 2 ] 郭晓阳． 对哈上部和下部方钻杆 阀及其它钻柱安全阀加工 出 口[ J ] ． 民营科技， 2 0 0 9 4 ． 『 3 ] 兰州石油机 械研究所矿机情报 组译． A P I 旋 转钻井设 备规 范[ J ] ． 石油矿场机械， 1 9 7 5 [ Z 1 ] ． [ 4 ] 李德禹． 工业用 阀门的压力试验 I S O ／ D I S 5 2 0 8 ． 2 1 9 8 1 [ J ] ． 化工与通用机械， 1 9 8 2 3 ． [ 5 ] 张朝 晖． A N S Y S结构分析工 程应用 实例解析 [ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． △ 编 辑 丁 罡 2 0 1 4 ／ 4园I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m