1 概述
隨著鉆井技術的日益發展,井控工作越來越得到重視,方鉆桿旋塞閥作為井控必備工具,得到普遍應用。方鉆桿旋塞閥是一種防止溢流和井噴的有效工具,用于保護水龍帶不受地層高壓的破壞,避免嚴重的井噴事故發生,同時起到節約鉆井液、保持鉆臺清潔、減少環境污染的作用。它也是改善工作條件,實現文明生產和發生井噴時應急使用的一種輔助鉆井裝置。方鉆桿旋塞閥結構簡單,操作方便,使用較可靠。
方鉆桿旋塞閥是一種球閥,分為上部方鉆桿旋塞閥和下部方鉆桿旋塞閥兩種,兩端有與鉆柱相連接的螺紋。上旋塞閥裝在水龍頭和方鉆桿之間,下旋塞閥裝在方鉆桿與鉆桿之間,它們是防止鉆井液噴濺、改善工作條件、實現文明生產和發生井噴時應急使用的一種輔助鉆井裝置。上旋塞閥位于方鉆桿上部,下部為下旋塞閥。上旋塞閥為左旋螺紋,下旋塞閥為右旋螺紋。在鉆井作業時,旋塞閥處于開啟狀態,一旦發生溢流或者井涌,為了阻止鉆井液沿鉆具水眼上竄,危及水龍帶和立管管線安全,就必須立即關閉旋塞閥,以防止井噴。在井控作業中,水龍帶、高壓管匯損壞時,關閉該裝置,即可進行安全更換。當需要進行高密度鉆井液循環壓井時,又必須立即開啟旋塞閥。
國內外有關方鉆桿旋塞閥研究報道的資料非常少,而它在確保鉆井安全運行方面起著非常重要的作用,其本身性能的好壞將直接影響旋塞閥功能的正常發揮。旋塞閥閥體的加工工序一般為:下料、粗車、熱處理、無損探傷、精車、精車錐管螺紋、磷化、裝配、試壓、噴漆、包裝,可以簡單總結為前期加工、試壓和包裝出廠3個部分。而試壓是旋塞閥投入使用前檢驗其是否合格的關鍵工序,因此開展旋塞閥試壓裝置結構的研究具有十分重要的意義。在對旋塞閥進行試壓時,一般利用與閥體錐螺紋相匹配的限位接頭實現密封,然后向閥內注水打壓。當檢測不同直徑大小的旋塞閥時,需要切換不同的螺紋接頭尺寸,工作比較繁瑣,且容易導致螺紋的磨損、滑扣、疲勞破壞甚至失效,嚴重影響試壓螺紋連接的安全可靠性和緊密性。針對這些問題,筆者設計了一種適用于不同直徑尺寸且非螺紋連接的旋塞閥試壓裝置,檢測不同直徑的旋塞閥時,只需要調節升降機構的高低即可。
2 旋塞閥的壓力試驗
旋塞閥的壓力試驗主要是對閥體外殼進行試壓,以檢驗閥體致密性及整個殼體的耐壓能力。根據API旋轉鉆井設備規范相關標準規定,必須對方鉆桿閥殼體在適當的工廠液壓試驗壓力下進行試驗。如果不經試壓直接安裝,不僅會發生泄漏,還會存在井噴等安全隱患,給生產和人身安全造成巨大損失。旋塞閥試壓前需進行外觀檢查,各項指標須符合相關要求,在此基礎上根據設計要求對旋塞閥逐個進行壓力試驗和密封試驗。試壓時首先封閉閥門兩端,啟閉件處于微開啟狀態,再給腔體充滿試驗介質,這種介質可以是液體也可以是氣體,液體包括水(可以加入防銹劑)、煤油或黏度不大于水的其它適宜液體,氣體包括空氣或其它適宜的氣體。用液體作試驗時,應排除閥門腔體內的氣體。用氣體作試驗時,應采用安全防護措施。然后給閥體逐漸加壓到試驗壓力,壓力要逐漸增高,不允許急劇、突然地增壓。最后關閉啟閉件,釋放閥門一端壓力,閥門另一端也按同樣方法加壓。按保壓時間要求保持試驗壓力,若在規定時間內保持壓力,承壓壁及閥體沒有可見滲漏,殼體不出現結構損傷,則可判斷試驗合格。
3 試壓裝置的結構研究
該試壓裝置主要由底板1、左擋板2、升降機構3、密封墊片4、右檔板5、旋塞閥6和驅動右擋板運動的液壓系統組成,結構如圖1所示。左擋板和底座固定成一個整體,底板固定在地面上,左側設有加強筋支撐。
1.底板2.左擋板3.升降機構4.密封墊片5.右檔板6.旋塞閥
▲圖1 試壓裝置結構圖
底板設有滑動導軌,與右擋板的導軌槽構成移動副。右擋板在液壓力的驅動下,沿著底板導軌可實現左右運動,底板的導軌結構既滿足了移動擋板按固定軌跡移動的要求,又避免了試壓后閥內的水流出,在槽內形成淤積,導致銹蝕等嚴重影響移動擋板運動的問題。在左右擋板的一定高度上設有通孔,以方便試壓時注水,在通孔處配置密封墊片,密封墊片與通孔是同軸關系。主要結構尺寸:高度為850mm(左擋板的高度包括底板高度),寬度為300mm,厚度40mm,通孔的定位高度為640mm。在實際應用中,為了滿足不同尺寸的旋塞閥能夠用同一個裝置進行試壓,需要對旋塞閥的位置進行調節,所以該裝置的升降機構顯得尤為重要。升降機構主要由V型鐵和絲杠組成,通過調節絲杠可以實現高度的調節,以滿足不同直徑的旋塞閥試壓。左擋板的設計為通孔結構,以便將橡膠墊固定在擋板上,右擋板的左半部分做成螺紋孔,以便和試壓接頭相連接。為了保證試壓時的密封性,在左右擋板上分別安裝聚四氟乙烯材料的密封墊片。
4 利用有限元軟件分析試壓裝置
利用ANSYS進行結構分析,主要包括建立有限元模型、施加載荷和邊界條件進行求解、進行結果評價和分析三個步驟。本文主要對試壓裝置的左擋板和底板的固連件進行結構分析,可以通過Pro/E軟件建立結構模型導入ANSYS中,導入模型之前必須注意單位的轉換,也可以直接在ANSYS中建立有限元模型,將由Pro/E完成的實體模型轉化為IGS格式導入有限元軟件中。為遵守有限元建模使用最簡單的模型和單元這一準則,建模時將試壓的通孔省略。
4.1 單元類型和材料屬性
在對三維有限元模型進行網格劃分前必須確定單元的類型、實常數和材料等,由于裝置結構比較規則簡單,選用Solid186單元即可滿足計算精度要求,彈性模量為206GPa,泊松比為0.28。
4.2 加載邊界條件
與地面固定的底板底面采用全約束,左擋板左邊加強筋的接觸點采用全約束,作用于墊片密封面上的載荷為35MPa。
4.3 有限元網格劃分
采用自由網格(Free)劃分方法對實體模型進行劃分,為了獲得較好的計算精度,本研究采用精度較高的空間四面體十節點單元,網格密度控制采用智能(Smart)單元尺寸控制方式,尺寸級別設置為6。經過網格劃分,得到旋塞閥試壓裝置左擋板的有限元網格模型節點數為4042,單元數1927。
4.4 求解和結果分析
利用ANSYS求解器對其進行求解,分析得出試壓裝置的VonMises應力分布云圖如圖2所示。在密封墊片和左側支撐的中間位置,Mises應力最大。由于結構尺寸較大,所以在墊片受力時如果沒有擋板左側的支撐,則最大應力應該發生在擋板和底板的連接處。由有限元分析結果可知,該裝置在試壓過程中滿足強度要求。
▲圖2 VonMises應力分布云圖
5 結論
在了解旋塞閥試壓的相關要求和規定后,設計了方鉆桿旋塞閥試壓裝置,并對其進行有限元分析,得到了主要結構最大應力發生的位置。該試壓裝置結構簡單,使用方便,能夠在額定壓力下保證其連接的密封可靠性,成本低,適用于不同直徑的旋塞閥。由于旋塞閥在防噴中的重要性,開展旋塞閥試壓裝置的分析研究,對提高旋塞閥的可靠性具有非常重要的現實意義。