萬能防噴器測試工裝的研制及應(yīng)用

李成強(qiáng)，柯洪飛，曾 波

(中遠(yuǎn)船務(wù)(啟東)海洋工程有限公司，江蘇南通226000)

0 引言

傳統(tǒng)萬能防噴器測試工裝存在操作復(fù)雜、對空間要求高等缺點(diǎn)，因此，如何借助現(xiàn)有資源，開發(fā)一種適合測試環(huán)境下使用的測試工裝便成為調(diào)試作業(yè)人員、工藝人員及設(shè)計人員面臨的一個新課題。本文介紹了防噴器的種類，對傳統(tǒng)萬能防噴器測試工裝、新型萬能防噴器測試工裝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和對比。實(shí)際應(yīng)用表明，新型萬能防噴器操作簡便、實(shí)用，安全性可靠性高。

1 防噴器簡述

1.1 防噴器種類

防噴器是用于試油、修井、完井等作業(yè)過程中關(guān)閉井口、防止井噴事故發(fā)生的專用設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、易操作、耐高壓等特點(diǎn)，是油田常用的防止井噴的安全密封井口裝置。防噴器按類型分普通防噴器、萬能防噴器和旋轉(zhuǎn)防噴器。萬能防噴器是可以在緊急情況下啟動，響應(yīng)任何尺寸的鉆具，甚至空井;旋轉(zhuǎn)防噴器可以實(shí)現(xiàn)邊噴邊鉆作業(yè)。在深井鉆井中常是除2種普通防噴器外，再加上萬能防噴器、旋轉(zhuǎn)防噴器，多種防噴器組合裝于井口。

1.2 環(huán)形萬能防噴器特點(diǎn)及性能介紹

環(huán)形防噴器有一個類似甜圈形狀的橡膠密封，稱為彈性填料單元，由增強(qiáng)鋼肋結(jié)構(gòu)構(gòu)成。密封件坐落在防噴器頂部殼體和液壓活塞之間。當(dāng)活塞驅(qū)動，其向上的推力將橡膠密封件擠壓收縮，環(huán)繞鉆具將井口密封，達(dá)到防止井噴的目的。環(huán)形防噴器只有2個運(yùn)動部件:活塞和橡膠密封件，使其具有響應(yīng)時間短、可適應(yīng)不同工況、操作簡單、易維護(hù)的特點(diǎn)。

2 傳統(tǒng)萬能防噴器測試工裝介紹

傳統(tǒng)萬能防噴器測試工裝主要有廠家提供的專用測試工裝和簡短圓盤立柱測試工裝2種。

2.1 專用測試工裝

2.1.1 測試方法

專用測試工裝使用同防噴器測試樁相匹配的鉆桿。專用測試工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 專用測試工裝

專用測試裝置的測試方法如下。

(1)將工裝吊運(yùn)進(jìn)萬能防噴器腔體內(nèi)，使用鏈鉗等專用上扣工具，將工裝與防噴器做螺紋連接，扭矩適當(dāng)，避免將密封O型圈損傷。

(2)緩慢關(guān)閉萬能防噴器，環(huán)抱工具，通過防噴器測試泵進(jìn)行加壓測試，模擬測試防噴器在實(shí)際工況下的密性及強(qiáng)度。

2.1.2 優(yōu)缺點(diǎn)

(1)優(yōu)點(diǎn)

較可靠，安全性以及穩(wěn)定性較高。

(2)缺點(diǎn)

①主要適用于制造商的專業(yè)測試，其需要的測試工裝都是專用工具;

②操作相對復(fù)雜，需借助專業(yè)的上扣工具;

③受到空間的限制，無法做到實(shí)時可視監(jiān)控，底部連接位置的螺紋密封件很容易損壞，且工裝上緊扭矩較難把握;

④耗時較長。

2.2 簡短圓盤立柱測試工裝

簡短圓盤立柱測試工裝結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。測試時需要借助萬能防噴器的橡膠密封進(jìn)行測試。

圖2 簡短圓盤立柱測試工裝

2.2.1 測試方法

(1)將圓盤立柱工裝吊運(yùn)進(jìn)萬能防噴器內(nèi)腔，調(diào)整高度，盡可能使圓盤上表面貼合橡膠密封的下表面。

(2)關(guān)閉萬能防噴器，抱緊立柱。

(3)由防噴器測試泵進(jìn)行加壓測試。

2.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)

(1)優(yōu)點(diǎn)

①安裝測試操作簡單;

②耗時較少;

③對測試工裝的尺寸無嚴(yán)格的要求，滿足受限空間作業(yè)要求。

(2)缺點(diǎn)

①在立柱和圓盤處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象;

②對于萬能防噴器的橡膠密封有潛在損壞風(fēng)險，非特殊情況，不推薦使用。

3 新型萬能防噴器測試工裝介紹及優(yōu)越性

3.1 測試工裝介紹

萬能防噴器測試工裝結(jié)構(gòu)圖如3所示。

此測試工裝是一種加長版的圓盤立柱工裝，工件底部鉆有通水小孔，直通上部腔室以保證水路的通暢，通過連通器原理，達(dá)到壓力傳遞的目的。這種工裝合理解決了安裝復(fù)雜以及密封磨損的問題，借助防噴器底部閘刀板的止檔作用，支撐圓盤進(jìn)行承壓，避免了鋼制元件與萬能防噴器橡膠密封件的直接接觸，從而保護(hù)了設(shè)備本體，并達(dá)到了試驗?zāi)康摹?/p>

圖3 自制測試裝置圖

3.2 測試方法

閘板防噴器處于開啟位置，將圓盤立柱工裝自頂部吊運(yùn)進(jìn)防噴器內(nèi)腔，把圓盤放置于防噴器中緊靠萬能防噴器的第一個中空管閘板防噴器的下方，關(guān)閉閘板防噴器，工裝立柱略小于閘板防噴器的中空尺寸，借助于上方手拉葫蘆手動提升工裝，將測試工裝圓盤上表面緊貼合閘板下表面，保持手拉葫蘆力度吊住工裝;然后，關(guān)閉萬能防噴器，抱緊立柱，檢查確認(rèn)狀態(tài)后，由防噴器測試泵進(jìn)行加壓測試。

3.3 工裝受力分析

此工裝也延續(xù)了傳統(tǒng)圓盤立柱測試工裝存在受力集中處的缺點(diǎn)。通過圖4可以看出，在工裝內(nèi)部通水孔處的應(yīng)力大于圓盤與立柱相接處的應(yīng)力。在試驗壓力為69 MPa的工況下，工裝最大應(yīng)力約為150 MPa。因此，制作此工裝的原材料可采用Q235、45號鋼等材料。

3.4 優(yōu)越性

3.4.1 安全及可靠性高

新型工裝雖然存在一定的應(yīng)力集中，但是通過上述的有限元應(yīng)力分析報告可以看出工裝的最大應(yīng)力值并不是太大，可以選擇的材料較為普遍。以45號鋼為例，屈服強(qiáng)度為355 MPa，其安全系數(shù)為2.36，在工裝強(qiáng)度以及安全性方面，此測試工裝完全符合要求。

3.4.2 操作便捷性和經(jīng)濟(jì)性好

(1)新型工裝在長度尺寸方面比專用工裝有很大的優(yōu)勢。其長度小，便于吊運(yùn)以及安裝，并且對于防噴器儲存位置的空間無特殊要求，允許在較小空間里進(jìn)行吊運(yùn)操作。由于立柱徑向尺寸只要小于閘板抱死中空尺寸，強(qiáng)度滿足要求即可，并無其他特殊要求，故工裝的制作尺寸靈活性較高，且對表面處理無特別要求。

圖4 模擬建模有限元受力分析

(2)新型工裝與底部測試樁以及防噴器無連接要求，安裝無需上扣、卸扣作業(yè)，安裝簡捷。

(3)新型工裝采用普通材料加工制成，有廣泛的選擇空間，能夠達(dá)到試驗要求。

3.4.3 測試無損性

(1)新型工裝在受力后對于設(shè)備本體的保護(hù)方面比傳統(tǒng)圓盤立柱工裝有較突出的優(yōu)勢。傳統(tǒng)工裝圓盤會受到水壓的推力直接接觸橡膠密封，盡管萬能防噴器的橡膠密封設(shè)計上可以承受很大壓力，但是實(shí)際工作狀態(tài)下是由液體傳遞的這種壓力，同傳統(tǒng)測試工況存在差別，極易損壞設(shè)備。新型工裝使得鋼制圓盤無法直接擠壓橡膠密封，避免了密封件底部受到固體擠壓所產(chǎn)生的損壞。

(2)新型工裝在避免因為受壓狀態(tài)下位移滑動導(dǎo)致的磨損方面比傳統(tǒng)圓盤工裝有很大優(yōu)勢。傳統(tǒng)工裝立柱與橡膠密封有一定的相對運(yùn)動，會產(chǎn)生密封件的磨損。新型工裝的向上運(yùn)動由閘板防噴器所限制，向下運(yùn)動由吊裝設(shè)備限制，在加壓以及泄壓過程中與橡膠密封無相對移動，從根本上避免了對橡膠密封側(cè)面的磨損。

4 萬能防噴器測試過程及安全控制

萬能防噴器的調(diào)試分為功能測試和壓力測試。功能測試一般是在無壓或低壓狀態(tài)下進(jìn)行，用以檢驗機(jī)械設(shè)備同控制系統(tǒng)間的通訊是否正常，傳感器等安全保護(hù)裝置是否正常響應(yīng)，控制系統(tǒng)反饋、顯示等是否正常，閥件操作是否順暢，以及其他可以在無負(fù)載下進(jìn)行的功能試驗。壓力測試是通過外置高壓泵提供試驗壓力，模擬實(shí)際工況，通過測試工裝將設(shè)備置于設(shè)計壓力下，用以檢驗設(shè)備有無泄漏以及強(qiáng)度等是否能夠達(dá)到設(shè)計要求的試驗。

4.1 測試過程中潛在作業(yè)風(fēng)險

4.1.1 準(zhǔn)備階段

首先，通過懸置于環(huán)形萬能防噴器上方的吊耳，將測試工裝通過手拉葫蘆、吊帶等吊具緩緩下放至測試位置。此時，需要注意人員及器物墜落的風(fēng)險，吊環(huán)、卸扣及吊帶等其他吊具的選擇需要嚴(yán)格按照吊運(yùn)安全操作規(guī)程進(jìn)行。其次，工裝吊入過程，需要謹(jǐn)慎操作，防止鋼制工裝對于防噴器內(nèi)腔的破壞，減少摩擦及磕碰的機(jī)會，防止內(nèi)腔受到機(jī)械損傷。

4.1.2 試驗過程階段

試驗加壓前，應(yīng)首先將水注滿整個測試腔，將空氣排出試驗空間，避免空氣殘留，增加試驗風(fēng)險。然后，測試工裝手動上提，保持松緊適度，既要避免和鋼制閘刀板進(jìn)行撞擊，又要做到緊密貼合，減少上壓過程中工裝在腔體內(nèi)部的向上位移，從而減少同萬能防噴器間的相對摩擦。試驗過程中，按照壓力試驗程序，緩慢升壓，穩(wěn)壓幾分鐘后，方可繼續(xù)試壓，直至達(dá)到試壓壓力。

4.1.3 試驗結(jié)束階段

試驗結(jié)束，緩慢將壓力降低至全部泄壓后，將試驗工裝自腔體內(nèi)提出，將殘留的水體排干，做好內(nèi)腔防腐處理，頂部孔洞蓋板到位，防止人員墜落。

4.2 嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)審批制度

萬能防噴器壓力測試試驗作為防噴器測試中關(guān)鍵性試驗，通過高壓泵壓設(shè)備模擬鉆井作業(yè)實(shí)際工況，存在崩彈、泄露等風(fēng)險，需要進(jìn)行專項策劃及作業(yè)審批，做好風(fēng)險及應(yīng)對方案，明確參與各方的職責(zé)，并進(jìn)行安全交底后方可進(jìn)行作業(yè)。試驗中做到有效溝通，作業(yè)禁區(qū)嚴(yán)格管理，禁止無關(guān)人員進(jìn)入。

5 結(jié)語

此次試驗證明:新型測試工裝具有操作簡便、實(shí)用，安全性及可靠性較高的特點(diǎn)，達(dá)到了試驗的預(yù)期效果，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)價值。與此同時，此次試驗大膽摒棄了以往過分依賴外協(xié)或廠家提供工裝的弊端，為以后其他項目的創(chuàng)新提供了寶貴經(jīng)驗。

［1］ 洪水棕，吳振坤.萬能防噴器的力學(xué)強(qiáng)度分析［J］.石油鉆采機(jī)械，1985(6):1-9，75.