FZ54－70型单闸板防喷器低高温试验装置研制

王红杰，屈志明，刘宝秋，吴占伟，申凌云

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘062552）①

FZ54－70型单闸板防喷器是为了满足新疆塔里木油田用户的需要而设计的一种大通径高压力的新型防喷器。根据API标准要求，需要对这种防喷器装置进行各种操作性型式试验及低温和高温环境的适应性试验［1－3］。通过对 FZ54－70型单闸板防喷器的结构型式、外形尺寸的分析，设计制造了专用的低高温试验装置［4］，为防喷器等井控装备在现场环境温度变化下的适应性提供了依据。

1 试验装置设计

1.1 低高温实验室的设计选型

防喷器等井控装备进行低高温试验的第1步就是对防喷器整机进行加热升温。防喷器升温过程一般设定在2～5 h，时间过长会造成资源的浪费，亦会对防喷器的密封胶件造成损害。TP/W690步入式低高温实验室（如图1）为试验的进行奠定了第1步，其工作环境温度－55～＋130℃，试验介质最高温度可达260℃，可为防喷器低高温试验提供低温、恒温、高温等程序变化的多种试验环境［5］。

图1 低高温实验室

1.2 加热管的设计和计算

通过导热公式计算［6］，并经过一系列模拟试验，对比试验结果，最终确定了加热棒类型：将大功率加热棒直接贴服于耐压管壁进行加热。加热丝材料为Cr20Ni80，熔点1 400℃，每根加热棒的功率为3 500 W。设计的FZ54－70型单闸板防喷器需要用10根加热棒进行试验加热，每5根为1组共用1相电源。为避免在试验过程中出现加热棒烧断或是短路故障情况的发生，对10根加热棒加热线路都全部安装了断路器进行保护。断路器能自动切断有故障的工作电源，而不影响整体试验进程。既保证了试验装备的安全可靠性，也为下一步的检查维修创造了条件［7］。

系统升至设定温度所需总热量为

式中：c为材料比热容；m为待加热物体的质量；△t为温升；ρ为密度；V为体积；下标o、b、g分别表示导热油、防喷器、钢材。

其中：co＝1.809×106J/（kg·℃）；cg＝4.50×105J/（kg·℃）；ρo＝9.03×103kg/m3；Vo＝4.9×10－1m3；mb＝1.582×104kg；△t＝73 ℃。由式（1）～（5）计算可得Q＝548 441 800.44 J。

加热功率为

式中：P为加热功率；Q′为吸收热量；t为加热时长。

假设所需加热时长最长5 h，计算可得P＝32 135 W。设计使用了10根加热棒，则每根加热棒的加热功率为3 200 W，考虑实际损耗，确定每根加热棒功率为3 500 W。

1.3 试压底座及耐压套管结构设计

依据选定的2种加热棒的结构尺寸，确定选用42Cr Mo材质的加热套管，并通过试验进一步确定了加热套管的长度、深度、壁厚以及安装方式，如图2所示。考虑加热棒性能受到耐热管空间等条件的限制，亦考虑防喷器底法兰和耐压套管在高压高温环境下金属强度等问题，最终决定在底法兰上开10个加热孔和1个测温孔，并且防喷器底法兰的厚度尺寸由GB/T22513标准规定的0.241 m增加到0.27 m。耐压套管的结构经过多次试验，最后确定图2中的B方案。图3即为拉杆式结构的加热棒。

图2 加热套管方案对比

图3 加热棒与拉杆组合

A、B方案对比：

1） A方案中耐压套管壁厚为0.008 m，B方案中管壁增加至0.012 m。

2） 耐压套管总长度为0.765 m，内孔为0.032 m。A方案中耐压套管的内孔加工涉及到了深孔加工，常规加工无法实现，增加了加工难度；B方案中套管的加工可以选择两端对顶加工的方法，避开了深孔加工，减小了套管的加工难度。

3） A、B两种方案经过反复试验，A方案中的密封垫位置在试验过程中由于井压的作用经常发生泄漏，需要拆换处理，在试验过程中增加了很多不必要的工作量，而B方案采用拉杆式结构，密封稳定性好，试验过程中基本没有泄漏的情况发生。

最终加工完成后的FZ54－70型单闸板防喷器试压底座、耐压套管及加热管装配效果如图4所示。

2 试验过程

为进一步验证结构设计的合理性和试验装置的可靠性，按照API Spec 16A规范附录D的要求［2］，对FZ54－70型单闸板防喷器进行了低高温试验。

FZ54－70型单闸板防喷器橡胶件的设计温度等级为BB级，即－18～93℃。根据试验程序，分别对防喷器进行了－18℃和93℃下的压力密封试验。－18℃温度下，每开关闸板7次进行1次压力试验，包括1.4～2.1 MPa（200～300 psi）和额定工作压力70 MPa（10 000 psi）的密封试验，共进行了3组压力循环，开关21次，低高压各稳压3 min。在整个稳压期间，压力变化小于试验压力的5%［2］，密封试验合格。93℃温度下，防喷器在1.4～2.1 MPa（200～300 psi）和额定工作压力70 MPa（10 000 psi）下，分别稳压3 min和60 min。在整个稳压期间，压力变化小于试验压力的5%［2］，密封试验合格，达到了API Spec 16A所规定的试验要求。低高温密封试验曲线如图5～6所示。

图5 防喷器－18℃低温密封试验曲线

图6 防喷器93℃高温密封试验曲线

为了验证低高温试验装置［8］的稳定性、持续性，以及防喷器胶件的使用性能，在已完成了API Spec 16A规范附录D所规定的试验要求外，对FZ54－70型单闸板防喷器又进行了6 h、93℃和1 h、121℃的高温试验，密封试验合格。试验装置在长时间的使用下，没有发生泄漏或其他故障。

试验结果表明，上述结构的低高温试验装置安装方便，性能可靠［9］。

3 结论

1） 低高温试验装置所用的加热管选用合理。升温过程中，加热管的稳定性良好，既未造成能源的浪费，又安全可靠。

2） 试验证明：拉杆式耐压套管装置简单实用，安装方便，性能稳定可靠，为FZ54－70型单闸板防喷器低高温试验的成功提供了必不可少的前提条件。拉杆式耐压套管装置亦可以在其他类型防喷器的低高温试验中推广应用。

3） 在油气钻井和开采过程中，防喷器等装备是与安全生产直接相关的重要设备，对其制造、检测有很高的要求。我国地缘辽阔，地区气候和地质结构差异较大，环境温度和地下流体温度差异也较大，FZ54－70型单闸板防喷器低高温试验的完成，为防喷器在现场使用过程中能否应对恶劣极端的环境温度变化提供了保障，能够避免安全事故的发生。

［1］ API Spec 6A—2010，井口装置和采油树设备规范［S］.20版.

［2］ ANSI/API 16A，钻通设备规范［S］.3版.2004.

［3］ 王珊珊，黄永华.－196～＋100℃高低温摄像装置低温性能实验研究［J］.低温工程，2012，187（3）：5－6.

［4］ 顾和元，侯国庆，郭雪，等.水下防喷器组控制系统深水模拟试验装置研制［J］.石油矿场机械，2013，42（4）：1－5.

［5］ 李新民，唐顺东.石油钻采设备高低温性能检测系统及其应用［J］.钻采工艺，2011，34（5）：86－87.

［6］ 郭道宏.油管隔热保温试验研究［J］.石油矿场机械，2011，40（11）：27－28.

［7］ 陶煜征.防喷器电磁加热保温装置设计［J］.科学技术与工程，2011，11（21）：5184－5186.

［8］ 黄振琼，徐燕东.高温高压深井用液压封隔器研制及试验［J］.石油矿场机械，2013，42（10）：34－35.

［9］ 王百战，白文雄，樊勇，等.便携式井口防喷器试压装置研制与应用［J］.石油矿场机械，2011，40（12）：83－86.