环形防喷器球形胶芯失效形式及胶芯寿命分析

环形防喷器球形胶芯失效形式及胶芯寿命分析

李震

(中海油能源发展装备技术有限公司 机械设备技术服务中心, 天津 300452)

摘要：根据球形防喷器的工作原理，分析胶芯在几种典型工况下的受力与变形规律。结合现场使用情况，总结出胶芯的主要失效形式。认为为了提高球形防喷器胶芯的密封可靠性和性能，应主要从胶芯材料和结构两方面入手，一是改进橡胶配方和提高橡胶硬度，二是优化骨架结构。

关键词：环形防喷器； 球形胶芯； 失效分析；使用寿命

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.015

中图分类号：U664.5；P754

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0052-05

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一李震(1986-)，男，学士，工程师

Abstract:According to the working principle of spherical blowout preventer (BOP), the laws of force and deformation of rubber core in several typical working conditions are analyzed．Based on the information of their application on-site, the main failure modes of the rubber core are summarized. The measures are put forward to improve the sealing reliability and performance of the spherical BOP rubber core from the aspects of structure and material of rubber core, one is to modify the rubber recipe and raise the rubber hardness, the other is to optimize of frame structure.

修回日期：2015-09-01

研究方向:井口装置、井控设备设计、管理

E-mail:lizhen10@cnooc.com.cn

环形防喷器，也称万能防喷器，是井控装置的重要组成部分，主要用于钻井、修井、试油等作业中控制井口压力，防止井喷事故的发生[1]。球形防喷器胶芯是钻修井作业安全施工的重要保障，胶芯一旦密封失效，将可能导致严重的安全事故[2]。胶芯失效原因和失效机制是十分复杂的综合性问题，涉及到支撑筋和胶芯外部结构、形状、尺寸，橡胶材料特性及配方，防喷器的工况条件等诸多原因，对环形防喷器胶芯进行系统完整的失效分析难度很大。虽然胶芯属于“易损件”，但是胶芯的可靠性直接影响钻修井作业的成本和井控风险。因此，以歇福尔(Shaffer) 公司所开发的环形防喷器球形胶芯作为研究对象，对胶芯的失效形式及机制进行分析，以期提高胶芯使用性能及寿命、增加钻修井作业施工的安全性和降低设备维修费用。

1环形防喷器的工作原理

环形防喷器由顶盖、胶芯、档泥环、活塞、耐磨圈、壳体和螺栓组等主要零件所组成[1]，见图1。它的主要功能是：①当井内有钻具时，能封闭不同尺寸的环形空间；②当井内无钻具时，能全封闭井口；③在进行钻进、取心、测井作业时，若发生井喷，能封闭方钻杆、取心工具、电缆、钢丝绳等与井筒形成的环形空间；④在减压调压阀及缓冲储能器的配合下，能通过18°无细扣对焊钻杆，进行强行起下钻作业。

图1　环形防喷器结构

球形防喷器的工作原理: 关井动作时，下油腔( 关闭油腔) 里的液压油推动活塞迅速向上移动，当胶芯中弓形支撑筋沿着顶盖球形内表面自下而上滑移时，支撑筋之间的胶料被迫自外缘向中心挤压、收拢、变形，从而实现封井。开井动作时，上油腔( 开启油腔) 里的液压油推动活塞向下移动，胶芯所受挤压力消失，胶芯在自身橡胶的弹性作用下恢复原状，井口打开。

球形胶芯由弓形支撑筋与橡胶硫化而成[3]；支撑筋一般有14 个左右，见图2。

图2　球形胶芯

胶芯的储胶量很多，在强行起下钻被磨损之后，仍有较多的储备橡胶可陆续挤出补充。胶芯在关井动作时，胶芯沿球形顶盖的内腔自下而上，从外缘向中心移动，胶芯的上部橡胶向钻杆的对称轴线中心方向收缩集聚，压缩变形量较大; 胶芯的中部橡胶也向中心线方向收缩集聚，但压缩变形量较少; 胶芯的橡胶越靠近下部，向中心线方向的收缩变形量越小。当超过胶芯球面球心点以下时，甚至出现反方向运动，即背离中心线方向运动。其结果表现为球形胶芯中下部橡胶会围绕钻具形成一个倒置的“漏斗”，这一现象就是通常所说的“漏斗效应”[4]。当强行起下钻作业时，胶芯中心部位的漏斗形状便于钻杆接头通过，胶芯所受到的磨损也较少，胶芯的受力状态有所改善。

2球形胶芯失效形式及原因

2.1球形胶芯力学模型分析

环形防喷器球形胶芯的受力状态与钻修井作业的工艺紧密相关[5]。通常有4 种典型的受力状态: 带钻具封井作业； 带钻具封井后强行下钻作业；带钻具封井后强行起钻作业；不带钻具封井(即封零) 作业。

1)带钻具封井作业力学模型。胶芯底部受到活塞向上的平移驱动力; 顶盖内球面施加给胶芯一个指向球面中心方向的压力及沿球面切线向下方向的摩擦力; 当胶芯与钻具接触时，胶芯内表面产生接触压力; 作用于胶芯“漏斗面”上和活塞上部的环槽里井底的高压流体压力，起到了助封作用或自密封作用。在上述力的作用下，胶芯内表面会出现花边状收缩变形，花边的凸出部分受拉伸应力作用，花边的凹陷部分受压缩应力作用。胶芯上表面会呈现鼓出形状，离支撑筋越远鼓出变形越大，即拉伸应力越大。此外，胶芯与支撑筋接触的部位与活塞环发生接触，由于材料性质突变，会产生应力集中和较大剪切应力。

2)带钻具封井后强行下钻作业力学模型。在第一个力学模型基础上，钻具强行下钻时，在胶芯内表面增加了一个向下的摩擦力。在该作业状态下，胶芯除了第一个力学模型所描述的应力状态外，当摩擦力较大时，胶芯还会出现较大剪切应力作用或摩擦磨损现象。

3)带钻具封井后强行起钻作业力学模型。该力学模型是在第一个力学模型基础上，钻具强行起钻时，在胶芯内表面增加了一个向上的摩擦力。在该状态下，胶芯除了第一个力学模型所描述的应力状态外，当摩擦力较大时，胶芯上还会出现较大剪切应力作用或摩擦磨损现象。如果多次起下钻作业，胶芯还会出现疲劳交变应力作用。

4)不带钻具封井作业力学模型。该力学模型称为胶芯的封零力学模型，是胶芯受力和变形最恶劣的工况。其一，胶芯底部受到活塞向上的平移驱动力；其二，胶芯受到顶盖内球面约束，施加给胶芯一个指向球面中心方向的压力，同时施加一个沿球面切线向下方向的摩擦阻力；其三，当胶芯向中心收缩变形时，如果胶芯变形量和自接触压力足够大时，胶芯内表面会发生自接触;其四，井底高压流体的压力作用于胶芯“漏斗面”上和活塞上部的环槽里，起到了助封作用或自密封作用。在上述力的作用下，因需要完全封住整个井口，胶芯变形量必须非常大，胶芯内表面花边的部分所受应力将非常复杂，变形也非常大。胶芯上表面的鼓出变形和拉伸应力都会很大。此外，胶芯与支撑筋的接触部位以及胶芯与活塞环接触部位，由于材料性质的突变，在接触部位会发生材料特性突变，从而产生很高的应力集中。

2.2胶芯上表面开裂和层块状脱落

胶芯在关井动作时，胶芯沿顶盖内表面自下而上、从外缘向中心收缩移动时，胶芯的上部橡胶压缩变形量最大，导致胶芯上表面橡胶像气球一样地鼓出，由于受支撑筋的影响，在胶芯上表面和圆柱内表面交界处的拉伸应力最大，当拉伸应力超过胶芯材料极限时，胶芯上表面会产生径向裂纹和周向裂纹，见图3、4。

图3　球形胶芯上表面破裂

图4　球形胶芯上表面破裂和层块脱落

当2 种裂纹贯通时，就会导致胶芯上表面层块状脱落，如图4 所示; 当胶芯经过多次开井和关井动作时，胶芯上表面会疲劳开裂和层块状脱落，是球形胶芯主要失效形式之一。

2.3胶芯内壁大块脱胶

当胶芯处于封井状态，钻具多次强行起、下钻时，胶芯不同的圆柱剖面上受到交变的剪切应力作用，越靠近内壁剪切应力越大。由于橡胶疲劳剪切强度只有其静剪切强度的20%～30%，所以多次强行起下钻很容易导致靠近内壁的橡胶疲劳剪切失效，出现胶芯内壁大块脱胶现象，见图5 。

图5　球形胶芯通径内壁大块橡胶脱落

胶芯老化、弹性太低等材质问题有时也会导致出现内壁大块脱胶和顶部大块脱胶现象。

2.4胶芯底部与活塞接触处的橡胶开裂

由于胶芯底部与活塞接触处材料性能的突变，导致胶芯中有明显的应力集中，当应力超过橡胶材料的极限应力时就会出现胶芯开裂。在多次开启的交变应力作用下，胶芯在该处容易出现疲劳开裂现象。见图6。

图6　球形胶芯底部与活塞接触处橡胶的开裂

2.5胶芯不能密封住井底高压流体

胶芯储胶量不足，或胶芯与顶盖内球面摩擦力太大导致胶芯锁死无法向上移动，或胶芯内壁划伤严重，或钻具偏心太严重等原因均可造成胶芯密封失效。胶芯密封失效是一种功能性失效，必须在设计阶段予以足够的重视，在操作使用阶段，应该尽量避免钻具表面损伤和毛刺，避免钻具偏心太严重。

2.6封井后胶芯不能及时恢复

因橡胶材料永久变形太大、或弹性滞后太严重(即回弹性太低) ，导致胶芯不能及时恢复造成功能性失效。

2.7其他失效

支撑筋疲劳断裂，主要是由于铁芯结构尺寸不合理造成的； 橡胶高温老化、黏流化和碳化； 橡胶低温玻璃化或脆化； 井底流体作用导致橡胶力学性能降低及改变也会导致胶芯密封失效。

3提高球形胶芯使用寿命的措施

从结构上来说，应优化胶芯和支撑筋的结构形状和尺寸，降低胶芯中的峰值应力；从材料上来说，应改进胶芯橡胶材料配方和硫化工艺，提高橡胶的抗拉性能、扯断永久伸长率、耐油性能、抗老化性能等；从工作的环境和条件来看，应该尽量减少施工过程中对钻柱表面的损伤，适当降低胶芯和钻柱之间的摩擦因数。

3.1提高橡胶的定伸应力与硬度

定伸应力与硬度是橡胶材料的刚度重要指标，是硫化胶产生一定形变所需要的力，与拉伸形变有着密切的关系，两者相关性较好，变化规律基本一致。由于交联密度在一定程度上受到定伸应力的影响，纯胶或者补强硫化胶的定伸应力及强度均会在交联密度提高条件下随之提高，因此可以对硫化剂、助硫化剂、促进剂、活性剂等品种进行调节以达到提高交联密度，从而提高胶体的定伸应力及硬度。另外还可以选择含硫的促进方式来增加定伸应力，多硫键能够有效提高定伸应力值，填充剂也对胶体的定伸应力及硬度的提高有一定的作用。胶体的弹性也与交联密度有直接关系，会随交联密度的不断提高而提高，但达到一定得峰值后，会随着交联密度的继续提高而降低。因此在通过提高硫化程度的方式提高胶体弹性时，需要使其保持在一定的范围内。

3.2改善支撑筋结构

骨架是球形胶心的重要支承件,其结构直接决定球形胶心承载能力和封井性能。现场使用与试验情况表明,在工作载荷较大和开关循环次数较多时,骨架上板块就会出现疲劳裂纹外表面,致使上板块疲劳折断。若尖峰载荷过大,上板块则可能发生多冲破断。这是由于在封井终结状态 时骨架上板块上部悬空,似悬臂梁,因而在工作载荷作用下,上板块发生弯曲变形,并在接触区域产生较大应力所致。为了合理确定骨架结构,特别对骨架应力分布规律进行变形前后研究，见图7。

图7　球形胶芯骨架离散结构图

图7表明了骨架强度薄弱部位,骨架离散结构图为骨架结构优化提供了依据。

提升上板块的强度并扩大胶体和支撑筋的贴合面积能够使胶芯在受力的条件下易于向中心靠拢，通过改善支撑筋结构的方式提升粘结强度。

3.3正确使用环形防喷器

1)在进行环形防喷器现场安装之后，应根据相应的规范及标准，在现场进行压力测试。将其置入预定层后，根据操作规范及流程，定期对防喷器进行开关试验，保证其处于良好的工作状态，如果胶芯出现所有支撑筋完全合拢或者出现其他异常情况，需要及时处理，或直接更换胶芯。

2)在钻修井作业过程中如果井内有钻具并出现井涌甚至井喷情况时应先使用环形防喷器将井口控制住。由于环形防喷器没有锁紧装置，容易使胶芯受到较大的损坏，因此封井时间不宜过长。

3)如果没有异常情况，一般不对空井进行封闭处理，需要封闭空井时，压力应保持在额定工作压力的50%左右，需要释放并降低井内压力时，按照相应操作流程进行，不可以直接打开环形防喷器。

4)环形防喷器在对管柱进行封闭时，其控制压力的峰值为10.5 MPa,封零时，控制压力的峰值应为19.0 MPa,在进行压力测试时，压力设定相对较低，保障胶芯的使用寿命，如果出现支撑筋合拢现象，应及时更换胶芯。

5)在环形防喷器关闭的情况下，钻具管柱的活动应保持水平方向，禁止进行旋转活动；打开防喷器后，需对胶芯进行检查，保证其处于全开的状态，避免挂坏胶芯。

6)防喷器的开关应使用配套的液压油，并保持液压油的清洁。

3.4优化环形防喷器球形胶芯的储存环境

环形防喷器球形胶芯的储存需要良好、适宜的环境，要保证其处于良好的状态。储存的环境应在干燥的室内，光线保持在较低的程度，室内温度应处于20 ℃左右，相对湿度小于75%。某些设备或条件会对其造成一定的影响，如靠近取暖设备、处于高压带电设备周围、受到阳光直射、接触有腐蚀性的溶液等，都会加速胶芯的老化。在放置胶芯时，应保持松弛状态，避免其扭曲、挤压、或者处于悬挂状态。在存放的过程中，应加强管理，定期检查。如果胶芯出现弯、裂缝、硬化、脆化、裂纹等现象则胶芯无法正常使用。在对胶芯进行硬度测试时，正常情况下其邵氏硬度应保持在62～68 HD之间，若硬度大于68 HD，说明橡胶的回弹性不足；若硬度小于62 HD，说明所受的外力不足。胶芯在出厂后，在满足各种存放条件下，最长的存储期为一年，逾期应按过期橡胶件处理。

参考文献

[1] 苏尚文,许宏奇.我国防喷器技术进展及发展方向[J].石油机械,2001,29(S):101-103,107.

[2] 孙祖臣,魏明扬170 MPa液压防喷器胶芯的研究[J].石油机械,1995,23(2):9-14.

[3] 王志远，赵胜英，赵利，等.防喷器领域的最新进展[J].石油机械，2005，33(3):71-72.

[4] 中华人民共和国化学工业部．HG 2292-92 环形防喷器胶芯[S]．北京:中国标准出版社，1993.

[5] 林军．球形防喷器胶芯失效的形式及原因[J]．石油机械，1995，23(9):36-37．

On the Failure Modes of Spherical Rubber Core in Blowout

Preventer and Measures to Improve Its Service Life

LI Zhen

(CNOOC Energy Development Equipment Technology Co. Ltd, Tianjin 300452, China)

Key words: blowout preventer; spherical rubber core; failure analysis; service life