F48-70型水下防喷器组研制

侯国庆，许宏奇，粟　京，吴占伟，孟庆荣，刘　健，蔡宝平

(1．河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552；2．中国海洋石油总公司 深水钻井船项目组，北京 100016；3．中海石油研究总院，北京 1000273；4．中国石油大学 机电工程学院(华东)，山东 青岛 266580)



F48-70型水下防喷器组研制

侯国庆1，许宏奇1，粟京2，吴占伟1，孟庆荣1，刘健3，蔡宝平4

(1．河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552；2．中国海洋石油总公司 深水钻井船项目组，北京 100016；3．中海石油研究总院，北京 1000273；4．中国石油大学 机电工程学院(华东)，山东 青岛 266580)

结合目标平台，采用防喷器结构优化技术、胶芯超弹性复合体三维仿真模拟分析技术、高强度高韧性低合金钢制造技术、抗硫剪切闸板设计制造技术、耐高温胶料配方及硫化技术等水下防喷器组关键技术，研制出了国内首套F48-70型水下防喷器组。F48-70型水下防喷器组配置了抗硫剪切闸板、耐温177 ℃管子闸板、耐温149 ℃变径闸板，可满足高温高压、高含硫井钻井作业要求。该防喷器组通过了中国船级社、挪威船级社、四川科特石油工业井控质量安全监督测评中心等第三方的检验，检验结果符合API Spec 16A要求，为该水下防喷器在海上应用奠定了基础。

水下防喷器；高温高压；剪切闸板；H2S；有限元

1　总体设计

F48-70型水下防喷器组由2FZ48-70型闸板防喷器和FH48-35型环形防喷器两种规格防喷器组合而成，结合水下控制箱、节流压井管线等其他设备实现水下钻井作业的井控功能。F48-70型水下防喷器组在外部连接尺寸和形式上能与目标平台在用防喷器互换，闸板防喷器上下采用卡箍连接结构形式，环形防喷器下部连接为卡箍结构形式，上部采用英制螺纹连接形式。闸板防喷器配置耐温177 ℃管子闸板、耐温149 ℃大范围(88.9～193.7 mm)变径闸板和抗硫剪切闸板，满足高温高压、高含硫井的作业需要。F48-70型水下防喷器组主要技术参数如表1。

表1　F48-70型水下防喷器主要技术参数

1.12FZ48-70闸板防喷器总体设计

2FZ48-70型闸板防喷器主要由闸板密封、侧门密封、液压锁紧等结构组成(三维模型如图1)，与同规格CAMERON U型防喷器一致，可依据钻井作业需要配置高抗硫剪切全封闸板总成、管柱闸板总成或大范围变径闸板总成[1]；防喷器采用液压开关侧门[2]，实现快速更换闸板；采用液压自动锁紧闸板方式[3]，可同步锁紧与关闭闸板，解锁与开启油路顺序操作；壳体、闸板体、侧门等承压件采用高强度、高韧性低合金的材料，保证防喷器使用安全可靠；与井液接触的密封表面及钢圈槽堆焊耐蚀合金，其他密封沟槽及密封配合表面进行防腐处理，保护密封部位不被海水腐蚀；壳体的闸板腔体采用长圆形截面，腔室结构尺寸小，采用大圆弧光滑连接，减小结构不连续造成的应力集中；闸板体采用长圆形整体结构，前密封和顶密封可根据损坏情况单独更换，底部镶嵌耐磨板，减少闸板与壳体的磨损、拉伤等；侧门密封采用浮动密封结构，减少侧门螺栓的上紧力矩，提高密封可靠性。

图1　2FZ48-70型双闸板防喷器三维模型

1.2FH48-35环形防喷器总体设计

FH48-35型环形防喷器[4]采用球形胶芯结构，主要部件有壳体、顶盖、活塞、防尘圈及球形胶芯(三维模型如图2)，配有蓄能器油路孔，安装蓄能器后，可实现带压起下钻作业；壳体、顶盖、活塞采用高强度、高韧性的低合金材料，保证防喷器使用安全可靠；壳体与顶盖采用爪块式联结，拆装迅速、方便省力；活塞与壳体等配合面采用涂层处理，可有效防止活塞拉伤；密封件及球形胶芯可与SHAFFER同规格防喷器互换；钢圈槽与密封槽堆焊耐蚀合金，提高密封槽防腐性能。

图2　FH48-35型环形防喷器三维模型

2　关键技术

2.1进口水下防喷器设计互换和改进技术

对比分析国外不同厂家同规格防喷器结构及技术性能参数的区别，调研国内在役半潜式钻井平台防喷器使用中存在的问题，结合国内多年积累的防喷器设计核心技术，进行改进和互换设计。防喷器在外部连接尺寸、关键配件及密封结构与国外同类防喷器保持一致，可与目标平台国外同规格防喷器替换使用。 在防喷器局部结构上进行改进，例如活塞密封由单向密封改为双向密封(如图3)，增加了防喷器密封可靠性；锁紧机构增加顺序阀[5]，减少了控制油路数量；侧门密封采用浮动密封结构，减少侧门螺栓上紧转矩；零件表面涂覆功能性涂料，提高了耐海洋环境腐蚀能力。

a　目标平台单向活塞密封圈结构

b　双向密封圈结构

2.2关键承压件的结构优化设计技术

由于防喷器承压件的结构较为复杂，无法依靠常规的理论公式进行强度校核。通过采用有限元分析，合理构建有限元三维模型，根据不同校核要求，其材料分别采用弹性模型和弹塑性模型，充分考虑各种载荷影响因素，对应力进行线性化处理，得出强度评定所需的各应力分量，包括薄膜应力和弯曲应力等[6]，应用通用的国际标准API Spec 16A[7]和ASME规范进行强度校核。

通过对闸板防喷器壳体、侧门、闸板及环形防喷器壳体、顶盖、爪盘等关键承载件的三维有限元模拟分析，经过多次优化改进设计，完成了承载件的结构设计，其结果符合应力限定准则的要求，能够在额定工作压力下安全有效的工作。优化后防喷器整机质量比国外同规格防喷器减少5%以上。优化后的闸板防喷器壳体和环形防喷器壳体的应力云图如图4所示。

a　闸板防喷器壳体应力云图

b　环形防喷器壳体应力云图

2.3胶芯超弹性复合体三维仿真模拟分析技术

以大型有限元软件为平台，针对金属骨架与密封橡胶的复杂多体超弹性大变形结构开发计算建模技术。通过试验确定弹性体的材料性能，建立了材料特性数据库。研究有限元分析流程与方法，综合运用材料非线性，几何非线性和边界条件非线性技术，对环形胶芯和大范围变径胶芯(如图5)进行三维仿真模拟[8-9]，模拟结果与试验结果相吻合。同时，对环形防喷器的活塞行程和闸板防喷器闸板行程进行了估算，为防喷器整机设计提供理论依据。

a　环形胶芯位移云图

b　大范围变径胶芯位移云图

2.4防喷器温度场模拟分析技术

水下防喷器由于海水温度较低，同时受到海水和波浪的作用，在防喷器的表面形成强对流状态，加速了温度的循环。在陆地上的防喷器，由于空气的温度较高，空气对流强度小，温度循环较慢。因此，防喷器在不同的使用场所，防喷器不同的部位所使用的密封件温度等级也有所不同。采用有限元分析软件进行防喷器在各种使用环境下的温度场模拟。温度场分析认为，在井内流体177 ℃情况下，地面防喷器所有密封件均需要高温密封件，而水下防喷器仅接触井液的闸板前密封和顶密封需要更换高温密封件。温度场模拟分析技术为高温高压钻井作业时密封件温度等级的选择提供了参考依据[10]。

2.5高强度高韧性低合金钢制造技术

闸板防喷器壳体、闸板体等关键承压件采用了最新研制的RS002高韧性高强度低合金钢锻件材料，力学性能达到586 MPa(85 kpsi)；环形防喷壳体、顶盖采用了ZG25CrNiMo高韧性低合金钢铸件材料，力学性能达到517 MPa(75 kpsi)。通过优化RS002材料化学成分，控制钢中的各种夹杂物的含量，合理制定热处理工艺，进行材料性能测试和金相分析，研究调质后截面的硬度分布、不同位置的组织变化以及系列试验温度下的韧性性能、组织变化情况，保证材料综合性能达到最优。该材料全截面硬度梯度无明显下降(如图6)，淬透性良好；材料焊接工艺通过DNV(挪威船级社)认证，焊接性能良好；材料由中国石油大学(北京)测试中心进行了抗应力腐蚀开裂性能试验，符合NACE 0177—2005的要求[11]。

图6　RS002材料全截面硬度分布

2.6抗硫剪切闸板设计制造技术

抗硫剪切闸板[12](如图7)分为上闸板和下闸板两部分，上下刀体均采用嵌入式装配。采用V形刀刃，双V刀，双刀的结构可以有效地降低实际剪切关闭压力，提高剪切能力。并且刀刃有一段零前角，可以提高刀刃的强度。刀刃两端还有负前角，使刀刃能顺利地合拢，避免切伤密封件。剪切刀体表面采用特种涂层处理，镀层耐H2S、CO2、盐水腐蚀，具有优良耐蚀特性。剪切闸板剪切钻杆7次后，刀体表面磁粉无缺陷。 刀体涂层与基体具有高的结合力，耐磨性好，韧性好，耐剪切冲击性能强[13]。刀体涂层在加载应力为85%YSmin条件下，经720 h加载试验，试样未发生腐蚀和断裂，符合NACE TM 0177标准要求。

图7　高抗硫剪切闸板

2.7耐高温橡胶材料配方及硫化技术

为同时满足耐高温和高抗硫二方面要求，选用氢化丁腈橡胶为主材料，通过加入与氢化丁腈橡胶相容性好的尼龙和酚醛树脂两种塑料对橡胶进行了改性。为了使氢化丁腈橡胶获得较好的硫化性能，选取低硫高促体系、过氧化物体系、硫磺与过氧化物并用体系3种不同的硫化体系分别对3种牌号的氢化丁腈生胶进行硫化，对比硫化胶及其在盐酸介质中腐蚀后的物理性能，优选出综合性能最佳的生胶及相应的硫化体系。

图8　88.9～193.7 mm大范围变径闸板密封88.9 mm钻杆149 ℃试验后照片

3　试验与第三方认证

F48-70型防喷器完成试制后，在四川科特石油工业井控质量安全监督测评中心和中国船级社等第三方监督下，闸板防喷器按照API Spec 16A的要求进行出厂试验、密封性能试验、疲劳试验、剪切闸板试验、悬挂试验、闸板拆装试验、闸板锁紧装置试验、设计温度验证试验(如图9)等，环形防喷器进行了密封性能试验、疲劳试验(如图10)、拆装试验、设计温度验证试验等，各项试验结果符合API Spec 16A的要求。中国船级社进行了包括防喷器设计图纸、工艺规范、产品制造、检验试验等在内的产品研发全过程的审查和监督，颁发了产品型式认可证书，挪威船级社审查了产品设计和工艺规范、试验曲线等产品资料，现场见证了工厂试验，颁发了产品见证证书。 四川科特石油工业井控质量安全监督测评中心见证了防喷器的所有试验，包括管子闸板胶芯高温177 ℃试验和变径闸板149 ℃高温试验，颁发了防喷器性能检验报告和防喷器高温试验检验报告。

2014-12-30，中海油深水钻井船项目组组织专家对F48-70型水下防喷器进行了现场验收，专家一致同意通过验收，并建议进一步推动F48-70型水下防喷器在海上进行应用。

图9　闸板防喷器设计温度验证试验

图10　FH48-35型环形防喷器疲劳试验

4　结论

1)F48-70型水下防喷器取得了中国船级社型式认可证书，挪威船级社审查了产品设计和制造资料并现场见证了工厂试验，防喷器性能试验、177 ℃高温管子闸板胶芯及149 ℃高温变径闸板胶芯通过了四川科特石油工业井控质量安全监督测评中心的检验，各项指标符合API Spec 16A要求，为进一步推动水下防喷器海上应用奠定了基础。

2)研究的耐高温胶芯和抗硫剪切闸板为水下高温高压、高含硫井勘探开发提供了备件保障。该技术不仅可用于F48-70、F48-105型水下防喷器，也可在陆地防喷器高温高压、高含硫井勘探开发中推广应用。

3)F48-70型水下防喷器组虽然通过了第三方检验和专家验收，但海上应用还需各参与单位紧密合作，制定风险预案，确保海上钻井作业安全。

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[3]赵荣军，许宏奇，苏尚文．闸板防喷器自动锁紧装置：中国，CN200520000277[P]．2006-07-26．

[4]侯国庆，许宏奇，粟京，等．一种水下环形防喷器：中国，CN201410068772[P]．2014-06-11．

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[15]侯国庆，王蓓，陈艳东，等．深水防喷器组及控制系统工程化研制年度报告[R]．北京：中国科学技术信息研究所，2014．

Development of F48-70 Subsea BOP Stack

HOU Guoqing1，XU Hongqi1，SU Jing2，WU Zhanwei1，MENG Qingrong1，LIU Jian3，CAI Baoping4

(1．Rongsheng Machinery Manufacture Ltd.of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China；2． Deepwater Drilling Unit Project Group，CNOOC，Beijing 100016，China；3．CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China；4．College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

To combine with the target platform，the first domestic F48-70 subsea BOP stack were developed by using the key technology of subsea BOP that such as BOP structure optimization technology，three dimensional simulation and analysis of the super elastic complex of rubber packing unit，high strength and high toughness of low alloy steel making technology，anti sulfur shear ram design and manufacturing technology，high temperature resistant rubber formula and vulcanization technology，etc.The BOP stack configuration resisting H2S shear ram，177 ℃ temperature pipe ram，149 ℃ temperature variable bore ram，which can meet the high temperature，high pressure，high content of H2S well drilling.The BOP stack passed third inspection of CCS，DNV and Sichuan Kete Petroleum Well-control Quality Inspection Center.Test results meet the requirement of API Spec 16A which lay offshore application foundation for the subsea BOP.

subsea BOP；HTHP；shear ram；H2S；finite element analysis

1001-3482(2016)05-0037-06

2015-11-21

国家高技术研究发展计划(863计划)“深水防喷器组及控制系统工程化研制”(2013AA09A220)；国家科技重大专项“深水半潜式钻井平台及配套技术”(2011ZX05027-001)

侯国庆(1972-)，男，河南安阳人，高级工程师，硕士，现从事海洋井控装备技术研究工作，E-mail：hou_y0503@126.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.008