旋塞阀静水压快速试压装置设计*

明立权，刘力力

(1.上海山潜智能科技有限公司，上海 201499； 2.上海涟屹轴承科技有限公司，上海 201100)

0 引 言

井控是钻井作业中十分重要的一项工作，方钻杆旋塞阀作为一种防止溢流和井喷的有效工具，用于保护方钻杆及方钻杆上部管线承受高压损坏，防止井喷事故发生，保持钻台清洁、降低环境污染在井控中应用十分普遍。

方钻杆旋塞阀分为方钻杆上部旋塞阀和方钻杆下部旋塞阀两种，方钻杆上部旋塞阀上端与水龙带连接下端与方钻杆联接，方钻杆下部旋塞阀上端与方钻杆联接下部与钻柱连接。在正常钻进作业时，旋塞阀处于常开状态，一旦发生溢流或者井涌，为了阻止钻井液从方钻杆下部钻柱危及地面管线安全，采用立即关闭旋塞阀，以防止并喷。

另外在钻井作业中如果出现需要更换损坏水龙带或高压管汇损坏时，也需要关闭该旋塞阀，待更换上述损坏零件后再次开启旋塞阀进行钻进作业。

方钻杆旋塞阀实质是一种两端带有钻杆螺纹的高压球阀。旋塞阀新产品在加工厂制造中主要分为零件制造、整体装配及出场测试三个步骤；钻井现场使用过一段时间的旋塞阀再次投入使用前，也需要对旋塞阀进行使用前的测试工作，测试合格再次使用；测试不合格进行维修，重新测试合格后再次投入使用。旋塞阀测试实质就是对旋塞阀进行静水压密封测试，因此静水压测试是否符合使用要求是旋塞阀测试的关键程序，因此开展对旋塞阀静水压试验装置的研究具有十分重要的意义。

目前较常规的旋寒阀静水压测试是将对应规格的密封套与旋塞阀两端锥螺纹旋合实现对旋塞阀两端的密封，然后向旋塞阀内部加注高压水，保压一段时间后测定压力降是否符合相关标准要求来完成静水压试验工作。每次的静水压试验工作都要对螺纹进行拆装作业，不仅工作繁琐效率低下，而且在频繁拆卸螺纹过程中易损坏螺纹，影响钻杆螺纹连接密封可靠性。针对这些问题，设计了一种适用于旋塞阀静水压试验的非螺纹密封的压力测试装置,在提高装卸效率的同时又能避免频繁拆卸对螺纹带来损伤。

1 旋塞阀静水压快速试压装置设计

1.1 装置组成及功能介绍

装置基本结构见图1，主要由水压站、液压站及试验架组成。试验架一侧设置有静密封套，另一侧设置有推拉油缸，动密封套可以在推拉缸的作用下前后移动，被测试旋塞阀置于动密封套与静密封套之间；液压站为油缸提供动力，油缸带动动密封套可以将旋塞阀夹紧将对旋塞阀两端密封，一旦旋塞阀两端密封水压站即可向旋塞阀内部注水循环、截至升压及稳压保压最终完成整个静水压试验动作。

图1 试压装置结构图

2 主要零部件设计计算

2.1 推力油缸主要参数计算

旋塞阀压紧密封结构见图2，油缸推力、试验架反力与内部水压力平衡，保证动密封套不后退，压力不外泄，根据文献[1]可知常用旋塞阀螺纹有65/8REG、NC50、NC46、NC38、NC31、NC26等，根据公式(1)分析可知,当P值一定的情况下，F与A成正比例关系。液体静压力作用在固体壁面上力：

图2 旋塞阀压紧密封结构

F=PA/1000

(1)

式中：F为旋塞阀内部水压力kN;P为液体内部压力MPa;A为液体作用面积mm2。

常用旋塞阀静水压试验一般分为低压测试及额定工作压力测试，低压测试压力一般在1.4～2.1 MPa之间，常用旋塞阀额定工作压力一般多为35 MPa或70 MPa，为计算油缸的最大推力仅需要计算测试压力在70 MPa下的推力即可，另外根据压力容器在压力上升到稳压阶段会有一个容变过程，因此为满足70 MPa的稳定压力根据现场经验稳压前压力一般要升高到72 MPa左右，因此计算压力选择72 MPa，计算压力确定完成下一步计算出被测旋塞阀的中心液腔的最大面积A即可,根据文献[2]可知上述常用螺纹中6 5/8REG锥孔面积最大，经计算A=18 617 mm2。将以上数据带入公式(1)计算可知，F=1 340.4 kN。根据公式(2)计算液压缸的出力Ft，为保证内压不外泄，密封安全可靠，本装置经现场试验n≥1.3时可满足要求，将数据代入公式(2)可计算Ft=1 742.5 kN。目前较常用的油缸参数本装置最终选择额定压力70 MPa，最大推力为1 960 kN的液压油缸，油缸缸筒外径为247 mm，缸筒与前板采用螺纹连接螺纹长度54 mm。液压缸的出力：

Ft=F*n

(2)

式中：n为安全因数。

2.2 液压站参数选择

液压站为油缸提供液压动力，因此其参数需要与油缸工作参数相匹配，根据2.1分析结果本装置选用最高压力为70 MPa的液压站。

2.3 主要零件强度计算

试验架主要结构见图3，主要由后板、4根立柱、4根联杆、前板、推拉缸组成，当推拉缸通过动密封套对被测旋塞阀施压时推力通过旋塞阀传递到静密封套进而作用到整个试验架上，其中联杆受到拉力，立柱受到前、后板的压力及联杆的拉力。联杆起到对立柱及前后板的限位作用，因此联杆的设计是试验架设计的关键，因此本部分主要对联杆零件进行设计分析，经分析联杆受到轴向拉力，根据公式(3)对联杆进行强度分析可知，联杆正应力大小与联杆面积及受力相关，根据2.1分析可知油缸最大推力1 960 kN，故仅需要确定[σ]的数值即可求得A值进而计算出联杆直径。为便于加工，初选比较常用的45、40Cr及42CrMo钢作为预选材料。根据文献[3]文献[4]可知上述材料的性能指标见表1所列。

图3 试验架结构

表1 材料性能 /MPa

将上述材料的性能指标结合公式(4)可以计算出材料需用应力[σ]，将[σ]带入公式(3)为选择不同材料时联杆的初选A值。参照轴类零件许用安全系数的取用原则，本装置按n=1.5计算。轴向受拉直杆强度计算：

(3)

式中：[σ]为许用应力，MPa；FN为正应力，kN；A为受力面积，mm2。

许用应力计算：

(4)

式中：Relb为材料下屈服极限，MPa；n为安全因数。

经计算[σ]45=237，[σ]40Cr=523，[σ]42CrMo=620。根据计算的许用应力数值结合公式(3)算得A45≥8270，A40Cr≥3747，A42CrMo≥3161。为便于加工制造联杆按圆截面设计，再根据直径与面积关系公式求得不同材料制造的单根联杆轴径D分别为，D45≥52 mm，D40Cr≥35 mm，D42CrMo≥32 mm。综合考虑成本及尺寸原因，本设备选取材料为40Cr材料制造，两端采用米制螺纹限位固定，热处理工艺选择淬火后高温回火处理。根据文献[5]中选择M42粗牙螺纹，联杆最小径按42 mm选取，最大径按48 mm选取。

2.4 前板、后板及立柱的设计思路

根据联杆螺纹尺寸可确定联杆螺母及螺母垫尺寸，通过螺母垫尺寸可以初步确定立柱与螺母接触面尺寸进一步通过强度分析最终可完成对立柱的尺寸设计；另根据2.1油缸的基本尺寸并结合常用旋塞阀尺寸即可初步确定前板及后板的基本尺寸，经分析即可完成对前板及后板的设计，最终完成对整个试验架的设计。

2.5 水压站参数选择

根据2.1节分析可知，旋塞阀试压分为低压及额定压力测试，因此水压站的工作参数按低压2.1 MPa，高压72 MPa要求选择相关元器件。总体结构按分档增压设计，前级选择最高工作压力为10 MPa的大流量柱塞泵，二级增压选择增压能力为75 MPa的液动增压泵。

2.6 水压辅件的选择

根据旋塞阀的试压测试特点，压力截止阀选择两级截止，管线前一级采用高压截止阀，后一级采用低压截止阀截至；根据压力变送器的量程与精度之间的关系，管线压力变送器采用高低压分级检测的方式，高压检测使用高压压力变送器检测，低压检测使用低压压力变送器检测。低压压力变送器选择0～5 MPa量程，高压选择0～100 MPa量程。

3 设计创新及运行效果

与传统的旋塞阀静水压测试装置相比较，本装置在以下两个方面进行了创新设计。首先，将液压缸引入机构中，利用液压缸缸杆的推力对旋塞阀实现压紧密封来提高工作效率，降低螺纹损坏风险；其次，水压站采用柱塞泵与液动增压器配合工作的两级增压方案。前级增压利用柱塞泵的大流量特性可以对被测阀体内部空腔迅速注水，提高注水效率。后级增压选用的液动增压器与常规采用的气动增压器比较具有体积小巧工作稳定的特点。本装置投入使用后，经工厂现场应用与常规装置对比发现。首先，在装卡及拆卸时间上，较常规试压装置分别缩短了约为30%左右；其次，与传统试压装置需要两人配合工作比较，本装置仅需一人操作即可完成整个试压流程；第三，经对多组旋塞阀测试，对螺纹部位进行检查发现，该装置不会对旋塞阀两端螺纹产生异常磨损或损坏；另外在工作特性方面与常规装置同样具有升压迅速、密封可靠及运行稳定的特点。符合最初设计预期同时能够满足现场使用。

4 结 语

对旋塞阀静水压快速试压装置的设计及分析进行了较为详细的介绍，经现场实际测试该装置基本功能满足旋塞阀水压测试要求，同时能够提高装卡及拆卸效率达到了最初的设计要求。此次装置的设计不仅对旋塞阀产品的静水压快速测试有着一定的借鉴意义，同时也希望给能源行业由劳动密集型行业向机械化自动化方向发展提供一定的借鉴。