環形防噴器球形膠芯失效形式及膠芯壽命分析

環形防噴器球形膠芯失效形式及膠芯壽命分析

李震

(中海油能源發展裝備技術有限公司 機械設備技術服務中心, 天津 300452)

摘要：根據球形防噴器的工作原理，分析膠芯在幾種典型工況下的受力與變形規律。結合現場使用情況，總結出膠芯的主要失效形式。認為為了提高球形防噴器膠芯的密封可靠性和性能，應主要從膠芯材料和結構兩方面入手，一是改進橡膠配方和提高橡膠硬度，二是優化骨架結構。

關鍵詞：環形防噴器； 球形膠芯； 失效分析；使用壽命

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.015

中圖分類號：U664.5；P754

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0052-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一李震(1986-)，男，學士，工程師

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:井口裝置、井控設備設計、管理

E-mail:lizhen10@cnooc.com.cn

環形防噴器，也稱萬能防噴器，是井控裝置的重要組成部分，主要用于鉆井、修井、試油等作業中控制井口壓力，防止井噴事故的發生[1]。球形防噴器膠芯是鉆修井作業安全施工的重要保障，膠芯一旦密封失效，將可能導致嚴重的安全事故[2]。膠芯失效原因和失效機制是十分復雜的綜合性問題，涉及到支撐筋和膠芯外部結構、形狀、尺寸，橡膠材料特性及配方，防噴器的工況條件等諸多原因，對環形防噴器膠芯進行系統完整的失效分析難度很大。雖然膠芯屬于“易損件”，但是膠芯的可靠性直接影響鉆修井作業的成本和井控風險。因此，以歇福爾(Shaffer) 公司所開發的環形防噴器球形膠芯作為研究對象，對膠芯的失效形式及機制進行分析，以期提高膠芯使用性能及壽命、增加鉆修井作業施工的安全性和降低設備維修費用。

1環形防噴器的工作原理

環形防噴器由頂蓋、膠芯、檔泥環、活塞、耐磨圈、殼體和螺栓組等主要零件所組成[1]，見圖1。它的主要功能是：①當井內有鉆具時，能封閉不同尺寸的環形空間；②當井內無鉆具時，能全封閉井口；③在進行鉆進、取心、測井作業時，若發生井噴，能封閉方鉆桿、取心工具、電纜、鋼絲繩等與井筒形成的環形空間；④在減壓調壓閥及緩沖儲能器的配合下，能通過18°無細扣對焊鉆桿，進行強行起下鉆作業。

圖1　環形防噴器結構

球形防噴器的工作原理: 關井動作時，下油腔( 關閉油腔) 里的液壓油推動活塞迅速向上移動，當膠芯中弓形支撐筋沿著頂蓋球形內表面自下而上滑移時，支撐筋之間的膠料被迫自外緣向中心擠壓、收攏、變形，從而實現封井。開井動作時，上油腔( 開啟油腔) 里的液壓油推動活塞向下移動，膠芯所受擠壓力消失，膠芯在自身橡膠的彈性作用下恢復原狀，井口打開。

球形膠芯由弓形支撐筋與橡膠硫化而成[3]；支撐筋一般有14 個左右，見圖2。

圖2　球形膠芯

膠芯的儲膠量很多，在強行起下鉆被磨損之后，仍有較多的儲備橡膠可陸續擠出補充。膠芯在關井動作時，膠芯沿球形頂蓋的內腔自下而上，從外緣向中心移動，膠芯的上部橡膠向鉆桿的對稱軸線中心方向收縮集聚，壓縮變形量較大; 膠芯的中部橡膠也向中心線方向收縮集聚，但壓縮變形量較少; 膠芯的橡膠越靠近下部，向中心線方向的收縮變形量越小。當超過膠芯球面球心點以下時，甚至出現反方向運動，即背離中心線方向運動。其結果表現為球形膠芯中下部橡膠會圍繞鉆具形成一個倒置的“漏斗”，這一現象就是通常所說的“漏斗效應”[4]。當強行起下鉆作業時，膠芯中心部位的漏斗形狀便于鉆桿接頭通過，膠芯所受到的磨損也較少，膠芯的受力狀態有所改善。

2球形膠芯失效形式及原因

2.1球形膠芯力學模型分析

環形防噴器球形膠芯的受力狀態與鉆修井作業的工藝緊密相關[5]。通常有4 種典型的受力狀態: 帶鉆具封井作業； 帶鉆具封井后強行下鉆作業；帶鉆具封井后強行起鉆作業；不帶鉆具封井(即封零) 作業。

1)帶鉆具封井作業力學模型。膠芯底部受到活塞向上的平移驅動力; 頂蓋內球面施加給膠芯一個指向球面中心方向的壓力及沿球面切線向下方向的摩擦力; 當膠芯與鉆具接觸時，膠芯內表面產生接觸壓力; 作用于膠芯“漏斗面”上和活塞上部的環槽里井底的高壓流體壓力，起到了助封作用或自密封作用。在上述力的作用下，膠芯內表面會出現花邊狀收縮變形，花邊的凸出部分受拉伸應力作用，花邊的凹陷部分受壓縮應力作用。膠芯上表面會呈現鼓出形狀，離支撐筋越遠鼓出變形越大，即拉伸應力越大。此外，膠芯與支撐筋接觸的部位與活塞環發生接觸，由于材料性質突變，會產生應力集中和較大剪切應力。

2)帶鉆具封井后強行下鉆作業力學模型。在第一個力學模型基礎上，鉆具強行下鉆時，在膠芯內表面增加了一個向下的摩擦力。在該作業狀態下，膠芯除了第一個力學模型所描述的應力狀態外，當摩擦力較大時，膠芯還會出現較大剪切應力作用或摩擦磨損現象。

3)帶鉆具封井后強行起鉆作業力學模型。該力學模型是在第一個力學模型基礎上，鉆具強行起鉆時，在膠芯內表面增加了一個向上的摩擦力。在該狀態下，膠芯除了第一個力學模型所描述的應力狀態外，當摩擦力較大時，膠芯上還會出現較大剪切應力作用或摩擦磨損現象。如果多次起下鉆作業，膠芯還會出現疲勞交變應力作用。

4)不帶鉆具封井作業力學模型。該力學模型稱為膠芯的封零力學模型，是膠芯受力和變形最惡劣的工況。其一，膠芯底部受到活塞向上的平移驅動力；其二，膠芯受到頂蓋內球面約束，施加給膠芯一個指向球面中心方向的壓力，同時施加一個沿球面切線向下方向的摩擦阻力；其三，當膠芯向中心收縮變形時，如果膠芯變形量和自接觸壓力足夠大時，膠芯內表面會發生自接觸;其四，井底高壓流體的壓力作用于膠芯“漏斗面”上和活塞上部的環槽里，起到了助封作用或自密封作用。在上述力的作用下，因需要完全封住整個井口，膠芯變形量必須非常大，膠芯內表面花邊的部分所受應力將非常復雜，變形也非常大。膠芯上表面的鼓出變形和拉伸應力都會很大。此外，膠芯與支撐筋的接觸部位以及膠芯與活塞環接觸部位，由于材料性質的突變，在接觸部位會發生材料特性突變，從而產生很高的應力集中。

2.2膠芯上表面開裂和層塊狀脫落

膠芯在關井動作時，膠芯沿頂蓋內表面自下而上、從外緣向中心收縮移動時，膠芯的上部橡膠壓縮變形量最大，導致膠芯上表面橡膠像氣球一樣地鼓出，由于受支撐筋的影響，在膠芯上表面和圓柱內表面交界處的拉伸應力最大，當拉伸應力超過膠芯材料極限時，膠芯上表面會產生徑向裂紋和周向裂紋，見圖3、4。

圖3　球形膠芯上表面破裂

圖4　球形膠芯上表面破裂和層塊脫落

當2 種裂紋貫通時，就會導致膠芯上表面層塊狀脫落，如圖4 所示; 當膠芯經過多次開井和關井動作時，膠芯上表面會疲勞開裂和層塊狀脫落，是球形膠芯主要失效形式之一。

2.3膠芯內壁大塊脫膠

當膠芯處于封井狀態，鉆具多次強行起、下鉆時，膠芯不同的圓柱剖面上受到交變的剪切應力作用，越靠近內壁剪切應力越大。由于橡膠疲勞剪切強度只有其靜剪切強度的20%～30%，所以多次強行起下鉆很容易導致靠近內壁的橡膠疲勞剪切失效，出現膠芯內壁大塊脫膠現象，見圖5 。

圖5　球形膠芯通徑內壁大塊橡膠脫落

膠芯老化、彈性太低等材質問題有時也會導致出現內壁大塊脫膠和頂部大塊脫膠現象。

2.4膠芯底部與活塞接觸處的橡膠開裂

由于膠芯底部與活塞接觸處材料性能的突變，導致膠芯中有明顯的應力集中，當應力超過橡膠材料的極限應力時就會出現膠芯開裂。在多次開啟的交變應力作用下，膠芯在該處容易出現疲勞開裂現象。見圖6。

圖6　球形膠芯底部與活塞接觸處橡膠的開裂

2.5膠芯不能密封住井底高壓流體

膠芯儲膠量不足，或膠芯與頂蓋內球面摩擦力太大導致膠芯鎖死無法向上移動，或膠芯內壁劃傷嚴重，或鉆具偏心太嚴重等原因均可造成膠芯密封失效。膠芯密封失效是一種功能性失效，必須在設計階段予以足夠的重視，在操作使用階段，應該盡量避免鉆具表面損傷和毛刺，避免鉆具偏心太嚴重。

2.6封井后膠芯不能及時恢復

因橡膠材料永久變形太大、或彈性滯后太嚴重(即回彈性太低) ，導致膠芯不能及時恢復造成功能性失效。

2.7其他失效

支撐筋疲勞斷裂，主要是由于鐵芯結構尺寸不合理造成的； 橡膠高溫老化、黏流化和碳化； 橡膠低溫玻璃化或脆化； 井底流體作用導致橡膠力學性能降低及改變也會導致膠芯密封失效。

3提高球形膠芯使用壽命的措施

從結構上來說，應優化膠芯和支撐筋的結構形狀和尺寸，降低膠芯中的峰值應力；從材料上來說，應改進膠芯橡膠材料配方和硫化工藝，提高橡膠的抗拉性能、扯斷永久伸長率、耐油性能、抗老化性能等；從工作的環境和條件來看，應該盡量減少施工過程中對鉆柱表面的損傷，適當降低膠芯和鉆柱之間的摩擦因數。

3.1提高橡膠的定伸應力與硬度

定伸應力與硬度是橡膠材料的剛度重要指標，是硫化膠產生一定形變所需要的力，與拉伸形變有著密切的關系，兩者相關性較好，變化規律基本一致。由于交聯密度在一定程度上受到定伸應力的影響，純膠或者補強硫化膠的定伸應力及強度均會在交聯密度提高條件下隨之提高，因此可以對硫化劑、助硫化劑、促進劑、活性劑等品種進行調節以達到提高交聯密度，從而提高膠體的定伸應力及硬度。另外還可以選擇含硫的促進方式來增加定伸應力，多硫鍵能夠有效提高定伸應力值，填充劑也對膠體的定伸應力及硬度的提高有一定的作用。膠體的彈性也與交聯密度有直接關系，會隨交聯密度的不斷提高而提高，但達到一定得峰值后，會隨著交聯密度的繼續提高而降低。因此在通過提高硫化程度的方式提高膠體彈性時，需要使其保持在一定的范圍內。

3.2改善支撐筋結構

骨架是球形膠心的重要支承件,其結構直接決定球形膠心承載能力和封井性能。現場使用與試驗情況表明,在工作載荷較大和開關循環次數較多時,骨架上板塊就會出現疲勞裂紋外表面,致使上板塊疲勞折斷。若尖峰載荷過大,上板塊則可能發生多沖破斷。這是由于在封井終結狀態 時骨架上板塊上部懸空,似懸臂梁,因而在工作載荷作用下,上板塊發生彎曲變形,并在接觸區域產生較大應力所致。為了合理確定骨架結構,特別對骨架應力分布規律進行變形前后研究，見圖7。

圖7　球形膠芯骨架離散結構圖

圖7表明了骨架強度薄弱部位,骨架離散結構圖為骨架結構優化提供了依據。

提升上板塊的強度并擴大膠體和支撐筋的貼合面積能夠使膠芯在受力的條件下易于向中心靠攏，通過改善支撐筋結構的方式提升粘結強度。

3.3正確使用環形防噴器

1)在進行環形防噴器現場安裝之后，應根據相應的規范及標準，在現場進行壓力測試。將其置入預定層后，根據操作規范及流程，定期對防噴器進行開關試驗，保證其處于良好的工作狀態，如果膠芯出現所有支撐筋完全合攏或者出現其他異常情況，需要及時處理，或直接更換膠芯。

2)在鉆修井作業過程中如果井內有鉆具并出現井涌甚至井噴情況時應先使用環形防噴器將井口控制住。由于環形防噴器沒有鎖緊裝置，容易使膠芯受到較大的損壞，因此封井時間不宜過長。

3)如果沒有異常情況，一般不對空井進行封閉處理，需要封閉空井時，壓力應保持在額定工作壓力的50%左右，需要釋放并降低井內壓力時，按照相應操作流程進行，不可以直接打開環形防噴器。

4)環形防噴器在對管柱進行封閉時，其控制壓力的峰值為10.5 MPa,封零時，控制壓力的峰值應為19.0 MPa,在進行壓力測試時，壓力設定相對較低，保障膠芯的使用壽命，如果出現支撐筋合攏現象，應及時更換膠芯。

5)在環形防噴器關閉的情況下，鉆具管柱的活動應保持水平方向，禁止進行旋轉活動；打開防噴器后，需對膠芯進行檢查，保證其處于全開的狀態，避免掛壞膠芯。

6)防噴器的開關應使用配套的液壓油，并保持液壓油的清潔。

3.4優化環形防噴器球形膠芯的儲存環境

環形防噴器球形膠芯的儲存需要良好、適宜的環境，要保證其處于良好的狀態。儲存的環境應在干燥的室內，光線保持在較低的程度，室內溫度應處于20 ℃左右，相對濕度小于75%。某些設備或條件會對其造成一定的影響，如靠近取暖設備、處于高壓帶電設備周圍、受到陽光直射、接觸有腐蝕性的溶液等，都會加速膠芯的老化。在放置膠芯時，應保持松弛狀態，避免其扭曲、擠壓、或者處于懸掛狀態。在存放的過程中，應加強管理，定期檢查。如果膠芯出現彎、裂縫、硬化、脆化、裂紋等現象則膠芯無法正常使用。在對膠芯進行硬度測試時，正常情況下其邵氏硬度應保持在62～68 HD之間，若硬度大于68 HD，說明橡膠的回彈性不足；若硬度小于62 HD，說明所受的外力不足。膠芯在出廠后，在滿足各種存放條件下，最長的存儲期為一年，逾期應按過期橡膠件處理。

參考文獻

[1] 蘇尚文,許宏奇.我國防噴器技術進展及發展方向[J].石油機械,2001,29(S):101-103,107.

[2] 孫祖臣,魏明揚170 MPa液壓防噴器膠芯的研究[J].石油機械,1995,23(2):9-14.

[3] 王志遠，趙勝英，趙利，等.防噴器領域的最新進展[J].石油機械，2005，33(3):71-72.

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[5] 林軍．球形防噴器膠芯失效的形式及原因[J]．石油機械，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