鉆井泵安全閥的應用現狀及分析

史衛波，曹會寧, 白麗, 劉均讓, 侯和杰，劉軍

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

鉆井泵安全閥是保障鉆井泵安全工作的重要部件，當鉆井泵系統壓力超過設定的放噴壓力值時，安全閥自動打開，將系統中的一部分氣體、流體排出管道，保證系統不因壓力過高而發生事故[1]。因此，安全閥的靈敏度和可靠性就顯得格外重要，不僅需要對安全閥的主要承壓件、受力件進行分析和計算，也需要大量的試驗驗證，確保其工作的準確性、可靠性、安全性。

目前油田現場鉆井泵采用的安全閥基本有兩類，即剪銷式和彈簧式安全閥[2]。針對不同的連接形式，安全閥主要有法蘭連接和由壬連接等兩種連接形式。

海洋鉆井平臺鉆井泵組配套的安全閥大部分是進口的彈簧復位式安全閥，主要是美國的NOV(National Oilwell Varco) 公司生產的Titan Class Type B和Titan Class Type C型彈簧復位式安全閥及OTECO等公司生產的安全閥，價格昂貴，維修成本高。陸地鉆機的鉆井泵配套的安全閥大部分選用剪銷式安全閥，主要由寶雞石油機械有限責任公司生產，型號主要有JA-3、JA-3H、JA-3×35和JA-3×52剪銷安全閥，價格低廉，維修成本低。

1 剪銷式安全閥

剪銷式安全閥的工作原理：鉆井泵工作時，排出的泥漿壓力通過轉換法蘭1作用在活塞桿3下部，使活塞桿向上移動，而剪銷板4通過剪切銷6被固定在閥體2上，限制了活塞桿的移動，當排出壓力大于剪切銷6所插入孔對應的壓力值時，剪切銷6被剪斷，剪銷板4繞著回轉銷軸5旋轉，活塞桿向上移動，安全閥被打開，泥漿通過排出法蘭8及泄放管排出至泥漿罐（池）中。

剪切銷插入不同的孔，對應不同的泄放壓力值，使用時，可根據工況決定插入剪切銷。但是設定的壓力泄放值不能大于鉆井泵配套缸套的額定壓力。

需要復位時，將活塞桿向下推，直至活塞與內套完全接觸，將剪銷板復位，插入剪切銷，將安全護罩蓋上。

此安全閥結構簡單，使用方便，可反復使用，且性能穩定。但是，需要消耗剪切銷，安全閥的控制壓力主要取決于剪切銷的剪切強度[3]和閥體孔位的加工精度，放噴壓力設定值受到閥體剪切銷孔位數量的限制。如果生產和制造過程中，剪銷板和閥體的孔的位置度有偏差，或者活塞出現問題，都有可能導致剪銷安全閥在壓力達到設定值時，無法動作。另外，安全閥在設置時，需要操作人員爬上鉆井泵進行本地設置，每次剪斷剪切銷后，泥漿泄壓后產生巨大的沖擊力，對安全閥內的剪銷板、活塞產生一定的磨損，插入剪切銷后，必須蓋好安全罩，防止被剪斷的剪切銷飛出傷人。剪切銷為一次性使用零件，剪斷后必須更換，每次復位活塞桿時需檢查活塞膠皮是否完好。由此可見，剪銷安全閥在操作性、維護性、可靠性和安全性方面都有一定的不足。

2 彈簧復位式安全閥

圖1 剪銷式安全閥

彈簧復位式安全閥的工作原理：鉆井泵工作時，排出的高壓泥漿作用在活塞桿2上，活塞桿2通過曲柄連桿機構5和勺形杠桿機構6與壓縮彈簧10連接，當傳遞給壓縮彈簧10的力大于彈簧的預緊力時，彈簧被壓縮，曲柄連桿機構的死點位置被破壞，活塞桿向上移動，泥漿通過活塞桿上的排泄孔排出至泄放管匯中，直至泥漿罐（池）中。

通過旋轉閥體上的螺母8，可調整彈簧的壓縮量，參照刻度尺9上不同的壓力值，可設定需要的泄放壓力值。但是設定的壓力泄放值不能大于鉆井泵配套缸套的額定壓力。

需要復位時，旋轉復位手柄，將曲柄連桿機構還原至死點位置，活塞桿向下移動，流道被切斷。

彈簧復位式安全閥操作簡單，可實現無級調節[4]，自動放噴和手動放噴功能。這種安全閥的缺點是：1）結構復雜、磨損后壓力誤差大；2）活塞、活塞膠皮、活塞桿、連桿機構、勺形杠桿平衡梁、壓縮彈簧等的幾何形狀、尺寸、力學性能等要求很高，加工制造困難；3）對使用維修人員技術要求高，且配件價格較貴。

3 自動復位式安全閥

自動復位式安全閥的工作原理：在排出管匯上安裝一個自動復位式安全閥，控制系統采集壓力值，將采集到的壓力信號通過數模轉換為4～20 mA的標準信號，并將該信號發送給PLC控制器進行監控和處理。當排出壓力值小于控制系統設定的壓力值時，給安全閥控制模塊輸出正常信號，氣動執行機構不動作；當排出壓力值大于控制系統設定的壓力值時，PLC控制系統及時給HMI顯示屏發出報警信息，并給安全閥控制模塊一個打開命令，氣動執行機構動作，使安全閥打開。同時，設定一個延遲時間，當延遲時間倒計時結束后，氣動執行機構動作，使安全閥關閉。在延遲的這段時間內，操作人員可檢查是否存在故障，如有故障，可停泵檢查。

圖2 彈簧復位式安全閥

圖3 PLC邏輯控制式安全閥原理圖

氣動執行機構包含一個三位兩通防爆電磁閥、氣動三聯件、壓力表及不銹鋼材質的氣管線等。

自動復位式安全閥可實現無級調節壓力，具備報警功能，精度更高，無需人工復位，減少了操作人員的勞動強度和安全風險。與剪銷式和彈簧復位式安全閥相比，自動復位式安全閥控制系統具有更好的可操作性、免維護性、可靠性和安全性[5]。

4 優化及建議

1）鉆井泵安全閥是保障鉆井泵安全使用的重要部件，在選用和配套時，需根據鉆井泵的性能選用安全閥，且嚴格按照使用維護手冊進行使用和維護。

2）彈簧復位式安全閥結構復雜，需進一步優化彈簧復位式安全閥的結構形式，降低生產成本，加快國產化應用，同時，提升彈簧的剛度穩定性和耐腐蝕性，提高產品的質量和壽命。

3）自動復位式安全閥，降低了勞動強度，且減少人為操作的危險性。在安全閥控制箱上設置聲光報警裝置，當系統壓力超過設定值時，觸發聲光報警裝置，即使安全閥未及時打開，可提醒操作人員迅速去停泵檢查，保證系統的正常運行。

5 結論

通過對剪銷式安全閥、彈簧復位式安全閥、自動復位式安全閥的工作原理、優點和缺點進行梳理和分析，可見與剪銷安全閥相比，彈簧復位式安全閥可實現手動泄壓，操作更加簡單，同時減少了操作人員的勞動強度和安全風險。與彈簧復位式安全閥相比，自動復位式安全閥完全實現了自動化控制，避免了人為操作的安全風險。同時，彈簧復位式安全閥和自動復位式安全閥具有更寬的壓力調節范圍，操作者可根據實際工況自行設定泄壓值，具有良好的市場應用前景。另外，針對鉆井泵安全閥的使用和設計，提出了優化方向和建議，為鉆井泵安全閥的設計和應用提供了新的思路。