螺栓損傷對環形防噴器密封的影響及維修建議

李中華，嚴金林，孫娟，曾喬，萬春燕，楊超

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

重慶開縣“12·23”的特大型井噴事故，促使人們提高了對井控工作安全重要性的認識，對井控裝備的管理要求也日趨嚴格。隨著油氣行業對安全工作和井控裝備管理力度的逐年加強，井控裝備已經成為作業隊施工的必備器材。王海濤[1]針對目前防噴器檢修流程及存在的問題提出了改進措施。郭強[2]在防噴器檢修過程中存在的損壞形式、執行標準及影響檢修的因素進行了分析，提出了改進措施。袁建華[3]針對防噴器殼體裂紋缺陷進行了安全評估研究，針對防噴器裂紋特性建立了防噴器裂紋事故樹，利用軟件對其進行重要度分析，確定了各基本事件的危險程度，為防噴器殼體的安全評價提供了理論支撐。隋旭東[4]通過現場調查確定了環形防噴器發生失效的主要形式，確定了頂事件，編制了故障樹，對環形防噴器進行了定性定量分析。史輝[5]對井控防噴器檢測存在的問題提出了應對維護措施。舒鵬[6]提出按照防噴器年限進行判廢是不合理的，防噴器判廢準則需結合防噴器的機構和生產程序及國外防噴器管理方法，應建立在防噴器的全面檢測上。上述文獻主要進行了理論探討，為了確保井控裝備的安全可靠性，SY/T 6160-2014《防噴器檢查和維修》[7]中不僅規定了防噴器的檢修維護內容，也明確了防噴器關鍵指標的判廢規則，對殼體密封、通徑磨損、螺栓損傷等方面提出了防噴器判廢相關指標，其中對環形防噴器螺栓損傷的判廢規則如下：對環形防噴器，連接頂蓋與殼體的螺紋孔，有兩個或兩個以上嚴重損傷，且無法修復，將對防噴器進行判廢。目前這一判廢指標主要來自于工程經驗，關于具體數值的計算還未見研究。本文將使用有限元仿真對環形防噴器頂蓋與殼體之間螺栓損傷開展分析，研究螺栓損傷數量對防噴器密封性能的影響。

1 環形防噴器

環形防噴器作為井控裝備的關鍵組成部分，其主要功能是鉆井、試油、修井等作業過程中控制井口壓力，有效地預防井噴事故發生。環形防噴器通常與閘板防噴器配套使用，按照膠芯的不同，環形防噴器一般分為以下3種：錐形膠芯環形防噴器、球型膠芯環形防噴器、組合膠芯環形防噴器[4]。常規作業中球型膠芯環形防噴器應用廣泛，球形膠芯環形防噴器關鍵部件包含殼體、頂蓋、活塞、膠芯等。頂蓋與殼體之間通常采用螺栓緊固連接，膠芯呈半球型，多個鑄鋼支撐筋沿其徑向均勻分布，頂蓋內腔為半球面造型，活塞的半剖面形狀呈“Z”字形。球型膠芯環形防噴器結構組成如圖1所示。

圖1 球型環形防噴器零部件組成

2 模型簡化

球型環形防噴器關鍵部件頂蓋與殼體通過螺栓連接，在螺栓預緊力作用下，頂蓋與殼體端面將壓緊，從而保證了防塵圈與殼體外部密封。本文以某35-70球型環形防噴器為分析對象，研究頂蓋與殼體之間連接螺栓損傷對環形防噴器密封性能的影響。因本研究只關心螺栓損傷對頂蓋與殼體之間的密封狀態的影響，因而不考慮環形防噴器膠芯，只考慮頂蓋、殼體、活塞等關鍵部件，其幾何結構模型如圖2所示。環形防噴器的主要技術參數如表1所示。

圖2 35-70環形防噴器

表1 環形防噴器主要技術參數

3 有限元分析

有限元素方法的核心思想是結構離散化，即對連續物體采用離散化處理，通過簡單幾何網格單元來近似逼近連續物體的形狀，根據物理方程及邊界條件綜合求解，對連續體模型進行網格劃分時，不僅要考慮對物體幾何形狀的準確描述，也要考慮變形梯度對物體的影響。防噴器的細節特征如圓孔、倒角等將影響模型網格質量，在不影響模型整體受力情況下將環形防噴器各部件導入有限元分析軟件中，忽略頂蓋、殼體、活塞等零件的細節特征（如圓孔、倒角等），其模型如圖3所示。

圖3 頂蓋與殼體簡化模型

常用環形防噴器頂蓋、殼體、防塵圈、活塞材料為30CrMoA，材料的力學性能如表2所示。

表2 環形防噴器關鍵部件材料力學性能參數

對環形防噴器進行網格劃分，殼體、活塞、防塵圈是環形體，采用高質量六面體網格進行劃分，因殼體屬于復雜拓撲模型，無法完全采用六面體網格進行劃分，對齊采用六面體與四面體網格混合進行劃分，環形防噴器共有123 815個六面體網格、5809 個四面體網格、159 297個節點。環形防噴器網格劃分示意如圖4所示。

圖4 環形防噴器法蘭網格劃分

環形防噴器在實際工作中，首先需將頂蓋與殼體之間螺栓進行預緊，使殼體和頂蓋之間接觸壓緊，然后進行防噴器加壓。連接螺栓規格為1-7/8 in，根據API 6A-21[8]標準附錄H，屈服強度為550 MPa的螺栓預緊力為428 kN。因環形防噴器螺栓多，且每個螺栓與環形防噴器頂蓋和殼體存在接觸，若將螺栓全部考慮為實體，會使本分析計算復雜，加大計算機計算工程量，因本計算中不關心螺栓具體變形，Abaqus中連接器（connector）是用于連接模型裝配件中的兩個點，建立它們之間的運動約束關系，其中translator可用來模擬螺栓的預緊效果，因此采用連接器（connector）中translator 來模擬螺栓的預緊力及變形，在建好的連接器中施加螺栓預緊力，圖5為環形防噴器采用連接器進行加載示意圖。

圖5 防噴器螺栓預緊力加載示意圖

殼體法蘭下表面與頂蓋上表面均通過螺栓連接在其他井控部件上，保持環形防噴器的固定，因此將殼體法蘭下表面和頂蓋法蘭上表面設為固定約束。環形防噴器在工作時，內部將承受井內工作壓力，本計算中頂蓋、殼體、防塵圈承受35 MPa工作壓力，環形防噴器位移及載荷加載示意圖如圖6所示。

圖6 防噴器位移及載荷加載示意圖

4 螺栓損傷數量研究

環形防噴器頂蓋與殼體共有24個連接螺栓，為便于研究環形防噴器螺栓損傷對殼體和頂蓋之間密封的影響，對螺栓逆時針進行編號（如圖7）。本文將研究無螺栓損傷、1個螺栓損傷（1#螺栓）、相鄰兩個螺栓損傷（1#螺栓和2#螺栓）、間隔兩個螺栓損傷（1螺栓#和3#螺栓）情況下對頂蓋與殼體之間密封性能的影響。

圖7 螺栓編號

5 結果分析

對上述4種螺栓損傷工況進行有限元分析，圖8～圖11分別為無螺栓損傷、1個螺栓損傷（1#螺栓損傷）、相鄰2個螺栓損傷（1#和2#兩個螺栓）情況下35-70環形防噴器的應力及位移云圖，4種工況下環形防噴器的最大應力和最大變形數值相差不大，從應力和位移云圖無法直接判斷螺栓損傷數量對環形防噴器頂蓋與殼體之間密封性能的影響。需通過對頂蓋與殼體之間的接觸應力及頂蓋環形路徑上的節點位移進行研究分析來判定其密封性能。

圖8 無螺栓損傷時環形防噴器應力及位移云圖

圖11 相鄰2個螺栓損傷時環形防噴器應力及位移云圖

為研究在不同螺栓損傷數量下頂蓋與殼體之間密封性能，需研究頂蓋與殼體之間的接觸應力和位移，選取頂蓋下方點與殼體接觸應力和頂蓋最下方點為研究對象，其中頂蓋環形路徑如圖12所示。

圖12 環形防噴器路徑

提取不同工況下頂蓋環形路徑下其節點的接觸應力，頂蓋路徑上的節點接觸應力隨螺栓損傷數量變化（如圖13），以無螺栓損傷工況下頂蓋節點接觸應力為參考，可以看到當1個螺栓、間隔2個螺栓、相鄰2個螺栓損傷時，頂蓋與殼體在路徑上接觸應力比無螺栓損傷時小，其中相鄰2個螺栓損傷對頂蓋密封節點上的接觸應力影響區域最大，在螺栓損傷處其節點接觸應力降為零。當1個螺栓損傷時，頂蓋與殼體在路徑上接觸應力比無螺栓損傷時接觸應力有所減小，但接觸應力不為零，說明1個螺栓損傷時頂蓋和殼體之間在螺栓損傷區域二者之間壓緊程度有所降低，但仍存在一定程度壓緊，此時不影響防噴器的密封性能。當間隔2個螺栓損傷時，壓緊程度比1個螺栓損傷程度時的壓緊低，仍有一定壓緊，當有2個相鄰螺栓損傷時，螺栓損傷區域處的接觸應力為零，意味著頂蓋和殼體之間不存在接觸情況，兩者存在間隙，說明在螺栓損傷處頂蓋與殼體無法壓緊，將影響防噴器的密封性能。

圖9 1個螺栓損傷時環形防噴器應力及位移云圖

圖10 間隔2個螺栓損傷時環形防噴器應力及位移云圖

提取不同工況下頂蓋環形路徑下其節點的法 向 位移，頂蓋密封圈路徑上的節點法向位移隨螺栓損傷數量變化如圖14所示，以無螺栓損傷工況的頂蓋的節點位移為參考，1個螺栓及間隔2個螺栓損傷時，頂蓋環形路徑下的節點位移在螺栓損傷處的變形相對無螺栓損傷時變形有所減小，相鄰2個螺栓損傷對頂蓋密封節點上的變形影響區域最大，同時螺栓損傷處節點位移大幅減少，結合圖13的節點接觸應力分布情況，進一步說明頂蓋與殼體兩者存在間隙，說明螺栓損傷處頂蓋與殼體無法壓緊，將影響防噴器的密封性能。

圖13 頂蓋密封路徑上接觸應力隨螺栓損傷情況變化圖

圖14 頂蓋密封路徑上位移隨螺栓損傷情況變化圖

6 結論

本文研究了環形防噴器在不同螺栓損傷數量對頂蓋與殼體之間的密封性能的影響，以無螺栓損傷工況下環形防噴器頂蓋路徑上的節點接觸力及位移為參考，可以看到：

1）當環形防噴器頂蓋與殼體連接螺栓損傷數量為1個時，在螺栓損傷處接觸應力較無螺栓損傷時應力及位移變形有所降低，未損傷螺栓處其節點接觸應力和位移變形幾乎無變化，此時仍可進行有效密封；

2）當間隔2 個螺栓損傷時，頂蓋與殼體之間節點接觸應力和變形位移相對螺栓損傷時變形有所降低，同時也比1個螺栓損傷工況時的接觸應力和位移變形小，但二者之間接觸應力未降至零，說明頂蓋與殼體之間依然存在一定密封效果；

3）當相鄰2個螺栓同時損傷時，在螺栓損傷處區域頂蓋與殼體之間的接觸應力為零，螺栓損傷處的位移變形也大幅下降，意味在螺栓損傷區域頂蓋與殼體無法壓緊，頂蓋與殼體在螺栓損傷區域存在間隙，將影響防噴器性能。

綜上所述，從本研究可以看到，間隔2個螺栓損傷時頂蓋與殼體之間仍存在密封能力，文獻[7]中提出“有2個或2個以上嚴重損傷，且無法修復將對防噴器進行判廢”，該判廢標準過于保守，建議更改為“2個且2個螺栓為相鄰螺栓嚴重損傷且無法修復時建議對防噴器進行判廢”。