螺栓损伤对环形防喷器密封的影响及维修建议

李中华，严金林，孙娟，曾乔，万春燕，杨超

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西宝鸡 721002）

0 引言

重庆开县“12·23”的特大型井喷事故，促使人们提高了对井控工作安全重要性的认识，对井控装备的管理要求也日趋严格。随着油气行业对安全工作和井控装备管理力度的逐年加强，井控装备已经成为作业队施工的必备器材。王海涛[1]针对目前防喷器检修流程及存在的问题提出了改进措施。郭强[2]在防喷器检修过程中存在的损坏形式、执行标准及影响检修的因素进行了分析，提出了改进措施。袁建华[3]针对防喷器壳体裂纹缺陷进行了安全评估研究，针对防喷器裂纹特性建立了防喷器裂纹事故树，利用软件对其进行重要度分析，确定了各基本事件的危险程度，为防喷器壳体的安全评价提供了理论支撑。隋旭东[4]通过现场调查确定了环形防喷器发生失效的主要形式，确定了顶事件，编制了故障树，对环形防喷器进行了定性定量分析。史辉[5]对井控防喷器检测存在的问题提出了应对维护措施。舒鹏[6]提出按照防喷器年限进行判废是不合理的，防喷器判废准则需结合防喷器的机构和生产程序及国外防喷器管理方法，应建立在防喷器的全面检测上。上述文献主要进行了理论探讨，为了确保井控装备的安全可靠性，SY/T 6160-2014《防喷器检查和维修》[7]中不仅规定了防喷器的检修维护内容，也明确了防喷器关键指标的判废规则，对壳体密封、通径磨损、螺栓损伤等方面提出了防喷器判废相关指标，其中对环形防喷器螺栓损伤的判废规则如下：对环形防喷器，连接顶盖与壳体的螺纹孔，有两个或两个以上严重损伤，且无法修复，将对防喷器进行判废。目前这一判废指标主要来自于工程经验，关于具体数值的计算还未见研究。本文将使用有限元仿真对环形防喷器顶盖与壳体之间螺栓损伤开展分析，研究螺栓损伤数量对防喷器密封性能的影响。

1 环形防喷器

环形防喷器作为井控装备的关键组成部分，其主要功能是钻井、试油、修井等作业过程中控制井口压力，有效地预防井喷事故发生。环形防喷器通常与闸板防喷器配套使用，按照胶芯的不同，环形防喷器一般分为以下3种：锥形胶芯环形防喷器、球型胶芯环形防喷器、组合胶芯环形防喷器[4]。常规作业中球型胶芯环形防喷器应用广泛，球形胶芯环形防喷器关键部件包含壳体、顶盖、活塞、胶芯等。顶盖与壳体之间通常采用螺栓紧固连接，胶芯呈半球型，多个铸钢支撑筋沿其径向均匀分布，顶盖内腔为半球面造型，活塞的半剖面形状呈“Z”字形。球型胶芯环形防喷器结构组成如图1所示。

图1 球型环形防喷器零部件组成

2 模型简化

球型环形防喷器关键部件顶盖与壳体通过螺栓连接，在螺栓预紧力作用下，顶盖与壳体端面将压紧，从而保证了防尘圈与壳体外部密封。本文以某35-70球型环形防喷器为分析对象，研究顶盖与壳体之间连接螺栓损伤对环形防喷器密封性能的影响。因本研究只关心螺栓损伤对顶盖与壳体之间的密封状态的影响，因而不考虑环形防喷器胶芯，只考虑顶盖、壳体、活塞等关键部件，其几何结构模型如图2所示。环形防喷器的主要技术参数如表1所示。

图2 35-70环形防喷器

表1 环形防喷器主要技术参数

3 有限元分析

有限元素方法的核心思想是结构离散化，即对连续物体采用离散化处理，通过简单几何网格单元来近似逼近连续物体的形状，根据物理方程及边界条件综合求解，对连续体模型进行网格划分时，不仅要考虑对物体几何形状的准确描述，也要考虑变形梯度对物体的影响。防喷器的细节特征如圆孔、倒角等将影响模型网格质量，在不影响模型整体受力情况下将环形防喷器各部件导入有限元分析软件中，忽略顶盖、壳体、活塞等零件的细节特征（如圆孔、倒角等），其模型如图3所示。

图3 顶盖与壳体简化模型

常用环形防喷器顶盖、壳体、防尘圈、活塞材料为30CrMoA，材料的力学性能如表2所示。

表2 环形防喷器关键部件材料力学性能参数

对环形防喷器进行网格划分，壳体、活塞、防尘圈是环形体，采用高质量六面体网格进行划分，因壳体属于复杂拓扑模型，无法完全采用六面体网格进行划分，对齐采用六面体与四面体网格混合进行划分，环形防喷器共有123 815个六面体网格、5809 个四面体网格、159 297个节点。环形防喷器网格划分示意如图4所示。

图4 环形防喷器法兰网格划分

环形防喷器在实际工作中，首先需将顶盖与壳体之间螺栓进行预紧，使壳体和顶盖之间接触压紧，然后进行防喷器加压。连接螺栓规格为1-7/8 in，根据API 6A-21[8]标准附录H，屈服强度为550 MPa的螺栓预紧力为428 kN。因环形防喷器螺栓多，且每个螺栓与环形防喷器顶盖和壳体存在接触，若将螺栓全部考虑为实体，会使本分析计算复杂，加大计算机计算工程量，因本计算中不关心螺栓具体变形，Abaqus中连接器（connector）是用于连接模型装配件中的两个点，建立它们之间的运动约束关系，其中translator可用来模拟螺栓的预紧效果，因此采用连接器（connector）中translator 来模拟螺栓的预紧力及变形，在建好的连接器中施加螺栓预紧力，图5为环形防喷器采用连接器进行加载示意图。

图5 防喷器螺栓预紧力加载示意图

壳体法兰下表面与顶盖上表面均通过螺栓连接在其他井控部件上，保持环形防喷器的固定，因此将壳体法兰下表面和顶盖法兰上表面设为固定约束。环形防喷器在工作时，内部将承受井内工作压力，本计算中顶盖、壳体、防尘圈承受35 MPa工作压力，环形防喷器位移及载荷加载示意图如图6所示。

图6 防喷器位移及载荷加载示意图

4 螺栓损伤数量研究

环形防喷器顶盖与壳体共有24个连接螺栓，为便于研究环形防喷器螺栓损伤对壳体和顶盖之间密封的影响，对螺栓逆时针进行编号（如图7）。本文将研究无螺栓损伤、1个螺栓损伤（1#螺栓）、相邻两个螺栓损伤（1#螺栓和2#螺栓）、间隔两个螺栓损伤（1螺栓#和3#螺栓）情况下对顶盖与壳体之间密封性能的影响。

图7 螺栓编号

5 结果分析

对上述4种螺栓损伤工况进行有限元分析，图8～图11分别为无螺栓损伤、1个螺栓损伤（1#螺栓损伤）、相邻2个螺栓损伤（1#和2#两个螺栓）情况下35-70环形防喷器的应力及位移云图，4种工况下环形防喷器的最大应力和最大变形数值相差不大，从应力和位移云图无法直接判断螺栓损伤数量对环形防喷器顶盖与壳体之间密封性能的影响。需通过对顶盖与壳体之间的接触应力及顶盖环形路径上的节点位移进行研究分析来判定其密封性能。

图8 无螺栓损伤时环形防喷器应力及位移云图

图11 相邻2个螺栓损伤时环形防喷器应力及位移云图

为研究在不同螺栓损伤数量下顶盖与壳体之间密封性能，需研究顶盖与壳体之间的接触应力和位移，选取顶盖下方点与壳体接触应力和顶盖最下方点为研究对象，其中顶盖环形路径如图12所示。

图12 环形防喷器路径

提取不同工况下顶盖环形路径下其节点的接触应力，顶盖路径上的节点接触应力随螺栓损伤数量变化（如图13），以无螺栓损伤工况下顶盖节点接触应力为参考，可以看到当1个螺栓、间隔2个螺栓、相邻2个螺栓损伤时，顶盖与壳体在路径上接触应力比无螺栓损伤时小，其中相邻2个螺栓损伤对顶盖密封节点上的接触应力影响区域最大，在螺栓损伤处其节点接触应力降为零。当1个螺栓损伤时，顶盖与壳体在路径上接触应力比无螺栓损伤时接触应力有所减小，但接触应力不为零，说明1个螺栓损伤时顶盖和壳体之间在螺栓损伤区域二者之间压紧程度有所降低，但仍存在一定程度压紧，此时不影响防喷器的密封性能。当间隔2个螺栓损伤时，压紧程度比1个螺栓损伤程度时的压紧低，仍有一定压紧，当有2个相邻螺栓损伤时，螺栓损伤区域处的接触应力为零，意味着顶盖和壳体之间不存在接触情况，两者存在间隙，说明在螺栓损伤处顶盖与壳体无法压紧，将影响防喷器的密封性能。

图9 1个螺栓损伤时环形防喷器应力及位移云图

图10 间隔2个螺栓损伤时环形防喷器应力及位移云图

提取不同工况下顶盖环形路径下其节点的法 向 位移，顶盖密封圈路径上的节点法向位移随螺栓损伤数量变化如图14所示，以无螺栓损伤工况的顶盖的节点位移为参考，1个螺栓及间隔2个螺栓损伤时，顶盖环形路径下的节点位移在螺栓损伤处的变形相对无螺栓损伤时变形有所减小，相邻2个螺栓损伤对顶盖密封节点上的变形影响区域最大，同时螺栓损伤处节点位移大幅减少，结合图13的节点接触应力分布情况，进一步说明顶盖与壳体两者存在间隙，说明螺栓损伤处顶盖与壳体无法压紧，将影响防喷器的密封性能。

图13 顶盖密封路径上接触应力随螺栓损伤情况变化图

图14 顶盖密封路径上位移随螺栓损伤情况变化图

6 结论

本文研究了环形防喷器在不同螺栓损伤数量对顶盖与壳体之间的密封性能的影响，以无螺栓损伤工况下环形防喷器顶盖路径上的节点接触力及位移为参考，可以看到：

1）当环形防喷器顶盖与壳体连接螺栓损伤数量为1个时，在螺栓损伤处接触应力较无螺栓损伤时应力及位移变形有所降低，未损伤螺栓处其节点接触应力和位移变形几乎无变化，此时仍可进行有效密封；

2）当间隔2 个螺栓损伤时，顶盖与壳体之间节点接触应力和变形位移相对螺栓损伤时变形有所降低，同时也比1个螺栓损伤工况时的接触应力和位移变形小，但二者之间接触应力未降至零，说明顶盖与壳体之间依然存在一定密封效果；

3）当相邻2个螺栓同时损伤时，在螺栓损伤处区域顶盖与壳体之间的接触应力为零，螺栓损伤处的位移变形也大幅下降，意味在螺栓损伤区域顶盖与壳体无法压紧，顶盖与壳体在螺栓损伤区域存在间隙，将影响防喷器性能。

综上所述，从本研究可以看到，间隔2个螺栓损伤时顶盖与壳体之间仍存在密封能力，文献[7]中提出“有2个或2个以上严重损伤，且无法修复将对防喷器进行判废”，该判废标准过于保守，建议更改为“2个且2个螺栓为相邻螺栓严重损伤且无法修复时建议对防喷器进行判废”。