李慎奎，刘士岩，郝 斌，王红丽，王坤青，张 宁

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

防喷器高温高压密封试验装置研制

李慎奎，刘士岩，郝 斌，王红丽，王坤青，张 宁

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

深井通常伴随着高温、高压，为了确保钻井安全，防喷器必须具有可靠的密封性。研制了一种防喷器高温高压密封试验装置，可对防喷器进行高温、高压的密封试验。介绍了该装置的总体方案、中央控制室、热油站、安全控制系统、升压系统、加热线圈。进行了防喷器ø89～ø149 mm变径闸板、ø149 mm半封闸板的高温高压密封试验，取得了良好的效果，为防喷器在高温高压环境下工作安全性提供重要技术支撑。

防喷器；高温；高压；密封；试验

防喷器组是保证深井钻井作业安全的关键设备，其作用是控制井口压力，防止井喷、井涌，保证人员、设备安全，避免环境污染和油气资源破坏。由于深井通常伴随着高温、高压，发生井涌的风险高，工作环境十分恶劣，一旦井控失败，将产生灾难性的后果。防喷器作为钻井安全的核心部分[1-3]，必须在高温高压环境下具有可靠的密封性，需满足API 16A规定温度的最高F级别，即温度高达177.8 ℃的环境中，防喷器实现105 MPa超高压力的可靠密封[4-8]。为了确保防喷器在高温高压环境中安全、稳定的工作，研制了深井防喷器高温高压密封试验装置。

1 防喷器

深井防喷器的核心功能是在高温、高压环境下具有可靠的密封性。例如，2FZ48-105型防喷器的4处密封起作用才能有效地密封井口，即：闸板顶密封与壳体的密封；闸板前密封与管柱、壳体及前密封相互间的密封；壳体与侧门之间的密封；闸板轴与侧门间的密封。2FZ48-105型防喷器如图1所示。

图1 2FZ48-105型防喷器

闸板的密封过程分为2步：一是在液压油作用下闸板轴推动闸板前密封胶芯挤压变形密封前部，顶密封胶芯与壳体间过盈压缩密封顶部，从而形成初始密封；二是在井内有压力时，井压从闸板后部推动闸板前密封进一步挤压变形，同时井压从下部推动闸板上浮贴紧壳体上密封面，从而形成可靠的密封，亦即井压助封作用。

2 试验装置

高温高压密封试验装置主要由中央控制室、热油站、安全控制系统、升压室、试验区等部分组成。总体方案如图2所示。

图2 防喷器高温高压试验装置总体方案

工作原理：启动热油站，通过油泵将高温油，经进油管线进入加热盘管，通过盘管散热使防喷器内高压液体升温，热油经过盘管，从回油管线流回热油站，再次被加热，周而复始直至将防喷器内腔温度升至试验要求的温度，进入保温控制。关闭闸板，通过升压室的升压系统将防喷器内腔压力升至试验要求的压力，保压，进行防喷器高温高压下的胶件密封试验。

3 盘管设计计算

3.1 热平衡计算

盘管产生的热量与防喷器吸收的热量达到平衡时，可以实现一个稳定的试验温度。

由于防喷器外形结构比较复杂，为了方便计算，简化处理为圆筒型结构，设有上下端盖，如图3所示。

图3 2FZ48-105型防喷器外形及简化模型

根据防喷器内腔的安装空间及工作压力，初定盘管尺寸ø22 mm×6 mm，材料为合金钢，导热系数λ=45 W/(m2·℃)；防喷器内腔热油温度t1=177.8 ℃，外表面温度t2=100 ℃；简化模型内圆r1=0.24 m，外圆r2=0.638 m，长度L=1.88 m，厚度b=0.28 m；端盖面积S=1.28 m2。当热传导平衡时，对防喷器进行热传导分析，根据傅里叶定律，计算传递热量Q为

(1)

根据热平衡原理，对盘管进行分析。盘管释放热量与防喷器吸收热相等，将Q=74.307 kW，内圆rg1=0.005 m，外圆rg2=0.011 m，盘管内液体温度tg2=280 ℃，外壁温度tg1=240 ℃，导热系数λ=35 W/(m2·℃)代入式(2)，盘管长度为

(2)

即盘管长度在6.8 m，盘管内液体温度t2=280 ℃时，可以实现防喷器内腔试验热油温度为177.8 ℃，达到热平衡。

考虑模型简化所造成的误差，增加盘管的长度，取3倍系数，盘管长度为20.4 m。

3.2 强度校核

在280 ℃的高温，105 MPa外压环境下，盘管所处的环境极端恶劣，必须进行强度校核。

根据ASMEⅡ-D外压或压缩载荷作用下的几何尺寸线算图及外压作用下确定部件壳体厚度用线算图(如图4～5)，进行强度校核。

已知盘管长度L=20.4 m，外径D=0.022 m，厚度δ=0.006 m。

根据L/D=20.4/0.022=927≥50，查图4，取L/D=5。

由D/δ=0.022/0.006=3.66，查图4，系数A=0.6。

根据A=0.6，热油温度280 ℃，查图5，确定参数B=300 MPa。

按ASME计算最大外压许用应力为

pt=122.76MPa>105MPa,盘管强度满足设计要求。

根据图5，选取盘管的材料为20CrMo。

图4 外压或压缩载荷作用下的几何尺寸线算图

图5 SA-517所有级别建造时受外压部件确定壳体厚度用线算图

4 现场试验

4.1 变径闸板高温高压密封试验

将2FZ48-105型防喷器更换ø89～ø149 mm变径闸板，安装ø89 mm的试验棒，防喷器内腔充满试压油，热油站输出热油温度设定为280 ℃。通过盘管加热1 h后，试压油温至121 ℃，关闭闸板，完成试验准备工作。

1) 变径闸板胶件高温低压密封试验。

变径闸板胶件高温低压密封曲线如图6，初始压力为1.96 MPa，初始温度121 ℃，稳压4 min，结束压力为3.47 MPa，结束温度122 ℃，密封效果良好，符合API 16A规定的高温低压密封要求。

图6 变径闸板胶件高温低压密封曲线

2) 变径闸板胶件高温高压密封试验。

关闭闸板，升压至试验要求压力，保温、保压。变径闸板胶件高压高温密封曲线如图7，初始压力为104.74 MPa，初始温度121 ℃，稳压60 min，结束压力为109.9 MPa，结束温度123 ℃，密封效果良好，符合API 16A规定的高温高压密封要求，试验合格。

图7 变径闸板胶件高温高压密封曲线

变径闸板胶件试验前、后形貌对比如图8所示。

图8 变径闸板胶件试验前、后形貌

4.2 半封闸板高温密封试验

将2FZ48-105型防喷器的ø89～ø149 mm变径闸板更换为ø149 mm半封闸板，安装ø149 mm的试验棒，内腔充满试压油，热油站输出热油温度设定300 ℃，通过盘管加热了3 h，试压油至177.8 ℃，关闭闸板，完成试验准备工作。

1) 半封闸板胶件高温低压密封试验。

半封闸板胶件高温低压密封曲线如图9，初始压力为1.67 MPa，初始温度180 ℃，稳压4 min，结束压力为1.61 MPa，结束温度177 ℃，密封效果良好，符合API 16A的规定的高温低压密封要求。

图9 半封闸板胶件高温低压密封曲线

2) 半封闸板胶件高温高压密封试验。

关闭闸板，升压至试验要求压力，保温、保压，半封闸板胶件高温低压密封曲线如图10，初始压力为105.32 MPa，初始温度179 ℃，稳压60 min，结束压力为105.61 MPa，结束温度180 ℃，密封效果良好，符合API 16A规定的高温高压密封要求，试验合格。

图10 半封闸板胶件高温高压密封曲线

变径闸板胶件试验前、后形貌对比如图11所示。

图11 半封闸板胶件试验前、后形貌

5 结论

1) 防喷器高温高压密封试验装置安全可靠。完成了2FZ48-105型防喷器在温度121 ℃、压力105 MPa等级的变径闸板胶件高温高压密封试验和温度177.8 ℃、压力105 MPa等级的半封闸板胶件高温高压密封试验，为深井防喷器安全可靠的应用提供了保障。

2) 试验中，防喷器内加入的是导热油(试压油)作为试验介质，成本高，容易造成环境污染。可以尝试用水作为导热试验介质，既经济又环保，但存在一定的危险性。

[1] 侯国庆，许宏奇，粟京，等.F48-70型水下防喷器组研制[J].石油矿场机械，2016，45(5)：37-42.

[2] 耿艳东，王莎，王卫华，等.海洋油气开发水下防喷器紧急备用控制系统研究[J].石油矿场机械，2016，45(2)：79-83.

[3] 顾和元，侯国庆，郭雪，等.水下防喷器组控制系统深水模拟试验装置研制[J].石油矿场机械，2013，42(4)：1-5.

[4] 张智，刘江伟，王思文，等.管壳式换热器的热力计算和数值仿真[J].金属材料与冶金工程，2012(1)：33-37.

[5] 薛明德，黄克智，李世玉，等.GB 151中带膨胀节固定式换热器管板计算方法的改进[J].压力容器，2012(4)：57-61.

[6] 杨宁.高压容器常见的密封型式与发展趋势分析[J].科技信息，2011(19)：132-133.

[7] 廖小荣.高压容器筒体端部两种密封结构比较[J].大氮肥，2011(5)：328-331.

[8] 周博，陈家旺，顾临怡.深海高压环境下的密封材料变形特性分析[J].中国机械工程，2010(12)：152-156.

BOP High Temperature and Pressure Seal Test Apparatus

LI Shenkui，LIU Shiyan，HAO Bin，WANG Hongli，WANG Kunqing，ZHANG Ning

(Hebei Rongsheng Manufactory Ltd.of Huabei Oil Field，Renqiu 062552，China)

The deep well is usually accompanied with high temperature and high pressure，blowout preventer must have a reliable sealing，to ensure the safety of drilling.In order to meet the test requirements of high temperature and high pressure resistant sealing of BOP，the BOP was studied under high temperature and high pressure seal test apparatus，including the overall plan，the central control room，oil station，safety control system，boost system，heating coil，and the BOP ø89～ø149 mm adjustable shutter，ø149 mm half rams high temperature and pressure seal test，field test and achieved good results，which provided technical support for BOP work in high temperature and high pressure environment safety.

BOP；high temperature；high pressure；sealing；test

1001-3482(2016)12-0043-05

2016-06-07

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2013AA09A220)

李慎奎(1981-)，男，辽宁建昌人，硕士研究生，主要从事石油钻采设备研究，E-mail：dbdxljm@126.com。

TE931.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.012