毕业设计（论文）-单闸板液压防喷器设计

单闸板液压防喷器设计摘要：液压闸板防喷器是用于勘探开发高压油、气田，防止井喷事故发生和平衡钻井压力的关键井控设备。液压防喷器一旦失效,将会导致井喷、井涌等恶性事故。因此,防喷器的合理设计对于保证钻井作业顺利进行和人身安全具有重要作用。为此，本文根据APISpec16A的要求，设计了一种单闸板液压防喷器，根据不同的井喷情况，使用不同类型的闸板，达到有效防范井喷事故发生的目的。使用该防喷器，当井内有管柱时，配上相应管子闸板能封闭套管与管柱半封闸板，法兰等密封结构及密封件进行了设计；最后，计的防止井喷事故发生和平衡钻井压力，为油井安全提供保障。关键词：单闸板；液压；防喷器目 录1 绪论 11.1 概述 11.2 单闸板液压防喷器的课题意义 31.3 闸板液压防喷器的国内外发展状况 32 单闸板液压防喷器的总体设计 52.1 单闸板液压防喷器设计的技术参数 52.2 单闸板液压防喷器的总体方案布局与设计 52.3 工作原理 62.3.1 闸板开关动作原理 62.3.2 手动锁紧闸板作用及开关动作原理 62.3.3 端面密封原理 63 主要零件的计算及校核 73.1 法兰的选取 73.2 闸板 73.3 液压缸的计算 83.3.1 液压缸的尺寸设计与选取 93.3.2 液压缸行程L的确定 93.4 螺栓的选择及校核 104 防喷器使用的说明 114.1 安装及试压运转 134.2 使用方法及注意事项 144.3 维护与保养 144.4 闸板密封胶芯的更换 144.5 侧门铰链座 154.6 液压缸的维护 154.7 胶件的存放 164.8 常见故障及处理方法 16参考文献 171 绪论1.1 概述泄漏。本课题为单闸板液压防喷器的设计。闸板防喷器按壳体内闸板数量可分为单闸板，双闸板，三闸板防喷器等。闸板及一副或两副半封闸板。闸板防喷器组成：壳体、侧门、油缸、活塞、活塞杆、主要用途是在钻井、修井、试油等作业中控制井口压力，有效地防止井喷事故发生，实现安全施工。1.2单闸板液压防喷器的课题意义本次课题是单闸板液压防喷器的设计，防喷器作为井控装置中的核高压力，更耐用，满足更严格工况等优点,因此对井下防喷器的研究具有重要的实际意义。1.3 闸板液压防喷器的国内外发展状况一旦失去控制,就会导致井喷失控,造成钻井设备损坏,此，国内外石油界对其给以高度重视。目前井控防喷器的类型：（1）闸板防喷器：主要由壳体、侧门、闸板总成、油缸总成、铰链部分、二次密封装置、手控总成等组成，配备不同的闸板即可实现不同的功能。（2）环形防喷器类型：锥形胶芯环形防喷器、球形胶芯环形防喷器、组合胶芯器控制的情况下，能通过18°无细扣对焊接头钻杆进行强行起下钻。（3）旋转防喷器：主要由旋转头、自封头、旋转筒、外壳、轴承、密封圈、补芯等组成，主要用于不压井起下钻和空气、充气、泡沫等特殊钻井作业。2 单闸板液压防喷器的总体设计2.1 单闸板液压防喷器设计的技术参数（1）通径:186mm；（2）压力:35Mpa；（3）法兰盘直径:Ø395mm；（4）液控压强:8.5-10.5Mpa；封反方向放置。2.2 单闸板液压防喷器的总体方案的布局与设计（1）总体方案油管的控制。单闸板液压防喷器主要用于防止井下压力35Mpa井喷，其本次设计的液压闸板防喷器主要由以下主要部件组成：法兰(根据API标准可选法兰通径为180mm),壳体（根据经验可初步确定其厚度为80mm,），液压缸（根据计算可知选择的液压缸符合强度要求），闸板根据通径、工作压力等来选择设计。故其装配图如下所示2.3工作原理2.3.1闸板开关动作原理闸板液压锁紧机构主要由锁紧液缸、楔形活塞、锁紧活塞、顺序阀、锁紧缸盖、示机构，观察锁紧动作和锁紧轴锁紧斜面的状况。2.3.2 手动锁紧闸板作用及开关动作原理手动锁紧装置是靠人力旋转手轮关闭或锁紧闸板的，由锁紧轴、操纵杆、手轮、打开闸板，操作方法是先逆时针旋转手轮直至终点，然后再顺时针旋转1/8-1/4圈，法。2.3.3 端面密封原理端面密封又分为O型密封圈和矩形密封圈2种结构，侧门与壳体之间是由螺栓连大，便于现场及时更换。只有径向密封也叫径向浮动密封，由金属做骨架。3 主要零件的计算及校核3.1 法兰的选取石油井口装置的重要连接件，其可靠性对井口装置的安全工作具有极其重要的作用。井口法兰分为环形法兰、盲板法兰和扇形法兰。环形法兰可分为6B型环形法兰（简称6B型法兰）和6BX型环形法兰（简称6BX型法兰）两类。从结构上看，6B型法兰有整体式、螺纹式、焊颈式等，而6BX型仅有整体式和焊颈式两种。盲板法兰也有6B型和6BX型两种，盲板法兰主要用封堵或试压使用。个。3.2 闸板活动法兰闸板是液压闸板防喷器的核心部件。（1）闸板的组成：由闸板体、压块、橡胶胶芯等组成。（2）闸板的分类：按操作方式分为手动式、液压式；按闸板层数分为单闸板、双闸。（3）闸板结构的特点：本次设计采用半封闸板。空间（封固定尺寸环空）封闭井口（封空井）全封封闸板的使用：当井内无钻具时，全封闸板可以全封井口。剪断，达到封井的目的。3.3 液压缸的计算活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、他装置则必不可少。液压缸的结构形式，可将其分为五种类型：1.活塞式口油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。2.柱塞式柱塞式的特点：（1）它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；（2）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸；（3）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；（4）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。3.伸缩式结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。4.摆动式油方向，叶片将带动转子作往复摆动。5.直线与回转组合液压缸即同步化或个性化的旋转和直线升举运动。当技术提高的时候，运动过程就会变得越来越自动化。液压缸也可以分为推力液压缸和摆动液压缸，推力液压缸分为单作用液压缸，双回时靠自重或弹簧等外力，这种油缸的两个腔只有一端有油，另一端则与空气接触。结构形式：（1）拉杆型液压缸取大直径拉杆，但径向尺寸不允许拉杆直径过大。（2）焊接型液压缸连接强度的制约缸筒内径不能太大和额定压力不能太高。焊接型液压缸通常额定压力Pn≤25Mpa、缸筒内径D≤320mm，在活塞杆和缸筒的加工条件许可下，允许最大行程S≤10-15m。（3）法兰型液压缸击负载和外界工作条件，又称重载型液压缸。法兰型液压缸通常额定压力Pn≤35Mpamm筒的加工条件许可下，允许最大行程S≤8m。的连接还需根据具体情况具体分析确定。3.3.1 液压缸的尺寸设计与选取液压缸的工作压力P=8.5-10.5Mpa，取P=10.5Mpa最大伸长长度:L=105mm液压工况的最大负载Fmax=MG=113.4×10N/kg=1134N液压缸的机械效率：η=0.95因为采用非标设计，缸体内径取150mm上层缸体外径取240mm，其余各层外径取205mm3.3.2 液压缸行程L的确定向长度。液压缸工作行程的确定：因为要保证闸板完全闭合，所以选取液压缸工作行程为：105mm1）液缸总成的修理与更换体步骤如下：状态，则应关闭侧门，并且至少应在铰链座对面拧一根侧门螺栓；⑵液缸下面放置一个干净油盆，防止拆卸中油流到地面；⑶卸掉缸盖固定双头螺柱及螺帽，拧下缸盖与锁紧轴；⑷将锁紧轴从缸盖中轻轻打出；⑸取下液缸；⑹松开活塞内的防松螺钉；⑺卸掉活塞锁帽，取下活塞；⑻打开侧门，取下闸板，拨出闸板轴；⑼卸掉挡圈，取出闸板轴，密封圈，同样方法取出缸盖内的锁紧轴密封圈。2）液缸拆卸后的检查部位⑴缸内壁线状摩擦伤或点状伤痕，可用极细的砂纸和油石修正。⑵闸板轴，锁紧轴密封面漏失，必须更换新件。⑶密封圈伤等，当发现密封件有损坏或轻微伤痕时，最好都能予以更换。⑷活塞活塞的活动密封面不均匀磨损的深度超过0.2mm有明显的影响密封的伤痕。3）液缸总成的安装安装时依照拆卸的反顺序进行，但要注意以下几点：并注意保持清洁。（2）装入密封圈时，密封圈表面要涂润滑油，相对密封面也要涂油，以利于装配。（3）注意唇形密封圈的方向，唇边开口对着有压力的一方。（4）注意使密封圈能顺利地通过螺纹部分，不要刮坏。3.4 螺栓的选择及校核(1）剪切闸板层侧门螺栓所受力为侧门所受的井内压力受力面积A=剪切闸板面积A1－活塞轴面积A2A1=r12=3.14×1002=31400mm22=r2

2=3.14×35

2=3846.5mm2A=A1－A2=31400－3846.5=27553.5mm2此防喷器所用的井内压力最大为35MPa,侧门螺栓所受的力F=PA=27553.5×35=964372.5N侧门总共使用四条螺栓所以每条螺栓所承受的力F'=964372.5/4=241093.125N侧门螺栓的材质选用的是35CrMo,调质后的抗拉强度为980MPa，选用安全系数为5，侧门螺栓的最小横截面积241093.125×5÷980=1230mm2侧门螺栓的最小直径D=2√=39.6mm所以选用M45×3的侧门螺栓。（2)半封和全封侧门螺栓所受力为侧门所受的井内压力。受力面积A=闸板闸板面积A1－活塞轴面积A2A1=r12=120×100＋3.14×502=19850mm2A2=r22=3.14×352=3846.5mm2A=A1－A2=19850－3846.5=16003.5mm2此防喷器所用的井内压力最大为35MPa,侧门螺栓所受的力F=AP=1600.35×35=560122.5N侧门总共使用四条螺栓所以每条螺栓所承受的力F'=560122.5/4=140030.625N侧门螺栓的材质选用的是35CrMo,调质后的抗拉强度为为2.5，侧门螺栓的最小横截面积140030.625/980=142.89mm2侧门螺栓的最小直径D=2√=14.2mm综合剪切闸板层和半封层，全封层，为了方便加工，安装，维修，统一选用M45×3的侧门螺栓，材质为35CrMo，所以选用M45×3的侧门螺栓（3）对侧门螺栓螺纹的校核螺纹副抗挤压计算许用挤压应力，否则便会产生挤压破坏，设轴向力为F，相旋合螺纹圈数为Z，则计算式为σp=F/A≤[σp]且F/A=F/hz若取σp=[σ]，则有F/πd2hz≤[σ]，式中 σp：挤压应力，单位MPa；[σp]：许用挤压应力，单位MPa；F：轴向力，单位N；d2：外螺纹中径，单位mm；h：螺纹工作高度，单位mm，p为螺距，h=5√p/16=0.541p；Z：看圈数定，无量纲。为安全系数，一般取3—5。35CrMo材质调制后σs=835MPa,取安全系数为4。侧门螺栓连接长度为43，螺距为3，所以Z=14.则[σ]=835/4=208.75MPaF/πd2hz=F/πd2(0.541p)z=241093.125/(3.14×43.051×0.541×3×14)=156.98MPa＜[σ]所以螺纹副抗拉强度满足要求。②螺纹副抗剪切强度校核对螺杆，应满足τ=F/d1bz≤[τ]，对螺母应满足τ=F/Dbz≤[τ]F：轴向力，单位N；d1：为螺栓螺纹小径，单位mm；D：计算螺母时螺纹大径，单位mm；b：螺纹牙底宽度，b=0.75p；Z：组合圈数，无量纲。[τ]=0.6[σ]=0.6σs/s，取s=4，则[τ]=125.25MPa.对侧门螺栓：τ=F/d1bz=482186/(3.14×41.752×0.75×3×14)=116.76MPa＜[τ]所以螺纹副满足抗剪切强度要求。4防喷器使用的说明4.1 安装及试压运转1闸板防喷器在使用前要进行密封试压至额定工作压力合格后方能运往井场。2）检查防喷器是否安装正确：壳体吊装耳在上部；手动锁紧装置要装全，固定好，并在手轮处挂牌标明开关圈数；各处联接螺栓对角依次均匀上紧。3）安装方位应是：手动锁紧装置的手轮及操作杆位于井架大门的两侧，本体旁侧法兰出口对着大门的方向。以便于观察活塞杆盘根泄流口泄漏情况。4）检查手动锁紧机构是否连接好，手动锁紧装置要装全固定好，手动杆操纵闸轮左旋退回解锁，用液压打开闸板。5）检查油路连接管线是否与防喷器所标示的开关一致。可由控制台以2～3MPa台手柄指示不一致，应调整连接管线。6）对井口装置进行全面试压，试压标准应按有关井控规程条例执行。试压后对各连接螺栓再一次紧固，克服松紧不均现象，法兰螺栓的上紧力矩见下表。螺栓螺钉上紧扭矩7）检查所装闸板芯子尺寸与井下钻具尺寸是否一致。8）检查各放喷、压井、节流管汇是否联接好。9）防喷器在进行地面检查试验时，应在防喷器内加满水，并且开关闸板活动一次，以排除闸板腔内闸板后部的空气。回转1/8-1/4圈，标牌上要注明手轮旋转圈数[29]。4.2 使用方法及注意事项1）防喷器的使用要指定专人负责，落实职责，使用者要做到三懂四会（懂工作原理、懂性能、懂工艺流程；会操作、会维护、会保养、会排除故障）。井口，无论闸板防喷器是否固定在井口法兰上，都不允许同时打开两个侧门。3）需要长时间封井时，应用手动锁紧装置锁定闸板，并在控制台上挂牌说明，以防误操作。4）不能用打开闸板来卸井内压力，以免损坏胶芯。每次打开闸板前应检查手动免钻具损坏闸板。5）进入目的层后，每天应开关闸板一次，检查开关是否灵活，手动锁紧是否正常。每次起钻完后还应做全封闸板开关试验，井内有管柱时严禁关闭全封闸板。6）防喷器用完后，应使闸板处于全开位置，以便检修。7）防喷器中正在使用的闸板，在现场至少要有一副相同规格尺寸的备用件，一旦所装闸板损坏，能及时更换。8）注意保持液压油清洁。4.3 维护与保养要保持液压油的清洁，防止其他杂物进入油缸，以防拉坏油缸、活塞。4.4 闸板密封胶芯的更换密封胶芯的步骤如下：1)拧下两个闸板螺钉，取下闸板座（夹持器）；’2)卸掉两个闸板胶芯螺钉；3)用起子将顶密封部分从闸板体槽中撬出；4）撬出整个胶芯；5）安装胶芯前要将闸板体、胶芯、闸板螺钉擦洗干净，涂上润滑油；安装过程隙，不要使顶密封橡胶过度挤出，以免过早磨损和擦伤。4.5 侧门铰链座漏油现象。此时，需拆开检查，具体步骤如下：1)先保证侧门和壳体的紧固联接；2)从铰链座上拧下两个定位销，然后卸掉四个联接螺柱；（注：定位销是分体结构，可用M8螺钉拨出）3)将铰链座从侧门上取出，可轻轻打出，切忌用力过大以免伤害密封面。4)安装时将配合面涂润滑油，轻轻打入侧门，注意定位孔位置，先装两个定位销，后上四个螺钉。5)伤痕迹，如有应修复[30]。4.6 液压缸的维护1.如果闸板轴密封、活塞密封、锁紧轴密封如有损坏漏油，均应拆卸进行检修，具体步骤如下：(1)若闸板没有处于全开位置，则应先用液压将其打到全开位置，若侧门已处于打开状态，则应关闭侧门，并且至少应在铰链座对面拧下一根侧门螺栓；(2)液缸下面放置一个干净油盆，防止拆卸中油流到地面；(4)将锁紧轴从缸盖中旋出；(5)取下液缸；(6)松开活塞锁帽内的防松螺钉；(7)卸掉活塞锁紧螺母，取出活塞；(8)打开侧门，取下闸板，拨出闸板轴；(9)卸掉挡圈，取出闸板轴密封圈。2.液缸拆卸后的检查部位(1)缸内壁线状摩擦伤或点状伤痕，可用极细的砂纸或油石修正。(2)闸板轴件产生严重漏失，必须更换新件。(3)密封圈挤出切伤等，当发现密封件有损坏或轻微伤痕时，应予以更换。(4)活塞活塞的活动密封面不均匀磨损的深度超过0.25mm时，就应更换，其它表面不能有明显的影响密封的伤痕。3.液缸总成的安装，安装时依照拆卸的反顺序进行，但要注意以下几点：(1)检查零件有无毛刺或尖棱角，如有应去掉，这样才能保证密封圈的唇边不会被刮伤。并注意保持清洁。(2)装入密封圈时，密封圈表面要涂润滑油，相配密封内、外面也涂油，以利于装配。(3)注意唇形密封圈的方向，唇边开口对着有压力的一方。(4)注意使密封圈能顺利地通过螺纹部分，不要刮坏。4.7 胶件的存放所有橡胶件都应按下列规定合理存放：(1)根据入库时间先后、新旧程度编号，依先旧后新使用；在松弛状态下存放，不可受弯受挤压，最好平放在木箱内；(3)不能有腐蚀性物质溅到橡胶件上；(4)橡胶件应远离高压带电设备，因为这些设备可能产生臭氧；(5)经常检查，如发现有变脆、龟裂、弯曲、出现裂纹者不可使用；(6)一般条件的储存期为2年。4.8 常见故障及处理方法序号故障现象产生原因排除方法1井内介质从壳体与侧门连接处流出a.防喷器侧门密封圈损坏更换损坏的侧门密封圈；b.防喷器壳体与侧门密,封面有赃物或损坏。清除密封面赃物，修复损坏部位。2闸板移动方向与控制阀铭牌标志不符控制台与防喷器连接管线接错交换防喷器油路接口的管线位置3液控系统正常，闸板关不到位。闸板接触端有其浆块的淤积清洗闸板及侧门4井内介质窜到液气。闸板轴密封圈损表面拉伤。更换损坏的闸板坏的闸板轴。5防喷器液动部分关不灵活防喷器液缸、活开关侧门活塞杆表面损伤。更换各处密封或更换新件6闸板关闭后封不住压闸板尺寸与井内钻具尺寸不一致更换相应尺寸的闸板7控制油路正常，用液压打不开闸板或侧门锁紧轴未解锁锁紧轴解锁，若损坏需更换8侧门铰链连接处漏油密封表面拉伤，密封圈损坏修复密封表面，更换密封圈参考文献[1]姜仁.井控技术[M].北京：石油工业出版社，1990.2014.12.[3]中国石油天然气钻井井控编写组.石油天然气钻井井控[M].北京：石油工业出版社，2008.[4]孙振纯，王守谦.井控设备[M].北京：石油工