闸板防喷器增力缸式楔块液压锁紧机构的研制
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作者:廖伟恒 李子良 范俊 张军锋
【摘 要】国内使用的楔块式液压锁紧闸板防喷器经常出现不能解锁的情况。为此，论文研制了增力缸式楔块液压锁紧机构，成功解决了这一问题，从而确保了井控安全，减轻了井队现场操作工人的劳动强度，提高了井场作业的工作效率。
【Abstract】The wedge-type hydraulic locking ram-type blowout preventer used in China is often unable to be unlocked. For this reason， the paper develops a wedge-type hydraulic locking device with booster cylinder， which successfully solved this problem， thus ensuring the safety of well control， reducing the labor intensity of on-site operators in the drilling team， and improving the work efficiency of the well site operation.
【關键词】增力缸;楔块;液压锁紧机构;防喷器
【Keywords】booster cylinder; wedge; hydraulic locking device; blowout preventer
【中图分类号】TE921 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）03-0164-02
1 引言
闸板防喷器是井控装置的关键部件，主要用于钻井、修井、试油等过程中控制井口压力，有效防止井喷事故发生，实现安全施工[1]。闸板防喷器的锁紧形式分为手动锁紧和液压锁紧两种。由于液压锁紧闸板防喷器的自动化程度高、工作可靠[2]，近年来被油田用户广泛使用，特别是海洋水面和水下钻井均采用液压锁紧闸板防喷器。国内油田使用的液压锁紧闸板防喷器多为楔块式，在使用过程中，经常需要长时间关闭防喷器闸板总成，闸板总成的前密封橡胶件就会因防喷器长时间关闭，将其压缩后的反作用力通过防喷器闸板轴的斜面反作用在楔形活塞的斜面上，井压越高，井压对闸板总成的作用力越大，使得两斜面间的正压力越大，两斜面相对运动时摩擦力也越大，最终可能会出现楔形活塞难以解锁，闸板总成无法打开的情况。为解决此类问题，满足现场使用要求，保障井控安全，经过多次研究探索，研制了增力缸式楔块液压锁紧机构。
2 闸板防喷器楔块式液压锁紧机构的研究现状
2.1 国外现状
美国CAMERON公司是全世界最知名的防喷器制造商，该公司的液压锁紧闸板防喷器采用楔块式结构，利用斜面自锁完成防喷器的锁紧。锁紧机构主要由楔形活塞、锁紧液缸、闸板轴、锁紧活塞等零件组成，其缺点为解锁需要单独油路，控制系统需要增加一条管线才能满足使用要求。
2.2 国内现状
国内楔块式液压锁紧闸板防喷器大都仿照美国CAMERON公司的斜面锁紧机构进行研制，并在其基础上增加了顺序阀，使防喷器解锁和闸板打开为同一油路，但在闸板长期关闭后，仍经常出现不能解锁的情况。
3 结构设计及工作原理
3.1 结构设计
在分析研究国内外闸板防喷器楔块式液压锁紧机构的优缺点后，对其结构进行了改进和创新。改进后的楔块式液压锁紧机构主要由解锁增力缸、增力缸活塞、增力缸缸盖、楔形活塞、锁紧液缸、锁紧活塞、解锁缸盖、锁紧缸盖、顺序阀组成（见图1）。由于解锁增力缸的设置，大大降低了解锁压力和手动解锁的可靠性，提高了防喷器的可靠性。
1解锁缸盖;2解锁增力缸;3增力缸活塞;
4增力缸缸盖;5楔形活塞;6锁紧液缸;
7锁紧活塞;8锁紧缸盖;9顺序阀
3.2 工作原理
①关闭闸板并锁紧，锁紧位置如图2a所示。液控系统高压油进入左右油缸闸板关闭腔时，推动活塞带动左右闸板总成沿壳体闸板腔分别向井口中心移动，实现封井。同时，高压油进入左右锁紧液缸锁紧腔，推动楔形活塞，使楔形活塞的楔面与闸板轴端的楔面靠紧，实现自动锁紧闸板，这时可卸掉来自液控系统的高压油。
②解锁并打开闸板，解锁位置如图2b所示。液控系统高压油首先进入左右锁紧液缸的解锁腔及解锁增力缸，推动楔形活塞，使楔形活塞的楔面与闸板轴端的楔面脱开，当将要到达完全解锁位置时，楔形活塞开始压缩设置于解锁位置的单向阀的阀杆，直到完全压缩并完全打开单向阀（亦即楔形活塞到达完全解锁位置），使高压油进入油缸的闸板开启腔，推动活塞带动左右闸板总成向离开井口中心方向运动，打开井口。
a.锁紧位置 b.解锁位置
1解锁缸盖;2解锁增力缸;3增力缸缸盖;4楔形活塞;
5锁紧液缸;6锁紧缸盖;7顺序阀;8锁紧活塞;
9闸板轴;10增力缸活塞
4 改进创新 增力液缸通过增力缸盖与锁紧液缸解锁端串联，增力液缸直径与锁紧液缸解锁端直径相同，在相同的解锁液控压力下，解锁力提高一倍。同时，在增力活塞运动过程中，可对楔形活塞产生冲击力，降低解锁难度。
5 工厂试验
为了进一步验证带增力缸的楔块式液压锁紧机构的可靠性，河北华北石油荣盛机械制造有限公司按照API SPEC 16A—2017 Specification for Drill-through Equipment規范中4.7.3.3的要求[3]，对FZ35-70带增力缸楔块式液压锁紧闸板防喷器进行了疲劳试验。每开关7次进行1次压力试验，包括低压1.4～2.1MPa和高压70MPa试验[4]。共完成546次开关和78个压力循环，在每第7次压力循环后，卸掉液压进行锁紧密封试验。
试验过程中防喷器锁紧和解锁灵活，解锁液控压力为5～6MPa。试验结束后对液压锁紧机构进行拆解，各零件均完好。
6 现场应用
从2018年开始，已有50余台带增压缸楔块式液压锁紧闸板防喷器发往现场使用，分别经受了海洋水面环境、沙漠环境、奇景环境等恶劣工况的考验。截至目前，防喷器未出现不能解锁的情况。
7 结论
①增力液缸通过增力缸盖与锁紧液缸解锁端串联，在相同的解锁液控压力下，解锁力提高了一倍。同时，在增力活塞运动过程中，可对楔形活塞产生冲击力，降低解锁的难度。
②生产出的样机完成疲劳试验，试验结果符合API SPEC 16A—2017 Specification for Drill-through Equipment规范的要求。
③经各种工况使用，带增压缸楔块式液压锁紧机构性能优越，可满足使用要求。
【参考文献】
【1】刘清友，陈绍伟，艾买提江，等.闸板防喷器液压锁紧装置现状研究[J].石油矿场机械，2007，36（10）：1-4.
【2】朱海燕，刘清友，肖晓华，等.闸板防喷器液压锁紧装置现状及发展研究[J].石油钻探技术，2008，36（4）：83-86.
【3】API SPEC 16A—2017 Specification for Drill-through Equipment[S].
【4】孟庆荣，李俊，杜平，等.闸板防喷器液压锁紧装置的改进[J].石油矿场机械，2011，40（11）：51-53.
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