FZ54－70型單閘板防噴器低高溫試驗裝置研制

王紅杰，屈志明，劉寶秋，吳占偉，申凌云

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘062552）①

FZ54－70型單閘板防噴器是為了滿足新疆塔里木油田用戶的需要而設計的一種大通徑高壓力的新型防噴器。根據API標準要求，需要對這種防噴器裝置進行各種操作性型式試驗及低溫和高溫環境的適應性試驗［1－3］。通過對 FZ54－70型單閘板防噴器的結構型式、外形尺寸的分析，設計制造了專用的低高溫試驗裝置［4］，為防噴器等井控裝備在現場環境溫度變化下的適應性提供了依據。

1 試驗裝置設計

1.1 低高溫實驗室的設計選型

防噴器等井控裝備進行低高溫試驗的第1步就是對防噴器整機進行加熱升溫。防噴器升溫過程一般設定在2～5 h，時間過長會造成資源的浪費，亦會對防噴器的密封膠件造成損害。TP/W690步入式低高溫實驗室（如圖1）為試驗的進行奠定了第1步，其工作環境溫度－55～＋130℃，試驗介質最高溫度可達260℃，可為防噴器低高溫試驗提供低溫、恒溫、高溫等程序變化的多種試驗環境［5］。

圖1 低高溫實驗室

1.2 加熱管的設計和計算

通過導熱公式計算［6］，并經過一系列模擬試驗，對比試驗結果，最終確定了加熱棒類型：將大功率加熱棒直接貼服于耐壓管壁進行加熱。加熱絲材料為Cr20Ni80，熔點1 400℃，每根加熱棒的功率為3 500 W。設計的FZ54－70型單閘板防噴器需要用10根加熱棒進行試驗加熱，每5根為1組共用1相電源。為避免在試驗過程中出現加熱棒燒斷或是短路故障情況的發生，對10根加熱棒加熱線路都全部安裝了斷路器進行保護。斷路器能自動切斷有故障的工作電源，而不影響整體試驗進程。既保證了試驗裝備的安全可靠性，也為下一步的檢查維修創造了條件［7］。

系統升至設定溫度所需總熱量為

式中：c為材料比熱容；m為待加熱物體的質量；△t為溫升；ρ為密度；V為體積；下標o、b、g分別表示導熱油、防噴器、鋼材。

其中：co＝1.809×106J/（kg·℃）；cg＝4.50×105J/（kg·℃）；ρo＝9.03×103kg/m3；Vo＝4.9×10－1m3；mb＝1.582×104kg；△t＝73 ℃。由式（1）～（5）計算可得Q＝548 441 800.44 J。

加熱功率為

式中：P為加熱功率；Q′為吸收熱量；t為加熱時長。

假設所需加熱時長最長5 h，計算可得P＝32 135 W。設計使用了10根加熱棒，則每根加熱棒的加熱功率為3 200 W，考慮實際損耗，確定每根加熱棒功率為3 500 W。

1.3 試壓底座及耐壓套管結構設計

依據選定的2種加熱棒的結構尺寸，確定選用42Cr Mo材質的加熱套管，并通過試驗進一步確定了加熱套管的長度、深度、壁厚以及安裝方式，如圖2所示。考慮加熱棒性能受到耐熱管空間等條件的限制，亦考慮防噴器底法蘭和耐壓套管在高壓高溫環境下金屬強度等問題，最終決定在底法蘭上開10個加熱孔和1個測溫孔，并且防噴器底法蘭的厚度尺寸由GB/T22513標準規定的0.241 m增加到0.27 m。耐壓套管的結構經過多次試驗，最后確定圖2中的B方案。圖3即為拉桿式結構的加熱棒。

圖2 加熱套管方案對比

圖3 加熱棒與拉桿組合

A、B方案對比：

1） A方案中耐壓套管壁厚為0.008 m，B方案中管壁增加至0.012 m。

2） 耐壓套管總長度為0.765 m，內孔為0.032 m。A方案中耐壓套管的內孔加工涉及到了深孔加工，常規加工無法實現，增加了加工難度；B方案中套管的加工可以選擇兩端對頂加工的方法，避開了深孔加工，減小了套管的加工難度。

3） A、B兩種方案經過反復試驗，A方案中的密封墊位置在試驗過程中由于井壓的作用經常發生泄漏，需要拆換處理，在試驗過程中增加了很多不必要的工作量，而B方案采用拉桿式結構，密封穩定性好，試驗過程中基本沒有泄漏的情況發生。

最終加工完成后的FZ54－70型單閘板防噴器試壓底座、耐壓套管及加熱管裝配效果如圖4所示。

2 試驗過程

為進一步驗證結構設計的合理性和試驗裝置的可靠性，按照API Spec 16A規范附錄D的要求［2］，對FZ54－70型單閘板防噴器進行了低高溫試驗。

FZ54－70型單閘板防噴器橡膠件的設計溫度等級為BB級，即－18～93℃。根據試驗程序，分別對防噴器進行了－18℃和93℃下的壓力密封試驗。－18℃溫度下，每開關閘板7次進行1次壓力試驗，包括1.4～2.1 MPa（200～300 psi）和額定工作壓力70 MPa（10 000 psi）的密封試驗，共進行了3組壓力循環，開關21次，低高壓各穩壓3 min。在整個穩壓期間，壓力變化小于試驗壓力的5%［2］，密封試驗合格。93℃溫度下，防噴器在1.4～2.1 MPa（200～300 psi）和額定工作壓力70 MPa（10 000 psi）下，分別穩壓3 min和60 min。在整個穩壓期間，壓力變化小于試驗壓力的5%［2］，密封試驗合格，達到了API Spec 16A所規定的試驗要求。低高溫密封試驗曲線如圖5～6所示。

圖5 防噴器－18℃低溫密封試驗曲線

圖6 防噴器93℃高溫密封試驗曲線

為了驗證低高溫試驗裝置［8］的穩定性、持續性，以及防噴器膠件的使用性能，在已完成了API Spec 16A規范附錄D所規定的試驗要求外，對FZ54－70型單閘板防噴器又進行了6 h、93℃和1 h、121℃的高溫試驗，密封試驗合格。試驗裝置在長時間的使用下，沒有發生泄漏或其他故障。

試驗結果表明，上述結構的低高溫試驗裝置安裝方便，性能可靠［9］。

3 結論

1） 低高溫試驗裝置所用的加熱管選用合理。升溫過程中，加熱管的穩定性良好，既未造成能源的浪費，又安全可靠。

2） 試驗證明：拉桿式耐壓套管裝置簡單實用，安裝方便，性能穩定可靠，為FZ54－70型單閘板防噴器低高溫試驗的成功提供了必不可少的前提條件。拉桿式耐壓套管裝置亦可以在其他類型防噴器的低高溫試驗中推廣應用。

3） 在油氣鉆井和開采過程中，防噴器等裝備是與安全生產直接相關的重要設備，對其制造、檢測有很高的要求。我國地緣遼闊，地區氣候和地質結構差異較大，環境溫度和地下流體溫度差異也較大，FZ54－70型單閘板防噴器低高溫試驗的完成，為防噴器在現場使用過程中能否應對惡劣極端的環境溫度變化提供了保障，能夠避免安全事故的發生。

［1］ API Spec 6A—2010，井口裝置和采油樹設備規范［S］.20版.

［2］ ANSI/API 16A，鉆通設備規范［S］.3版.2004.

［3］ 王珊珊，黃永華.－196～＋100℃高低溫攝像裝置低溫性能實驗研究［J］.低溫工程，2012，187（3）：5－6.

［4］ 顧和元，侯國慶，郭雪，等.水下防噴器組控制系統深水模擬試驗裝置研制［J］.石油礦場機械，2013，42（4）：1－5.

［5］ 李新民，唐順東.石油鉆采設備高低溫性能檢測系統及其應用［J］.鉆采工藝，2011，34（5）：86－87.

［6］ 郭道宏.油管隔熱保溫試驗研究［J］.石油礦場機械，2011，40（11）：27－28.

［7］ 陶煜征.防噴器電磁加熱保溫裝置設計［J］.科學技術與工程，2011，11（21）：5184－5186.

［8］ 黃振瓊，徐燕東.高溫高壓深井用液壓封隔器研制及試驗［J］.石油礦場機械，2013，42（10）：34－35.

［9］ 王百戰，白文雄，樊勇，等.便攜式井口防噴器試壓裝置研制與應用［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：83－86.