防噴器閘板體萬能試驗臺設計

周利明，楊永寧，劉　輝，徐　茂，齊瑞騫（．河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘0655；．四川科特石油工業井控質量安全監督測評中心，四川德陽6800；．中航工業雷華電子技術研究所，江蘇無錫406）

防噴器閘板體萬能試驗臺設計

周利明1，楊永寧1，劉輝1，徐茂2，齊瑞騫3
（1．河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘062552；2．四川科特石油工業井控質量安全監督測評中心，四川德陽618300；3．中航工業雷華電子技術研究所，江蘇無錫214063）①

為解決井控裝備制造廠在防噴器閘板體出廠檢驗和疲勞試驗中的成本高、防噴器的拆裝勞動強度大等問題，設計了閘板體萬能試驗臺。該試驗臺結構簡單，能夠滿足多種型號和壓力等級的閘板體試驗的要求。外殼和側門采用銷軸連接，拆裝方便省力；在不同型號閘板體試驗中，只需更換轉換腔體和轉換連接軸，最大程度上減少了試驗成本。應用有限元分析方法對主要承壓零件進行了強度校核，保證了試驗臺的安全性。該試驗臺的使用極大地提高了閘板體生產效率。

防噴器；試驗臺；設計

對于制造商來講，防噴器閘板體的試驗具備以下特點：閘板體作為防噴器的主要配件和關鍵控壓件，訂貨量很大，尤其是變徑或剪切閘板體在出廠前均要進行密封或剪切等試驗，需要占用多種不同規格的防噴器來進行試驗，造成成本的長期占用。另外，在進行閘板體試驗時，需要對試驗用防噴器的側門螺栓反復拆卸，操作者勞動強度大。鑒于以上特點，設計了閘板體萬能試驗臺，同時采用有限元方法對試驗臺進行了優化設計［1］。該試驗臺具有成本低、試驗范圍廣、勞動強度低、安裝簡便、安全性高等特點。本文采用三維建模和有限元計算方法進行設計和分析，避免了以前根據經驗和機械設計手冊推薦公式近似計算導致設計周期長、安全性低、設計尺寸過大、浪費成本、不能全面了解裝置受力的薄弱環節，無法準確制定出裝置復驗的關鍵位置，長期使用會造成安全隱患等問題。有效地解決了以上問題，達到了預期的效果。

1　結構及優點

通常情況下，防噴器閘板體出廠試驗，主要與壓力等級、通徑大小、閘板腔大小、液缸直徑、閘板體在閘板腔內的運動行程等數據有關，設計一種防噴器閘板萬能試驗臺，使結構滿足相關技術要求。以長圓腔閘板體的出廠試驗所需的裝置為例，萬能試驗臺的結構［2］如圖1。

圖1　閘板體萬能試驗臺主視圖

閘板體萬能實驗臺主要有5大優點：

1） 閘板體的關閉和開啟采用液壓開關，不僅可以通過數字化控制系統調節油壓數值，精確模擬各種閘板體的關閉壓力，還可以減輕操作者的勞動強度，避免操作者采用機械的方法關閉、開啟閘板體。

2） 側門與殼體采用對角活塞桿連接，可以同時滿足長圓形閘板體和矩形閘板體試驗時的安裝和拆卸要求：長圓閘板體的安裝方式為垂直于試驗臺的水平面方向；矩形閘板體的安裝方式為平行于閘板體水平面方向。

3） 側門殼體定位連接采用銷軸連接，既可以快速完成側門的打開與關閉，還能降低采用常規側門螺栓，預緊與拆卸側門螺栓時操作者的勞動強度。

4） 通過更換轉換連接軸來改變不同規格閘板體的行程，改變了常規依靠更換活塞軸來改變閘板體的行程，大幅降低操作者的勞動強度。

5） 通過更換轉換腔體可以進行各種規格的閘板體出廠試驗，既節約了制造不同規格試驗殼體的成本，又可以為擴展其他規格閘板體的試驗提供專用裝置。

2　工作原理

防噴器閘板體萬能試驗臺的工作原理分為油路工作原理和閘板體密封工作原理。

防噴器閘板體試驗臺的油路有兩條，分為開關側門和開關閘板油路，分別控制側門的開、關和閘板體的開關。開關側門油路原理為：液壓油通過進油孔1、2進入缸筒，推動缸筒內的活塞桿，帶動缸筒連接的側門，一起往復運動，從而實現側門的開關運動；開關閘板體油路原理為：液壓油通過進油孔3、4進入液缸，推動液缸內的活塞軸，帶動活塞軸連接的閘板體，一起往復運動，從而實現閘板體的開關運動，如圖2所示。

圖2　防噴器閘板萬能試驗臺油路原理

閘板體密封的工作原理如圖1所示，壓力通過試驗臺下部的升高短節傳遞到轉換腔體內，兩者之間通過密封墊環密封，兩件閘板體在轉換連接軸的推動下向中心運動，關閉后閘板體的前密封和頂密封形成密封環帶，密封閘板下部的壓力，同時轉換腔體和側門之間的密封、活塞軸和側門之間的密封由其他密封件進行密封，保證壓力無泄漏，從而完成閘板體的出廠試驗，此外需要進行剪切試驗的閘板體，可以由兩端的液壓缸提供完成剪切試驗所需要的剪力，升高短節和轉換腔體由螺栓螺母連接，側門和試驗臺外殼由銷軸連接，對角安裝兩活塞桿，能夠同時滿足長圓、矩形閘板體的安裝和拆卸要求。

3　相關設計參數的確定

閘板體萬能試驗臺的設計理念是滿足多種系列和壓力等級閘板的試驗要求，為此對影響閘板體試驗的重要參數，例如試驗壓力、閘板體的行程、關閉閘板的壓力等進行分析，確定試驗臺的最小設計壓力、轉換連接軸、閘板軸活塞的直徑。

3．1 確定最小承受壓力

防噴器閘板體的規格和種類有多種，按照平行于側門面方向的截面外形區分，主要有矩形和長圓形；根據產品系列［3］，對閘板體的相關參數進行分析，確定試驗臺的轉換腔體承受的最小壓力等級，如表1所示。該試驗臺可完成通徑最大680mm，壓力最大可達到140 MPa防噴器閘板體的試驗，覆蓋了API16 A規定的所有型號防噴器的閘板體。

表1　防噴器閘板體萬能試驗臺基本參數

3．2 計算轉換連接軸長度

閘板體在閘板腔內的運動起始點，主要與試驗臺的運動行程相關，關閉時確保兩件閘板體的前端部能夠充分接觸，是管柱和閘板體密封的基礎，是閘板體密封的關鍵，閘板體的行程對于試驗臺設計非常關鍵。每種規格的閘板體在防噴器內的行程不同，而行程又與試驗臺相關零部件的尺寸有關，如圖3所示。

式中：L為裝置的總體長度；L5為閘板體的有效長度；L4為轉換連接軸的長度；L3為側門的厚度；L2為液缸的有效長度（去除缸蓋和側門的密封臺階）；L1為缸蓋的厚度；x為閘板體的行程。

分析式（1）～（2）得出，閘板體的行程與圖3中涉及到行程的零部件有關，通過調整這些零部件的長度，就可以調整防噴器的行程。閘板體萬能試驗臺裝配完成后，由于轉換連接軸比其他零件的拆卸和安裝簡便，勞動強度低，所以，通過調整轉換連接軸長度（L4）來得到想要的閘板體行程。河北華北石油榮盛機械制造有限公司生產的28系列防噴器的長圓形和矩形閘板體的行程x分別為185mm和175mm，通過式（3）計算得到閘板體萬能試驗臺中滿足外形為長圓形閘板體試驗的轉換連接軸長度L4＝695mm；滿足外形為矩形的閘板體試驗的轉換連接軸長度L4＝702mm。經計算，其他系列防噴器閘板體的行程尺寸及其試驗配套的轉換連接軸長度如表2。

表2　防噴器閘板體萬能試驗臺轉換連接軸參數

圖3　閘板體萬能試驗臺閘板運動行程

3．3 設計試驗臺中主活塞的直徑

防噴器閘板體的關閉壓力主要由防噴器的關閉腔油壓與關閉腔活塞的有效面積的乘積決定，大多數關閉腔的油壓為8．4～10．5 MPa（剪切油壓力除外），由此得出關閉腔壓力主要由關閉腔活塞受油壓的有效面積決定。各系列防噴器的關閉腔活塞受力的有效面積差別較大，但是試驗臺設計完成后，關閉腔活塞受力的有效面積也確定，只能調整關閉油壓的大小來得到各系列防噴器的關閉壓力值。油壓的數值需要壓力表和傳感器來讀取，考慮到GB／T20174—2006中規定壓力值應在壓力表滿量程的25%～75%，經計算，最終所得試驗臺中主活塞的直徑為420mm，可以提供各系列防噴器的關閉壓力。

4　主要承壓件有限元計算分析

依據萬能試驗臺的結構特點，試驗臺中主要的承壓件為轉換腔體和側門。由表1數值比較知，閘板外形為矩形的防噴器，其轉換腔體的設計壓力比同一規格的長圓形的設計壓力值要小。轉換腔體要分別滿足閘板外形為矩形和長圓形的最大壓力數值，根據ASEM鍋爐及壓力容器規范，通過對其進行有限元計算分析［4］，保證了在額定工作壓力下的可靠性，為裝置的設計提供了理論依據。

防噴器閘板體萬能試驗臺中側門承受壓力的面積為固定值，側門的壁厚要能滿足表1中部分閘板體額定壓力的最大值，即140 MPa。

4．1 有限元模型

4．1．1 網格化分

分別對試驗臺的轉換腔體和側門進行有限元模擬分析計算，采用自由網格進行劃分，并對部分應力集中區域進行細化處理，材料采用彈性模型定義，其有限元模型如圖4～5。

圖4　側門的有限元模型

圖5　兩種轉換腔體有限元模型

4．1．2 邊界條件和施加載荷

分別在側門的上、下面和轉換腔體的下面施加位移約束，在側門和轉換腔體的受力面（如圖4～5箭頭所指的面）按照上述建模參數施加靜水壓強度試驗壓力（額定工作壓力的1．5倍），側門210MPa（140MPa的1．5倍）、轉換腔體按照各個腔體的大小和閘板體額定工作壓力的1．5倍選取。

4．2 模型有限元計算和強度校核

轉換腔體和側門的平面圖如圖6～7，決定轉換腔體和側門強度的關鍵尺寸為最小截面厚度D（轉換腔體的最小厚度）和H（側門的最小厚度）。

圖6　轉換腔體的最小厚度

圖7　側門最小厚度

通過對不同尺寸的D、H進行有限元模擬計算，確定H＝350mm、D＝330mm，對該結構依據API Spec16A中對井口承壓件的設計方法進行強度校核，由應力云圖可知，應力較大處為截面Ⅰ①、Ⅱ②、Ⅲ③三處，如圖8。

圖8　側門和轉換腔體的應力云圖

依據ASMEⅧ是鍋爐及壓力容器的類構件強度判定依據和設計準則和規范要求，壓力容器在靜水壓強度試驗壓力下，Pm＜0．67Rp0．2時，Pm＋Pb≤1．35Rp0．2；當0．67Rp0．2＜Pm≤0．9Rp0．2時，Pm＋Pb≤2．35Rp0．2－1．5Pm。

因此在額定工作壓力下，得到以下公式：

式中：Pm為薄膜應力；Pb為彎曲應力；Rp0．2為材料的屈服強度；Sm為設計應力。

將表3～5的數據中Pm的數值代入式（4）（材料的屈服強度取517MPa），經驗證滿足式（4）的條件，再將Pm＋Pb的數值代入公式（5）～（6）中，滿足要求，符合ASEM規范要求。

表3　側門應力及位移計算結果

表4　轉換腔體應力及位移計算結果（矩形腔）

表5　轉換腔體應力及位移計算結果（長圓腔）

5　結論

1） 防噴器閘板萬能試驗臺的結構設計合理，能夠滿足多種規格的變徑、剪切等閘板體的出廠試驗，也可以用于深海防噴器的閘板體的出廠試驗。

2） 在滿足使用功能的前提下，便于操作者安裝、拆卸，無側門螺栓和開關活塞桿對角設計，大幅降低了操作者的勞動強度。

3） 經過對試驗臺主要零部件進行有限元分析和驗證試驗，綜合考慮了尺寸、質量、安全系數、最大變形量等，減輕了試驗臺的質量，節約了成本，確保試驗臺的安全可靠。分析了該試驗臺的危險區域，為以后定期復檢提供了理論依據。

［1］ ASME Boiler and Pressure Vessel code（SectionⅧ．Di-vision 2）［S］．The American Society of Mechanical En-gineers，2004．

［2］ GB／T 20174—2006，石油天然氣工業鉆井和采油設備鉆通設備［S］．

［3］ 《機械設計手冊》編委會．機械設計手冊［K］．北京：機械工業出版社，2012．

［4］ 孟慶榮，鄭傳周，翟桂新，等．2FZ54-35型雙閘板防噴器殼體優化設計［J］．石油礦場機械，2011，40（1）：63-66．

［5］ 張永澤，梁政，蔣發光，等．復雜結構有限元分析強度判定方法［J］．石油礦場機械，2009，38（5）：5-8．

Design of BOP Ram Omnipotent Test Rig

ZHOU Liming1，YANG Yongning1，LIU Hui1，XU Mao2，QI Ruiqian3
（1．Hebei Rongsheng Manufacture Ltd．of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China；2．Sichuan Kete Petroleum Well-Control Quality Inspection Center，Deyang 618300，China；3．Electronic Technology Research Institute of China Aviation Industry Thunder，Wuxi 214063，China）

In order to solve the problems of capital to take up and highmanpower for BOP assem-bly and disassembly for ram factory test and fatigue test，the omnipotent test rig is designed．Its structure is simple and it canmeet the test requirements of different type and pressure grade ram．The body and the bonnet are assembled with lock bars to be easy for assembly and disassembly．When different type ram is tested，only conversion body and piston shaft are replaced，the cost is dramatically reduced．By using finite element simulation analysis，the pressure-containing parts are checked and the safety of test rig is secured．The design of the test rig increases the efficiency of rammanufacturing．

BOP；test stand；design

TE921．507

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．008

1001－3482（2015）08－0034－05

①2015－02－04

國家科技重大專項“深水半潛式鉆井平臺及配套技術”（2011ZX05027-001）

周利明（1980-），男，河南浚縣人，工程師，2005年畢業于河南科技大學機電工程學院，現主要從事井控產品的研究工作，Email：zhoulm1815＠sina．com。