TRIZ理論在旋轉防噴器冷卻結構設計中的應用

趙航博，葉文勇，章東哲

(1.中國石油集團 川慶鉆探工程有限公司，成都 610051；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018)

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TRIZ理論在旋轉防噴器冷卻結構設計中的應用

趙航博1，2，葉文勇1，2，章東哲1，2

(1.中國石油集團 川慶鉆探工程有限公司，成都 610051；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018)

摘要：將TRIZ理論應用在旋轉防噴器冷卻結構設計中，利用物-場分析法和阿奇舒勒矛盾矩陣法，參考TRIZ理論的76種物場分析的一般解法和40條發明原理，經歷二次優化設計，提出了2種旋轉防噴器冷卻結構。通過綜合評價，優化篩選出最適合XK28-35-7/14型旋轉防噴器的冷卻結構。

關鍵詞：旋轉防噴器；冷卻結構；TRIZ理論

TRIZ理論(發明問題解決理論)是由前蘇聯發明家根里奇.阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在1946年創立的。阿奇舒勒和他的團隊研究了世界各地250萬份高水平專利，總結出各種技術發展進化遵循的規律模式，并綜合多學科領域解決各種技術矛盾和物理矛盾的創新原理和法則而建立起來的一個由解決技術問題，實現創新開發的各種方法、算法組成的綜合理論體系[1-2]，TRIZ理論涉及的技術領域比較廣泛，適合在機械設計中參考[3]。

旋轉防噴器在鉆井過程中安裝在井口防噴器組最上端，其作用是隨鉆具一起旋轉的同時對井口實現動態密封，是欠平衡鉆井、控壓鉆井等新鉆井工藝不可缺少的重要設備。旋轉防噴器在使用過程中，實現旋轉和動態密封井口2個功能，其內部結構包含軸承組件和動密封組件。旋轉防噴器在運轉過程中發熱是不可避免的，包括動密封處發熱和軸承發熱，溫度過高會影響動密封的可靠性和軸承使用壽命，甚至導致整機性能下降[4-7]，所以一套結構合理、冷卻效果良好的冷卻系統是旋轉防噴器不可缺少的一部分。

1存在問題

本文以XK28-35-7/14型旋轉防噴器(如圖1)為例，其技術參數如表1。該型號的冷卻結構分布在軸承座內部，入口處連接一根銅管，改變了循環液進入冷卻腔的位置，從而兩側流體并聯繞軸180°自下而上，然后經出口流出，保證了冷卻液循環路徑盡量覆蓋所有的待冷卻區域，如圖2所示。

圖1　XK28-35-7/14型旋轉防噴器

圖2　XK28-35-7/14型旋轉防噴器冷卻結構

主通徑/mm(英寸)280(11)底部法蘭/(mm/MPa)280/35中心最大通徑/mm195工作壓力/MPa最大動壓7.0最大靜壓14.0密封鉆具規格/mm(英寸)108.0(4)、133.4(5)六方鉆桿;101.6(4)、127(5)鉆桿工作介質空氣、泡沫、各種鉆井液動密封工作溫度/℃≤100

該型號旋轉防噴器存在冷卻效果較差，導致工作動壓低，最高只能達到3.5MPa，而其設計工作動壓是7MPa，未能達到設計要求，如表2。冷卻區域溫度不均勻，其周向溫度存在較大的差異，圖2中 A、C區域的溫度比B、D區域的溫度高出15～20 ℃。如果再將工作動壓提高，軸頭溫度會急劇上升，使得動密封組件密封失效，甚至動密封被高溫燒變形。

表2　室內試驗冷卻效果性能參數

2方案提出

利用TRIZ所提供的物-場分析法進行優化設計。根據以上所述，可將問題總結為冷卻效果是可以的，但是未能達到預期設計的效果。故確定該模型為“效應不足的完整模型”，效應不足的完整模型是指構成物-場模型的元素是完整的，但有用的場F效應不足，比如太弱、太慢等[1]。如圖3所示。

F1—原外圍冷卻場；S1—軸頭溫度；S2—冷卻結構。

解決效應不足的完整模型，有3個一般解法，即一般解法4、5、6，如表3。在此選用一般解法6，即插進一個元素S3，并引進一個場F2來提高有用效應。根據旋轉防噴器旋轉總成的結構特點，在軸的內部設置一定數量的軸向液體流道，作為新增的冷卻結構元素S3；同時S3和S2建立聯系，并新增了一個旋轉總成內側冷卻F2場，可以大幅度地增強冷卻效果，建立新的物-場分析圖，如圖4所示。

表3　效應不足完整模型的一般解法

S3—軸內部液體流道；F2—新增內側冷卻。

具體實施方案1如圖5所示。保留原軸承座內部的冷卻結構S2，旋轉軸內部均布若干個軸向深孔S3，并利用上、下壓套的徑向孔連接了S2和S3，使其構成一個完整的循環通道。由于軸上新增的流體通道是均勻分布在軸的周向，這樣就可以解決冷卻不均勻的問題。軸屬于旋轉部件，那么S3也隨之旋轉，構成一個內側動態冷卻，新增的F2和原有的F1從內外兩側同時冷卻，共同作用會增強冷卻效果。

1—軸；2—動密封組件；3—上壓套；4—O型密封圈；5—軸承座；6—O型密封圈；7—外殼；8—軸承；9—下壓套；10—O型密封圈。

但是由于新增的S3需要旋轉，就需要在上下兩端分別增加1組動密封組件來實現對其的動態密封。然而動密封工作時具有液體外滲的特點，也就是說油腔的油會向冷卻腔滲漏，會造成冷卻液黏度增大影響冷卻效果，冷卻液也會進入油腔影響軸承潤滑。這樣就需要對控制系統油箱和冷卻液箱體內的液體進行定期的更換，增加了現場工作量。故方案1的運行可靠性不高，同時也增加了加工成本和使用成本。

利用阿奇舒勒矛盾矩陣法，解決方案1所存在可靠性較低的問題，部分阿奇舒勒矛盾矩陣如表4。TRIZ理論總結出39個通用工程參數，并歸納出40條發明原理(如表5)。將該39個通用工程參數橫向、縱向順序排列，構成阿奇舒勒矛盾矩陣，橫向代表防惡化參數，縱向代表欲改善的參數，在工程參數縱橫交叉的方格內的數字代表建議使用的40個發明原理序號[2]。首先根據TRIZ的要求，在使用矛盾矩陣前應確定出“防止惡化的參數”和“欲改善的參數”。希望再次通過改變旋轉防噴器冷卻系統的結構以尋求最佳理想的解，那么需要改善其“形狀”來提高設備運行的可靠性。

在此“27可靠性”作為防惡化參數，“12形狀”作為欲改善的參數，根據表4，TRIZ提示使用表5中的發明原理10、16或者40，進行該技術問題的解決。依據上述3種發明原理，通過大量的方案構思和篩選，最終選用第16條發明原理，即部分超越法。

表4　部分阿奇舒勒矛盾矩陣

表5　部分TRIZ的40條發明原理

現對F1和F2的優點進行提取，然后使其局部化，使得部分實現“超越”。F1的優點在于不參與旋轉，不需要動密封，也就能避免液體互相擴散的問題，F2具有圓周均布的液體流道，可避免冷卻不均勻、冷卻效果差的問題。根據TRIZ的提示，可以在原冷卻結構的基礎上設置一定數量的圓周均布的液體流道，將F1和F2的優點集聚在軸承座內部實現部分超越，如圖6所示。具體實施方法為將軸承座設計成分體式，由內座和外筒組成，其中內座圓周均布若干個軸向槽子，槽子在上下兩端交替連通，并保留一個不連通，作為冷卻液的入口槽和出口槽。然后內座、外圓花鍵槽和外筒的內徑配合出一個上下反復循環的液體通道，從而使得冷卻液順著該通道強行循環一周，保證冷卻無死角。但是該冷卻結構只是對發熱區域的外側進行冷卻，冷卻效果不及方案1，但可靠性較高。

1—外筒；2—內座；3—上部連通槽；4—冷卻液入口；5—冷卻液出口；6—上下均不開連通槽的外圓；7—內座花鍵槽；8—外圓花鍵槽；9—下部連通槽。

3方案優選

分別從加工難易程度、加工成本、使用成本、工作可靠性以及冷卻效果5個方面對2種方案進行對比，綜合評價，如表6。2種方案的加工難度都相當大，方案1多出2組動密封組件，加工配套成本較高，并需要定期更換油箱以及冷卻液箱內的液體介質，使用成本高，且可靠性較差；但方案1的冷卻效果卻是最好的，適應于更高壓力等級的旋轉防噴器冷卻結構。XK28-35-7/14型旋轉防噴器屬于低壓旋轉防噴器，選用方案2不但能提高設備運行的可靠性，還可以節約成本。因此選用方案2作為該型旋轉防噴器的冷卻結構。

表6　2種方案對比

4結論

利用TRIZ理論的物-場分析法和阿奇舒勒矛盾矩陣法，對旋轉防噴器冷卻結構進行優化設計，提出了2種旋轉防噴器冷卻結構。從加工難易程度、加工成本、使用成本、工作可靠性以及冷卻效果5個方面綜合評價，最終優選出最適合XK28-35-7/14型旋轉防噴器的冷卻結構，并達到了預期的設計要求。

參考文獻：

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[8]GB/T25430―2010，鉆通設備 旋轉防噴器規范[S].

TRIZTheoryinRotatingBOPCoolingStructureDesign

ZHAOHangbo1，2，YEWenyong1，2，ZHANGDongzhe1，2

(1.Chuanqing Drilling Engineering Company Limited，CNPC，Chengdu 610051，China；2.State Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development，Xi’an 710018，China)

Abstract：TRIZ theory is applied in rotary BOP cooling structure design，namely the use of the substance - field analysis and contradictions altshuller matrix method，respectively with reference to the 76 kinds of general solution of the object field analysis of TRIZ and 40 invention principle，through the second optimization design two kinds of rotary blowout preventer cooling structure are proposed，through comprehensive evaluation，and optimization the most suitable XK28-35-7/14 rotating BOP cooling structure is selected.

Keywords：rotary blowout preventer；structure；cooling；TRIZ theory

文章編號：1001-3482(2016)06-0047-04

收稿日期：2015-12-04

作者簡介：趙航博(1986-)，男，陜西禮泉人，工程師，主要從事井下工具及鉆井輔助設備的研發工作，E-mail：zhaohb_gcy@cnpc.com.cn。

中圖分類號：TE931.1

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.010