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環形防噴器是石油及天然氣鉆井工程中必備的設備，它具備有效封閉井口裝置、防止鉆井時井噴以及處理其它復雜情況等功能。其特點是承壓高、操作方便、安全可靠、結構緊湊、開關迅速，特別適用于密封各種形狀和不同尺寸的管柱，也可全封閉井口。

采用美國Hydril公司的先進技術，公司成功研制了卡塊式錐形防噴器。其包括殼體有限元分析計算、錐形膠芯的研究、卡塊式結構的設計。該結構與大絲扣式錐形防噴器相比，具有制造容易、拆裝方便等特點；與法蘭連接式錐形防噴器相比，具有省力省時等特點；與球形防噴器相比，具有活塞壽命大大延長、膠心成本低等特點。這不僅非常有利于塔里木油田市場，而且為企業帶來明顯的經濟和社會效益。

設計巧妙    操作方便

卡塊式錐形膠芯環形防噴器主要由殼體、頂蓋、膠芯及活塞四大件組成，如圖1。

殼體結構特點  錐形膠芯環形防噴器的外殼（殼體與頂蓋）均為合金鋼鑄造成型，并經熱處理，制造較易，成本較低。具有以下特點：殼體用合金結構鋼鑄造，熱處理后表面硬度小于HRC22，適合于H2S環境使用；頂蓋內腔頂部與膠芯支承筋頂板相接觸的摩擦面裝有可拆卸的耐磨環，保護頂蓋，便于更換；頂蓋上開有活塞行程測檢孔，以測量膠芯壽命；出廠前對殼體進行聲發射試驗，以檢查隱蔽的裂縫及其它缺陷。并按API規定進行水壓強度試驗。

錐形膠芯結構特點  一是膠芯外側面呈圓錐形，錐面母線與膠芯軸線夾角為200～250。膠芯由12～30塊（成偶數）鑄鋼支承筋與橡膠硫化而成，支承筋沿圓環呈徑向輻射狀配置，橡膠硫化在支承筋腹板的四周，如圖2。

二是井壓助封。封井時，活塞在液控壓力推動下向上運動，推擠膠芯，膠芯向心收縮，支承筋相互靠攏，支承筋之間的橡膠被擠向井口，形成初步密封。作用在活塞下端面上的井內壓力也推動活塞上行，使膠芯封閉得更緊密，從而提高了膠芯的密封性能。

三是儲膠量大。膠芯各筋板之間的橡膠均可擠向井口形成密封，其膠量比需要封閉的空間容積大得多。因此，它可以封閉不同形狀、不同尺寸的鉆具，也可全封閉井口。由于儲膠量大，如膠芯損壞不嚴重，仍可密封。

四是壽命可測。環形防噴器在工作過程中，膠芯不斷磨損，需要靠增加活塞行程，多擠出儲備橡膠來填補，當活塞行程達到最大值（即活塞走到上頂點），或者膠芯支承筋的上、下兩端分別靠緊時，說明膠芯的儲備橡膠已使用完，即使增大液控壓力，膠芯也不能可靠密封。因此，可以通過測量活塞行程來測量膠芯的壽命。

五是膠芯工作以后逐步收縮，能完全恢復到原來狀態，不影響鉆具通過。液控壓力、井內壓力越高，封井時間越長，則膠芯完全恢復原態所需時間也越長。

六是更換膠芯容易。井內無鉆具時，只要打開頂蓋，即可更換。即使在井內有鉆具的情況下，也可用切割方法更換膠芯。

殼體與頂蓋的連接  爪塊連接。由爪塊、爪塊螺桿、爪塊支護螺釘及密封圈等組成，如圖3。每臺各20件，沿環狀配置。卸頂蓋需分別將20個爪塊螺桿擰出四圈，使爪塊從頂蓋鋸齒槽中退出，即可吊起頂蓋。裝回頂蓋按反程序進行，擰緊爪塊螺桿的扭矩只需300～400磅/英尺。

活塞結構特點  活塞上部內腔為圓錐形，母線與軸線的夾角為20°～25°，與膠芯背錐面相配。由于錐度較小，封閉所需的活塞軸向上推力也小，但相應活塞行程要增加。因此，活塞的這種特殊結構，導致自身上、下封閉支承部位間距大，扶正性能好，不易卡死、偏磨、拉缸或粘合，增加密封壽命。 

采用殼體有限元分析計算易于制造

殼體有限元分析計算  按照API Spec 16A對承壓件殼體材料的選用要求，選用ZG25CrNiMo制造殼體，調質處理硬度為197～235HB。確定防噴器的公稱通徑為φ346.1mm，額定工作壓力為35MPa后，按照強度和結構要求進行結構設計。為方便防噴器的安裝與拆卸，采用殼體卡塊式結構形式。殼體的三維模型如圖4。

錐形防噴器在實際工作中是否滿足強度要求，需要采用有限元法對殼體進行力學分析計算。按照靜水壓試驗條件下的單元數值及云圖，對殼體按API Spec 16A的標準進行分析和強度驗算。

錐形防噴器殼體其力學性能參數如表1。

在靜水壓試驗壓力載荷狀態下（52.5MPa），殼體上端與內腔面相貫處應力達到377.2MPa（如圖5），小于屈服極限517MPa，不會發生塑性變形。實際上由于該處的密封件以及倒角可避免應力集中的方法，此處的應力明顯小于計算的單元應力。按照ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅷ卷第2分冊附錄4[2]-ASME規范應力分類的理論，殼體受內壓時，該處有凸曲的趨勢，承受較大的拉應力，且結構不連續，其最大應力點的等效應力是由一次薄膜應力σm、一次彎曲應力σω疊加而成的。而對水壓試驗的容器，試驗應力下的強度條件為σm+σω≤1.35σs=697.95MPa。

計算值為σm+σω=377.2MPa＜697.95MPa，在靜水壓試驗壓力下，設計強度符合API規范。

錐形膠芯的研究  錐形膠芯采用壓鑄成型，因其形狀復雜，性能要求高。首先要使鐵心精確定位。第二，要使橡膠流動順利，填滿所有空間，形成相互聯通的密封件整體。第三，計算型腔尺寸和橡膠收縮率。

錐形膠芯封井效果的好壞，在很大程度上取決于錐形膠芯中橡膠儲量的多少。為保證密封可靠，必須具有足夠的儲膠量和較大的儲膠比。但是增大儲膠比，鐵芯尺寸必將相應減小，從而影響鐵芯強度和膠芯承載能力。為此要合理設計儲膠量和鐵芯。

全封井口（封“零”）時，橡膠變形最大，橡膠之間以及橡膠與鐵芯粘結面之間的撕扯力最大；鐵芯外錐面接觸面積最小，單位面積承受壓力最大，兩鐵芯之間要擠出最多橡膠，使鐵芯連接板兩側平面承受擠壓力最大。故全封井口時，鐵芯工況最惡劣。

有限元分析表明，鐵芯危險部位在上板塊中部，連接板內側應力較小。可增大連接板外側厚度和減小連接板內側厚度，適當增大上板塊側面的斜角和各過渡處的圓角半徑。用這些結論指導設計，由此增加了鐵芯強度、增大了儲膠量、提高了鐵芯與橡膠的粘結力。

工藝方案理想   省時省力

 一是殼體內腔密封面采用金屬粉末為原料，運用超聲波和加熱壓縮空氣為動力進行熱噴涂焊的噴焊處理，具有耐磨、耐腐蝕等特點。

二是根據殼體結構特點及技術要求進行了工藝性分析并擬訂了工藝方案。基于數值模擬技術對鑄件的熱節部位、冒口的補縮能力等進行了數值模擬，根據模擬結果探明了工藝熱節和鑄造缺陷產生原因，并通過反復修改工藝參數對工藝進行了改進，得到了較為理想的工藝方案。這對縮短試驗周期，減小同類型產品冒口尺寸，提高工藝出品率，節省原材料等有著重要的意義。

三是環型膠芯變形大、彈性性能好、抗撕裂性能高。因此，橡膠硬度和強度是關鍵，在上述要求和各部位截面尺寸變化大、厚度不均的情況下，選用何種促進劑、硫化溫度和時間，以保證膠芯各截面硫化一致，都能達到正硫化而不過硫或欠硫是硫化工藝的關鍵。

四是通過對膠芯密封、失效機理的分析，得出膠芯失效是強機械力作用下的膠芯低周疲勞損傷失效的結論。對今后膠芯結構設計，降低機械力造成的破壞，延長膠芯使用壽命有指導意義。

五是頂蓋與殼體之間設有上、下兩道密封環，方便在更換膠芯時，油缸不致污染。

按照API Spec 16A推薦標準，對卡塊式錐形膠芯環形防噴器FH35-35進行了整體（殼體及頂蓋）強度、液控油路及油缸強度（打開腔及關閉腔）、封隔φ127mm（5英寸）管柱試驗、封零（空井）試驗和通徑試驗，均符合標準要求，主要承壓件無裂紋、密封件無撕裂等現象。