方钻杆旋塞阀失效的力学机理
方钻杆旋塞阀的失效与受力分析

旋 塞 阀等在关 键 时刻 不 起 作 用 , 对人 员 、 备 、 将 设 油 气井 和环境 的安全 造 成 极 大 的威 胁 , 至 带 来 灾 难 甚 性 的后 果 , 见方 钻 杆 旋塞 阀在 确 保钻 井 安 全 作 业 可 中起 到十分 重要 的作用 。如何 提高 其工 作可靠 性 是
2. H ua e t o e m b iPe r l u Admi sr to nit a i n Bur au, e i e R nq u 062 00, Chi a) 5 n
Ab ta t:Ai ng a he c us so ly t p— a v a v n us sr c mi t t a e fke l a v l e v l e i e,t ta e c a k ofv l ebo ha r r c a v dy,v l e av b l i mo a l y a d i biiy t t n r s ur al m v bii n na lt o s a d p e s e,t n l i nd s ud e v e n d e The t he a a yss a t i s ha e b e on .
方 钻 杆 旋 塞 阀 的 失 效 与 受 力 分 析
谢 娟 王 德 玉 李 才 良 王启 颜 , , ,
(. 南 石 油大 学 机 电工 程 学 院 , 都 6 00 ;. 北 石 油 管 理 局 , 北 任 丘 0 2 0 ) 1西 成 15 0 2 华 河 6 50
摘 要 : 对现 场使 用的 方钻杆 旋塞 阀主要 存在 阀体 断裂 、 针 高压 下 阀球 转 不动 和主 密封试 压无压 力等 问题 , 方钻杆 旋 塞 阀各种 失效的 原 因进 行 了分析 , 其 受 力情 况进 行 了研 究 , 对 对 并提 出了结 构 改进
苏里格地区钻具失效机理及预防措施

苏里格地区钻具失效机理及预防措施华建军;谷振乾;孙继光;郑伟;赵映辉【摘要】对2010年上半年苏里格地区所发生的钻具失效事故进行了数据收集和统计分析.统计表明,该地区最为常见的钻具失效类型依次为钻杆的疲劳/腐蚀疲劳失效、钻铤螺纹接头的疲劳/腐蚀疲劳失效和钻杆管体过载断裂失效3种.简单分析了导致这3种失效的原因,并提出了有效的预防措施.【期刊名称】《钢管》【年(卷),期】2012(041)004【总页数】5页(P49-53)【关键词】油气开采;钻具;钻杆;钻铤;疲劳失效;腐蚀疲劳失效;过载断裂;失效分析【作者】华建军;谷振乾;孙继光;郑伟;赵映辉【作者单位】中国石油集团长城钻探工程有限公司钻具公司,辽宁盘锦124010;中国石油集团长城钻探工程有限公司钻具公司,辽宁盘锦124010;中国石油集团长城钻探工程有限公司钻具公司,辽宁盘锦124010;中国石油集团长城钻探工程有限公司钻具公司,辽宁盘锦124010;西安摩尔石油工程实验室有限公司,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TG921+.2内蒙古苏里格地区在进行油气钻采开发过程中频繁发生井下钻具失效,其失效形式主要是钻具疲劳刺穿/断裂、钻具过载断裂、钻具过度磨损、钻具脆性断裂等。
钻具失效事故的发生给钻井生产带来极大的安全隐患,也在很大程度上阻碍了钻井提速,增加了油田的开采成本。
本文将根据统计出的苏里格地区的钻具失效数量和类型,分析该地区钻具失效事故发生的主要原因,其目的在于预防并减少该地区钻具失效事故的发生。
苏里格地区在2010年3—7月期间共发生钻具失效事故22起:钻铤接头螺纹根部的疲劳断裂失效事故7起,钻杆接头螺纹根部的疲劳断裂/刺穿失效6起,钻杆加厚过渡带的疲劳断裂失效事故4起,钻杆管体的过载断裂失效2起,钻铤接头螺纹脱扣事故1起,其他失效事故2起。
其中,失效比例最高的3种失效类型依次为钻杆疲劳失效、钻铤螺纹接头疲劳失效和钻杆管体过载失效,分别占钻具总失效比例的45%,32%,9%,如图1所示。
方钻杆旋塞阀维修工艺的研究

方钻杆旋塞阀维修工艺的研究作者:史辉崔海龙王军汪晶晶袁丹丹来源:《科学与技术》 2019年第1期摘要:方钻杆旋塞阀是钻井过程中必不可少的内防喷工具之一。
由于方钻杆旋塞阀的使用频率较高再加之工作环境恶劣,使用保养不及时或不当操作等诸多因素的影响,所以损坏较为普遍。
对于损坏的旋塞阀如能及时的进行修复,则是节约挖潜的一个重要手段,同时也是为企业创效的一个基本途径。
本文介绍了方钻杆旋塞阀结构、工作原理及主要失效原因,在此基础上制订了一套切实可行的修理工艺方和研制了一套方钻杆旋塞阀专用维修工具,从而提高修理效率和保证修理质量。
此外本文还给出了方钻杆旋塞阀日常维护管理建议。
关键词:方钻杆旋塞阀;失效原因;修理工艺;旋塞阀专用维修工具。
随着油田高压油气田的开发,油气井压力不断增大,易发生溢流或井涌等安全事故。
方钻杆旋塞阀是必不可少的内防喷工具,它在发生溢流或井涌时能有效防止地层流体沿钻柱水眼向上喷出。
同时,方钻杆旋塞阀在钻井作业中,水龙带、高压管汇损坏时,可关闭该装置,进行更换或修复。
由于方钻杆旋塞阀的使用频率较高再加之工作环境恶劣,使用保养不及时或不当操作等诸多因素的影响,所以损坏较为普遍,损坏数量也比较大。
对于损坏的旋塞阀如能及时的进行修复,则是节约挖潜的一个重要手段,同时也是为企业创效的一个基本途径。
然而,方钻杆旋塞阀一经损坏,在修复起来很不容易,特别是在球阀及阀座的取出上非常困难。
为此,研究方钻杆旋塞阀维修工艺和研制方钻杆旋塞阀专用维修工具非常重要。
1、方钻杆旋塞阀结构和工作原理方钻杆旋塞阀是钻柱循环系统中的手动控制阀,是防止井喷的有效工具之一。
方钻杆旋塞阀分为上部方钻杆旋塞阀和下部方钻杆旋塞阀两种,上部方钻杆旋塞阀用于水龙头下端和方钻杆上端之间,下部方钻杆旋塞阀用于方钻杆下端和钻杆上端或方钻杆保护接头的上端之间。
用专用扳手按指示要求转动操作键90度即可实现开关。
在钻井作业中,为避免井喷恶性事故的发生,均应在方钻杆上、下两端组接方钻杆旋塞阀。
石油钻采设备用阀杆断裂失效分析_刘国永

轴剪切强度与阀杆最大扭矩的关系。 已知安全轴销最大剪切强度为 599 N / mm2 ,即
销轴剪切断裂时剪切力为:
F = τS
( 1)
式中: F 为剪切力,N; τ 为剪切强度,N / mm2 ; S 为销
轴横截面积,mm2 ; 轴销断裂时的外加扭矩为
T = 2F·R
( 2)
式中: T 为扭矩,N·m; F 为剪切力,N; R 为销轴处
进行了宏观、微观及化学成分分析。结果表明,阀杆的化学成分基本符合要求,阀杆断裂与其强度
不高及局部严重腐蚀有关。
关键词: 阀杆; 断裂; 腐蚀
中图分类号: TG115. 2
文献标识码: A
文章编号: 1008-1690( 2014) 05-0077-04
Analysis on Fracture of Valve Stem of Oil Drilling Equipment
2. 1 阀杆断口( 近起始区) 对阀杆断口起始区域进行扫描电镜分析。断口
近边缘起始区域较平细,局部呈挤压折叠的细小台 阶状形貌,高倍下可见该区域断面为变形的韧窝状 形貌,呈剪切塑性变形特征,如图 3 所示。
图 5 阀杆表面近断口区域腐蚀形貌( SEI) Fig. 5 SEI morphology of the corroded valve stem
参考文献
[1 ] JB / T 6842-1993,扫描电子显微镜 试验方法[S]. [2 ] GB / T 17359-2012,微束分析 能谱法定量分析[S]. [3 ] GB / T 13298-1991,金属显微组织检验方法[S]. [4 ] GB / T 4336-2002,碳素钢和中低碳钢 火花源原子发射光谱分
析方法( 常规法) [S]. [5 ] 孙国钧,赵社戌. 材料力学[M]. 上海: 上海交通大学出版社,2006.
浅析方钻杆旋塞阀失效原因分析及对策

浅析方钻杆旋塞阀失效原因分析及对策摘要:本文通过分析方钻杆旋塞阀失效的形式和原因,确定了方钻杆旋塞阀的薄弱环节,进一步分析出方钻杆旋塞阀的主要失效形式为旋钮无法转动、旋塞本体产生裂纹和旋钮孔处泥浆溢出以及密封失效。
并提出了相应的改进措施,对预防和减少方钻杆旋塞阀使用中存在的问题和优化旋塞阀结构设计有一定的参考价值。
主题词方钻杆旋塞阀失效分析对策方钻杆旋塞阀简称“旋塞”,是一种重要的钻具内防喷工具,安装在方钻杆上端的称方钻杆上旋塞,安装在方钻杆下端的称方钻杆下旋塞。
用专用的扳手转动阀芯,实现旋塞阀的打开和关闭,平时为常开,当发生溢流或井喷时,关闭方钻杆旋塞阀,截断钻具内通道,达到钻具内防喷的目的;当水龙带、高压管汇损坏时,关闭该装置,即可进行安全更换。
我们井控车间在检验旋塞时频繁发生阀芯与阀座之间密封失效,阀座刺坏;阀芯长期不活动,阀座密封面锈蚀严重,旋钮不能转动,无法实现旋塞的开关动作,开关耍圈等等多种失效形式。
为此,我们针对旋塞的失效进行分析统计通过研究提出解决方案,为新型旋塞的研制提供一定的理论参考。
1构造及工作原理方钻杆旋塞阀由以下几个部分组成:本体、孔卡、卡环、挡圈、上阀座、密封件、挡环、定位环、旋钮、拨块、球阀、下阀座、叠簧和密封件等组成(图1)。
旋塞内部结构实物图旋塞通过专用扳手扭动旋钮,带动拨块,使球阀发生转动,以实现开关状态的转变。
球阀是一个带通孔的阀,在其通孔与旋塞阀水眼一致时,其为开位。
当再旋转90°,其通孔与水眼垂直,堵塞水眼,封闭其水眼。
2现场主要失效形式在油田生产中旋塞阀的主要失效形式如下:(1)旋钮开关力矩过大,旋钮内六方孔磨损,无法传递足够的开关力矩;(2)旋钮锈蚀或旋钮固死,导致旋钮开关力矩过大或旋钮无法转动(3)泥浆颗粒较大,旋塞阀开关不到位(4)使用时间较长,旋塞本体产生裂纹或旋钮左右两侧有裂纹(5) 阀芯加工工艺差,球芯刺坏(6)旋钮孔密封圈损坏,旋钮密封失效泥浆溢出(7) 阀体膨胀变形(8) 阀芯不能活动(9)阀座抗腐蚀度差阀座点蚀或阀座刺坏(10 )十字拨块材料强度低十字拨块变形(11)旋钮和拨块配合公差大旋钮与壳体配合紧(12)维护保养不及时,泥浆进入阀体间隙固化,从而卡死旋塞(13)叠簧弹性不够下阀座到位不及时(14)旋钮、扳手配合公差大导致内六方孔磨损(15)阀座密封圈损坏(16)旋塞处于半开或半闭状态,阀芯被井内高压流体刺坏。
世界首套快速掘进系统单月进尺突破1500m

由上 式可看 出 , 当井 喷 流 体 的压 力 P确定 后 , 阀
座与 阀球 接触 面 间 的接触 压 力 只与 O d 和 有 关 。 以本 文设 计 的旋 塞 阀为例 , O / =3 9 . 4 2 。 , O L = 4 9 . 4 6 。 , R= 6 0 m m, 此 时井 喷压 力为 7 0 M P a , 带入式( 1 ) 得 阀
阀主密封面 的接触分 析 , 得到 了主 密封面 的接触应 力 。
形 等复杂 的非 线性 问题方 面有很 大 的优势 。
有 限元分 析 步 骤 : 阀 芯 及 上 阀座 的 材 料 均 取 4 2
C r Mn Mo , 其弹 性模量 为 2 0 6 MP a , 泊 松 比为 0 . 3 , 密度
1 9 9 8, S P E 3 9 3 2 0 .
[ 4 ] 陈 浩, 马迁霞 , 王晓萍 , 等. 方钻杆 旋塞 阀密 封设计 探讨 [ J ] .
石油机械 , 2 0 0 7 , 3 5 ( 9 ) :1 2 4 — 1 2 6 .
[ 5] 张继升 , 董
斌, 李悦钦 , 等 .方钻杆旋 塞 阀密封 设计 [ J ] . 钻采 苏, 等. 旋塞 阀密 封失效 机理分 析与改进
7 8 5 0 k g / m 。根 据 尺 寸 在 A N S Y S里 直 接 建 模 并 装 配, 基 于结构 和载 荷 的对称性 , 只取 模 型 的 1 / 2的进 行分 析 。根据 接触对 中主从面选 择原 则 , 本 文选 上 阀
通 过把理论计算 值 与仿 真结果 进行 对 比, 发 现 了两 者
的误差在允许 范 围之 内 , 从 而建 立 了一套 利 用有 限元
方钻杆旋塞阀主密封技术研究

单位代码: 10615 西南石油大学硕士学位论文论文题目:方钻杆旋塞阀主密封技术研究研究生姓名:李静导师姓名:陈浩(副教授)学科专业:机械设计及理论研究方向:现代设计方法2007年4月西南石油大学2007届硕士学位论文摘要方钻杆旋塞阀是钻机循环系统中的重要控制部件之一,常在紧急情况下启闭,故主密封面的转矩大小是旋塞阀可靠工作的重要指标。
本文通过密封与摩擦机理的分析,推导出摩擦转矩理论计算公式,证明了球体与上阀座接触面上的摩擦力矩仅与摩擦系数μ和密封比压p有关。
在工作环境与结构尺寸确定的情况下,合理选择材料与表面处理方案是降低摩擦转矩的主要手段。
在高压与腐蚀性介质环境下工作的旋塞阀主密封面磨损严重,主要有粘着磨损、磨粒磨损与腐蚀磨损三种类型。
要提高元件耐磨性能,主要措施为采用抗H2S腐蚀材料并进行表面强化处理。
利用Ansys对关闭状态下的旋塞阀密封面进行有限元分析研究其应力分布规律,得出如下结论:应力最大值出现在经过阀座通道轴线的球体通道轴线垂面两侧15˚附近密封面外缘处的小区域,远离此区域应力迅速下降。
将Ansys分析结果与理论计算结果对比后发现,将传统的球阀比压计算公式应用于高压硬密封的旋塞阀所得结果误差较大,有限元分析技术在旋塞阀主密封中的应用有待于进一步发展。
关键词:方钻杆旋塞阀,高压球阀,主密封,密封比压,接触分析AbstractKelly cock is one of the important control portions in drilling circulatory system. It often opens and closes in emergency cases, so friction torque of the primary seal surface is an important index for the kelly cock to be reliable. the friction torque theoretical calculation formula is inferred by seal and friction analyzing, and it’s proven that the friction torque on the contact surface between ball and upper seat is only concerns to frictional coefficient μand sealing specific pressure p. In the actual conditions and structural size, suitable material and surface treatment are the main method to reduce the friction torquethe.In the high pressure and the corrosive fluid environment, the primary seal surface of kelly cock is frayed seriously, which includes adhesive wear, abrasive wear and corrosive wear. To enhance wear-resisting, the main method is by using the anti- H2S corrosion material and strengthen surface anti corrosive.By using Ansys to do the finite element analysis for stress distribution rule for the kelly cock primary seal surface in cut-off state, it obtains the following conclusion: The stress maximum value appears around a small area near the seal surface outskirt at about 15˚antiheros of the spheroid channel axis vertical which contains the seat channel axis, and the stress value drops rapidly when departs from this area. Comparing the Ansys analysis result with the theoretical calculation result, it illustrates that the application of traditional ball valve sealing specific pressure formula to the high-pressure metal hard seal kelly cock obtained result with big error, so the application of the finite element analysis technology to the kelly cock primary seal should be developed further.Key word: Kelly cock, High-pressure ball valve, Primary seal, sealing specific pressure, Contact analysis西南石油大学2007届硕士学位论文目录摘要 (1)Abstract (3)目录 (4)引言 (1)第1章 方钻杆旋塞阀 (2)1.1 方钻杆旋塞阀的结构 (2)1.2 方钻杆旋塞阀的密封原理 (4)1.3 方钻杆旋塞阀的工作环境 (5)1.4 国内外研究现状 (7)第2章 方钻杆旋塞阀的密封机理与计算 (8)2.1 阀门启闭件的密封机理 (8)2.2 影响密封的各种因素 (10)2.3 金属硬密封与软密封的比较 (12)2.4 浮动式球阀的密封比压 (13)2.4.1 必需比压及计算 (15)2.4.2 许用比压及选择 (16)2.4.3 设计比压及计算 (18)第3章 主密封面摩擦与操作转矩 (20)3.1 方钻杆旋塞阀的操作转矩 (20)3.2 主密封面的摩擦 (21)3.2.1 摩擦的机理 (21)3.2.2 影响摩擦的因素 (23)3.2.3 操作转矩的计算 (24)3.3 主密封面的磨损 (27)3.3.1 主密封面磨损状况 (27)3.3.2 接触面的粘着磨损 (27)3.3.3 接触面的磨粒磨损 (28)第4章 密封件材料的选择与表面强化处理 (30)4.1 密封件材料基本要求 (30)4.2 腐蚀磨损 (31)4.2.1 主密封面腐蚀状况 (31)4.2.2 腐蚀磨损机理 (32)4.2.3 腐蚀的影响因素 (32)4.2.4 硫化氢腐蚀的预防措施 (34)4.3 材料选择 (36)4.3.1 阀门常用密封件材料 (36)4.3.2 元素对钢性能的影响 (37)4.3.3 旋塞阀常用密封材料 (38)4.4 表面处理 (40)4.4.1 电镀技术 (40)4.2.2 激光表面强化 (41)4.2.3 堆焊技术 (41)第5章 密封面的有限元分析 (43)5.1 接触问题的基本理论 (43)5.1.1 Hertz理论 (44)5.1.2 协调接触与非协调接触 (44)5.2 有限元仿真技术 (47)5.2.1 有限元的基本思想 (48)5.2.2 有限元的求解过程 (48)5.3 Ansys接触单元分析法 (49)5.3.1 Ansys简介 (49)5.3.2 Ansys一般分析步骤 (50)5.3.3 Ansys接触分析 (50)5.4 旋塞阀主密封面的有限元分析 (53)5.4.1 建模与网格划分 (53)5.4.2 加载 (55)5.4.3 结果分析 (56)5.5 主密封改进方案探讨 (58)5.5.1采用软硬结合密封方式 (58)5.5.2 密封面宽度的优化设计 (59)第6章 结论与展望 (60)6.1 所做工作 (60)6.2 结论 (60)6.3 展望 (60)参考文献 (62)致谢 (64)附录1 攻读硕士学位期间发表论文 (65)引言方钻杆旋塞阀是钻机循环系统中的重要控制部件之一。
钻杆及其接头的早期失效分析与措施研究

钻杆及其接头的早期失效分析与措施研究[摘要]钻杆失效表现在三个方面:本体断裂、刺漏、钻杆螺纹处失效。
本文将分析并探讨钻杆及其接头的早期失效类型、失效形式、失效原因,并且根据分析原因去寻找应对的方法以及预防的办法。
通过设计优化的钻杆结构,提升钻杆质量,使钻杆失效事故发生的概率下降。
[关键词]分析原因钻杆失效优化设计预防措施钻具0前言失效分析是分析判断材料的失效模式、性质、原因、研究失效事故处理方法和预防再失效的技术活动与管理活动,是一种科学的分析方法。
本文将对钻杆失效进行分析。
钻杆很容易受到磨损以及腐蚀等问题的影响从而引发失效事故。
而仅仅是在我们国家的油田之中发生的钻杆失效事故就多达数百起,钻杆失效不仅会造成极大的经济财产的损失,并且常常影响到工程的进度,后果十分严重。
失败乃是成功之母,通过研究钻杆失效,推进提高钻杆质量以及加强研究钻杆的使用和管理,尽量避免失效事故。
1失效类型分析在钻进过程中的受力繁杂,不仅仅是拉力,还有各种应力,因此失效的种类十分复杂,环境也很苛刻,井下的介质之中还包含有一些具有腐蚀性质的液体,而钻具运转起来后会促使钻杆与井壁之间产生高频率的撞击以及摩擦。
钻杆失效的类型种类繁多,主要可以概括为三大类型:断裂失效或者是刺穿失效;表面受损以及过量变形。
断裂或者是刺穿失效在失效事故比较常见,疲劳以及腐蚀等因素是罪魁祸首。
而腐蚀也极易造成表面受损,机器磨损也是表面受损。
当所受到的应力超过钻杆能承受的极限的是,则会引起过量变形[1]。
1.1断裂失效①过载断裂:如“鳖钻时的钻柱体断裂”,“钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂”。
②氢脆断裂:金属中的氢含量过多时,材料在拉力和应力的作用下很容易产生氢脆。
很多人不知道,由硫化氢和盐酸引起的钻柱应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。
③应力腐蚀断裂:如“钻杆接触某些腐蚀介质时的应力腐蚀开裂”,“钻柱在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂”。
④低应力脆断:此类失效在钻杆失效中占了很大的比例,是最危险的断裂方式之一。
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开 或全 关 。 钮 孑 处旋 塞 壳体 产生 缝长 约4 rm的裂 旋 L 0 a
缝 , 缝最 宽处 约3 m( ) 裂 a r 图1 。
提 出 了旋塞 阀 的主要 失 效形 式 。肖晓华 、 朱海 燕 等
人 建 立 了方 钻 杆旋 塞 阀的 失效 故 障树 模 型 。T r B ar A 5 介绍 了一 个 新型 的方 钻杆 旋 塞 阀结构 。但 这 等[ 1 人
(0 8 X 5 2 — 0 1 20Z 0060 1
作 者 简 介 : 玉 发 (9 0 )男 , 南 衡 阳人 , 士 , 程 师 , 究 方 向 为 深水 钻完 井 、 试 技 术 及 油 气 井 管 柱力 学 。 何 18一 , 湖 博 工 研 测
・
1 5 1 ・
何 玉发 , 朱海 燕 : 方钻 杆 旋塞 阀失 效的 力 学机 理
在球 阀 中心 截 面处 , 沟槽 和旋 钮 孔 都将 产 生 应 力 集 中 , 们 的最 大值 在壳 体 的不 同点 上 , 分别 考 它 应
虑。
经球 阀内腔 向上 流动 , 速流体 冲击 球 阀上侧 内壁 , 高
易 使球 阀产生振动 。 高速流体迅速进入上 阀座 , 冲击上
阀座一侧 . 并在 上阀座 内速度 达到最 大值 1 1 ms特 8 . /, 5
因, 为方 钻杆旋 塞 阀的结 构改进 提供理论 基础 。
2 1 旋 钮 的 力 学 分 析 .
图 3 球 阀 受 力示 意 图
由于抢 关 扳手 和旋 钮 内六 方 孔 的 间 隙很 小 . 忽
略 间隙 的影 响 , 旋钮 内六方孔 的受力 为 :
M= f = f 6 l3 R () 1 式 中 : _ 关 扳 手 和 旋 钮 内六 方 孑 之 间 的正 压 力 , 产 抢 L
N; 力 厂 f 一 对0 的力 臂 , 尺一抢 关 扳 手 的外 接 圆 点 m;
半径, m。
开 关 力 矩 为7 8 0 mH [, 钮应 力 分 布 云 图 4 N・  ̄6 旋 1 如 图2 示 . 钮 的最 大Mi s 力 为4 1 P , 足 所 旋 s 应 e 0M a满 强 度要求 。在实 际生 产 中 , 由于环境 恶劣 , 场工人 现 操作 不 当 。 别是 遇 到紧 急事故 无法 开关 旋塞 时 , 特 往 往 采用 撬 杠 强制 关 闭旋 塞 阀 , 间 作用 力 超 过 旋钮 瞬 所 能够 承受 的压 力 . 内六 方孔 较易损 坏 , 旋塞 无法 开
2 方 钻 杆 旋 塞 阀 的 力 学 计 算
利 用P O M模 块 .对方 钻杆 旋塞 阀的主要 失 效 R/
部件 ( 钮 、 阀座 、 体等 ) 行 有 限元 分 析 , 出 旋 上 本 进 找
各 零 部件 的薄 弱环节 ,并 与典 型失效 案例 进行 对 比 分 析 , 出影 响方 钻 杆旋 塞 阀零部 件 失 效 的 内 在原 得
图 1 旋 塞 壳 体 产 生 裂 缝
统计2 0 年 以来 。 油 田1 1井 为方钻杆 旋塞 阀 09 该 0: 3
失效 的典型井 , 现方 钻杆旋 塞阀的主要失效 形式为 : 发 ( ) 劳破 坏壳 体 出现裂 纹或 断裂 , 钮孔 右侧 1疲 旋
是 旋 塞 阀的最 薄弱 处 。
1 方 钻 杆 旋 塞 阀 的 失 效 分 析
图 4 球 台微 元示 意 图
为 3 9 a 比较 安 全 , 会 因为 球 阀的 作 用 力 而 压 8 MP , 不 坏 。 由此 可 知 , 阀座 的损坏 主要 是 由于 高压 、 高速 钻 井 液 的固相颗 粒 冲刷 以及球 阀转 动 的磨 损 ,致使 阀 座 密封 面发生 腐蚀 和刺 痕 , 而密封 失效 。 从 同时 由于 阀座密封 面 的腐蚀 . 又加大 了球 阀的扭转 力矩 , 加 增 了旋 塞 阀的关 闭 和开启 的难 度 。
・
式 中 : 截 面面 积 ; 壳体所 受最 大 拉力 。 A一
( ) 准最 大剪 应力 发生 在外 边缘 处 , : 2基 有
丁
n
…
式 中 :一横 截 面 上 任 一 点 到 极 点 的距 离 ( 半 径) p 极 ; , 、 分别 为 横 截 面对鸫 , 的惯 性 矩 ; ~ 壳 ,一 和) 轴 体 所 受 的最 大扭 矩 。
别是 当流体 内存在 固体颗粒 时 ,高 速 的固体 颗粒 冲 击在 阀座 与球 阀的密 封 面 , 破坏 该密封 面 的镀 层 , 使 密 封面产 生 初始 破坏 ,产 生初 始破 坏后 的 阀座密 封 面失 去抵 抗 流体 冲刷 的能 力 , 而使 阀座 迅速 刺坏 。 从 由此 可 知 ,因流 体对 下 阀座 的冲击 速度 要远 远小 于
方 钻 杆旋 塞 阀是 一 种 重要 的钻 具 内防 喷工 具 . 它 分 别安 装 在 方钻 杆 的上 端 和下 端 , 用特 殊 的扳 手 可 以通过 旋 转 拨 动球 阀转 动 . 现球 阀 的 打开 和 关 实 闭. 当发 生 井 涌或 井 喷 时 . 闭方 钻 杆 旋 塞 阀 , 断 关 截 钻 具 内通道 , 到钻 具 内 防喷 的 目的 。 达 近年 来 . 着 油 气 资源 勘 探 开 发难 度 的不 断 加 随 大 , 钻 井 工具 提 出了越 来 越 高 的 要求 。而 目前 的 对 方 钻 杆旋 塞 阀接 连 出现 壳 体 裂纹 或 断 裂 , 阀与 阀 球 座 之 间密封 失效 , 阀座 刺坏 , 阀与 本体 间被 泥浆 充 球 填, 阀座密 封 面锈蚀 , 施工 水 泥浆 进入 腔 室 固死 了 或 旋 塞 阀等事 故 , 给油 气 田钻 井带 来 巨大 的经 济损 失 . 严 重 时甚 至 诱 发井 喷 事 故 。王 世 宏 等 [ 针 对 方 钻 1 j 人 杆 上 旋 塞 阀 的断 裂进 行 了分析 。谢 娟 、 陈浩 等【3 2] , 人
摘 要 : 究 方 钻 杆 旋 塞 阀 的 失 效 形 式 和 失 效 原 因 , 过 力 学 分 析 、 限 元 计 算 和 流 场 数 值 模 拟 , 进 一 步 提 高 方 研 通 有 为
钻 杆 旋 塞 阀 的设 计 水 平 和 合 理 使 用 提 供 理 论 依 据 。 关 键 词 : 塞 阀 ; 效 分 析 ; 学 计算 ; 限 元 ; 场 数值 模 拟 旋 失 力 有 流 中 图分 类 号 : H13 E 2 T 2: 9 1 T 文 献 标 识 码 : A 文章 编 号 :6 3 18 (0 10 — l5 0 17 ~ 9 02 1 )4 0 1— 4
】 6 1 ・
何 玉发 , 朱海 燕 : 方钻 杆 旋 塞 阀失效 的 力学机 理
( ) 弹性力 学 可知 , 3由 在仅 受 内压p 作用 下 , 壳体
环 向应力 o 最大 , r 即
o — r 6 。
K 一1
以2 s 轴线 方 向进 入 方 钻杆 旋 塞 阀 。 出 口边 界 0m/ 沿
重 ; 阀与 阀座 产生 大量 的刺 痕及 锈蚀 , 阀和 阀座 球 球 之 间无 法形 成 密封 。 高压 泥浆 进入 阀体 腔室 , 从旋 钮
处溢出。
Q一 2井 深 5 6 2 8 m, 立 压 由 1 . a 降 到 52 MP 下
1 .MP , 47 a 试关 旋 塞 , 矩 大 , 法 关 闭 。解 剖 发 现 , 力 无 旋 塞 阀 内产 生 大量 固化 泥浆块 ,旋塞 阀无 法实 现全
压 力 设 置 为6 MP , 面 光 滑 , 用 R G 0 a壁 采 N 一 程 方 湍 流模 型 , 算 出方 钻 杆旋 塞 阀 的速 度 场 分 布 , 计 如
() j 1 3
图6 示 。 体进 入球 阀时 , 度骤 增 , 所 流 速 达到9 n s 流 31 , /
式 中 : D d D、分 别为 壳体 的外 径 与 内径 。 K= / ,
23 本体 的 力学 分析 .
本 体 的危险 截面 为球 阀 中心截 面 , 其承 受拉 伸 、
图 2 旋钮 的 Vo s s应 力 云 图 n Mie
扭 转 和 内压 的共 同作 用【 3 1 。
F
() 1拉伸基准。拉应力 A 6 ÷ =
22 阀座 的力学 分析 .
方 钻杆 旋塞 阀转 动失 效 的根本 原 因是球 阀和 阀 座 之 间 的摩 擦 力过 大 , 是 自身 结 构 造成 的 。球 阀 这 受 力 如 图3 4 示I, 、所 3 当球 阀下方 泥 浆 压 力p 大 时 , 1 很 在 与球 阀接触 密 封带 处 的平均 应 力o就很 大 ,球 转 r 动 时 的摩 擦 力也 很 大 , 法 用手 动 打 开 阀 。 阀座 与 无 球 阀接 触 面为一 球 台面 4 / , 设球 半 径为 . 台 球 B 个极 限位 上2 的对称 轴 为 , 别 为球 台面A 轴 分
些 研究 都没 有 对旋 塞 阀的受 力 和 内部流 场分 布情 况
进 行 定量 的计 算 . 因此有 必 要 对 方 钻杆 旋 塞 阀的 失 效 形 式 和主 要 零部 件 进 行 研究 , 出 现有 方 钻 杆 旋 找 塞 阀 的不安 全 因素 . 而减 少上 述事 故 的发 生 。 从
承 台阶 面上有 较 深 的拉 伤 痕迹 。 () 4 内六方 孔磨 损 。 块 变形 , 塞 开关 不到 位 。 拨 旋 ( ) 块强 度不 够 、 5拨 配合公 差 大或者 操作 时用 力 过猛 , 将会 导致 拨块 的变形 , 响旋 钮 的正 常开关 。 影
置 点A、 与 负 向所夹 锐角 , 曰 轴 且有 C A C= A 。
上 阀座 ,所 以这是 上 阀座 最易 发生 冲蚀 失效 的原 因
之 一
( ) 伸 6 6> r 1拉 = × o ( ) 转 d 一 2扭 r … ×< () 3 内压 6 o 6> r 0 L o = x