方钻杆旋塞阀失效的力学机理

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
（ ） 钮 密 封 内 、 均有 泥 浆 侵 入 ， 钮 与壳 体 ３旋 外 旋 配合太紧 ， 旋钮 上 部外 径 变 大 ， 法 旋动 旋 钮 ； 钮 无 旋
塞 进行 解剖 检查 ， 现旋 钮锈 蚀 ， 发 旋钮 台阶 面拉伤 严
收 稿 日期 ： ０ １ ０ — ８ ２ １－ ４ ０
基金项 目： 国家科技重大专项 “ 深水油气 田开发钻完井工程配套技术” ￣
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
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
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 。
・
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 。
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＝ ／ ，
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
式 中 ： 一 最 大应 力 ； ６ 丁 一剪 切 基 准 应 力 ； 一 最 ６ 大环 向应 力 。
】 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
（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
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
关， 导致 恶 性事故 的 发生 Ｍ＝ ．２１ Ｒ ｓ ２， ３ ６ ｐ 。ｎａ ．可 以 看 出 摩 擦 力 矩 与 ７ ￣ ｉ Ｐ， ｓ ２， 成 正 比 。 阀座 与球 阀接 触 的接触 面 Ｒ ，ｉ ｃ 均 ｎｒ 上 上 的正压 力 为 １０ ａ￣， 阀座 最大 Ｖ ｎＭｉ ｓ 力 ４ ＭＰ Ｈ 上 ｏ ｓ 应 ｅ
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
２ ０ 年 ．某 油 ｍＱ一 井 钻进 至４ ２ ０ ０９ １ ０ ｍ时发 生 溢
流 ， 法关 闭４ １ ＂ １５ ａ 塞 阀 。 无 — ／ － ０ ＭＰ 旋 ２ 经过 多 次尝试 ， 关 闭 旋塞 阀 ． 发 现旋 钮 处 有 泥 浆露 出 。经 过 对 旋 但
（ ） 室被 泥浆 充填 ， ２腔 充有 大 量 固化 泥 浆块 甚至 固死旋 扭 。 阀座 被刺 坏 ， 阀座 密封 面锈蚀 严 重 。
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 。
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
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
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
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
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
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
第 １ ３卷 第 ４期
重庆 科 技学 院学 报 （ 自然 科学 版 ）
Hale Waihona Puke Baidu
２ １ 年 ８月 ０１
方钻杆旋 塞 阀失效 的力学机理
何 玉发 朱 海 燕
（． １中海油研 究总 院 ， 京 １０ ２ ； ． 国石 油 大 学（ 京） 北 ０ ０ ７ ２中 北 油气 资源与探 测 国家重 点 实验 室 ， 北京 １ ２ ４ ） ０ ２ ９
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