剪切防喷器研制报告

FZ18-35剪切闸板防喷器的研制
摘要
随着采油技术的发展，安全生产的经营方针渐渐地深入到各个生产环节，剪切闸板防喷器的需求量不断增加，作用凸显重要。

在不压井作业井口装置中明确要求配备剪切闸板防喷器。

根据市场需求及公司发展需要对剪切闸板防喷器进行研制。

关键词：剪切闸板防喷器；刀块；密封
随着社会的发展，对于保护环境、安全作业的要求越来越高，对于一些设备的配套要求也相应增加，剪切闸板防喷器主要用途是：当井场出现井喷或着火等事故而无法控制时，用液压系统关闭剪切闸板防喷器，利用上下刀块剪断井内管具，并达到密封井口的目的，有效控制井场事故。

剪切闸板防喷器主要应用在：1）、工厂、学校等市区内人口密集地区的油井；2）、地层结构复杂的油、水井；3）、非人为原因，曾发生过井喷事故的油、水井；4）、含一定浓度硫化氢的油井；5）、不压井作业装置中。

1、主要技术参数
型号：FZ18-35(JQ)
公称通径: Φ186mm
额定工作压力：35MPa
强度试验压力：52MPa
油缸直径（内径）：240mm
油缸工作压力：18～21MPa
活塞行程：160mm
刀块闸板剪切能力： 2 3/8"、2 7/8"、3 1/2″N80/J55管柱
2、结构特点
2.1、壳体
2.1.1、壳体采用锻件，强度高，缺陷少，承压稳定性好；
2.1.2、壳体内腔为椭圆形，减小应力集中，增强密封可靠性； 2.1.3、壳体闸板腔室底部有沉砂槽，可清除泥砂，减小闸板开关阻力； 2.1.4、壳体和侧门之间的密封采用外圆密封，减小宽度尺寸。

2.2、刀块
2.2.1、刀块采用40CrNiMo 锻件材料，综合性能高； 2.2.2、刀块采用整体淬火处理，增强剪切强度；
2.2.3、刀块刀口为“V”型结构有利于油管对中，使得油管在刀口中心被剪断； 2.3、刀块密封
刀块顶密封、侧密封采用橡胶件内硫化垫铁，且各密封采用椭圆结构，保证密封可靠，提高密封寿命。

下刀块密封 上刀块密封
2.4、剪切闸板总成
下刀块刀口处有一定斜度，保证上刀块及其密封与下刀块顺利配合。

上刀块内装有上密封条，剪断油管后，与下刀块配合实现密封。

剪切闸板采用整体式结构，关闭时部分合拢将油管剪断，继续关闭实现密封，且闸板上下均有容纳剪断油管的空间。

容纳剪断后油管
2.5、侧门油缸总成
侧门、油缸、活塞、闸板轴、缸盖等组合在一起后与壳体连接，更换剪切闸板方便。

开关防喷器油路采用暗藏式连接，防止现场砸坏，磕碰。

活塞密封采用“Y”型形式，密封安全可靠，使用寿命长。

侧门、油缸总成 Y型密封圈
4、设计计算
FZ18-35剪切闸板防喷器的设计计算，针对主要的承压及受力零件进行。

由于壳体、侧门等零件形状复杂、工况恶劣、常规的经典计算结果偏差太大，因而采用了有限元方法对其进行精确计算。

壳体及侧门的强度校核（强度值按ANSI/API Spec 16A《钻通设备规范》标准的要求取7500psi；法兰的设计按ANSI/API Spec 6A《井口装置和采油树设备规范》标准中7 1/16in*5000psi的数据进行）
壳体有限元受力分析
侧门有效元受力分析
结果分析：壳体受力最大为269MPa,壳体材料屈服强度为560MPa，安全系数为2.08，满足标准要求；侧门受力最大为151MPa,侧门材料屈服强度为560MPa，安全系数为3.7，满足标准要求。

这里只针对侧门螺栓、液缸等部分受力件进行强度校核。

剪切闸板剪切力的计算
钻具发生剪切破坏时，采用密赛斯屈服条件，其进入塑性状态的最大切应
力为：τ
max =1/3σ
S
根据塑性力学极限分析定理，极限剪切力的上限为：
F=τ
max S=1/3σ
S
π(2
2r-
R)
由于刀块结构为V形刀刃结构，使用时受力面积减小1/3，实际剪切应力为：
F=τ
max S=2/3*1/3σ
S
π(2
2r-
R)=23/9 σSπ(2
2r-
R)=0.488 MN
5、性能试验
剪切防喷器需要做的试验有壳体强度试验、油路强度试验，剪切试验及剪断后的密封试验。

壳体强度试验: 将防喷器安装到液压卡箍上，开关3-5次，灌满水，上紧盲法兰，打压至52MPa,稳压3min，泄压至零，在打压至52MPa,稳压15min，无可见渗漏。

油路强度试验：将防喷器安装到液压卡箍上，开关3-5次，将活塞置于油缸中间位置，将液压压力升至31.5MPa,稳压3min，泄压至零，在升压压至31.5MPa,稳压15min，无可见渗漏。

剪切闸板防喷器利用液压推力，推动上下刀块关闭，剪断油管，油管剪断后，刀口完整，油管断口整齐均匀。

可实现连续剪断3 ½ N80壁厚6.45mm油管3--5次。

剪断油管切口
剪切后的剪切闸板
剪切闸板防喷器剪断油管后，继续关闭刀块闸板，实现密封，打水压，升压至35MPa，稳压10分钟，无可见渗漏、冒汗现象。

经过试验，剪切闸板防喷器各项试验均满足ANSI/API Spec 16A《钻通设备规范》的要求。

6、应用和推广
FZ18－35剪切闸板防喷器，适用于井口压力不超过35 MPa的油气井，可与其它防喷器配套使用；当井场出现井喷、着火等事故时，可以快速剪断井内钻具，有效控制事故。

对于一些特殊作业区域，如工厂、学校等市区内人口密集地区；地层结构复杂的油、水井；非人为原因，曾发生过井喷事故的油、水井；含一定浓度硫化氢的油井必须配备剪切闸板防喷器。

根据市场调研，剪切闸板防喷器是一种特殊功能的闸板防喷器，需要较高的制造能力，中小型企业不具备生产能力，同时也是一种高附加值的产品。

结合目前各大油田安全生产的需求，剪切闸板防喷器的应用显得越来越重要，具有很好的推广价值。

参考文献
[1]. 美国石油协会，ANSI/API Spec 16A《钻通设备规范》，第3版，2004，石油工业标准化研究所。

[2]. 美国石油协会，ANSI/API Spec 6A《井口装置和采油树设备规范》第20版，2010，石油工业标准化研究所。