防喷器远程控制装置自卸压四位四通转阀的研究与设计

李正军 盖靖安

李正军,盖靖安. 防喷器远程控制装置自卸压四位四通转阀的研究与设计[J]. 石油钻采工艺,2022,44(6):1-5
引用本文: 李正军,盖靖安. 防喷器远程控制装置自卸压四位四通转阀的研究与设计[J]. 石油钻采工艺,2022,44(6):1-5
LI Zhengjun, GAI Jingan. Research and design of four-position four-way rotary valve with automated pressure relief for blowout preventer remote control devices[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(6): 1-5
Citation: LI Zhengjun, GAI Jingan. Research and design of four-position four-way rotary valve with automated pressure relief for blowout preventer remote control devices[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(6): 1-5

防喷器远程控制装置自卸压四位四通转阀的研究与设计

详细信息
    作者简介:

    李正军(1988-),2011年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业,现从事钻井工程技术研究与管理工作。通讯地址:(830013)新疆乌鲁木齐市新市区天津北路西五巷99号中国石油大厦。E-mail:lizhengj-gc@cnpc.com.cn

  • 中图分类号: TE921+.5

Research and design of four-position four-way rotary valve with automated pressure relief for blowout preventer remote control devices

图(5)
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出版历程
  • 修回日期:  2022-08-10
  • 网络出版日期:  2023-03-23

防喷器远程控制装置自卸压四位四通转阀的研究与设计

    作者简介:

    李正军(1988-),2011年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业,现从事钻井工程技术研究与管理工作。通讯地址:(830013)新疆乌鲁木齐市新市区天津北路西五巷99号中国石油大厦。E-mail:lizhengj-gc@cnpc.com.cn

  • 中图分类号: TE921+.5

摘要: 在维修更换防喷器闸板、胶芯等作业前必须对防喷器关闭腔和开启腔卸压,而传统三位四通转阀存在操作复杂、压力浪费、各阀件磨损、管汇卸压后所有控制对象均无法远程操作的问题,为此,设计了自卸压四位四通转阀。在原有阀体及阀芯内部分别新增一条卸压油道,并将其改造成自卸压四位四通转阀,实际操作时只需将该转阀手柄扳至卸压位,便既能保留管汇压力,又可对维修作业对象进行独立卸压,卸压后仍可远程液压控制除维修对象外的其他控制对象,使得维修和更换防喷器闸板、胶芯等作业过程更加低耗、简单高效。该设计降低了各阀件长期开关造成磨损,大幅度提升了作业效率。

English Abstract

李正军,盖靖安. 防喷器远程控制装置自卸压四位四通转阀的研究与设计[J]. 石油钻采工艺,2022,44(6):1-5
引用本文: 李正军,盖靖安. 防喷器远程控制装置自卸压四位四通转阀的研究与设计[J]. 石油钻采工艺,2022,44(6):1-5
LI Zhengjun, GAI Jingan. Research and design of four-position four-way rotary valve with automated pressure relief for blowout preventer remote control devices[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(6): 1-5
Citation: LI Zhengjun, GAI Jingan. Research and design of four-position four-way rotary valve with automated pressure relief for blowout preventer remote control devices[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(6): 1-5
    • 防喷器远程控制装置是控制井口防喷器组以及液动平板阀的重要设备,是钻井、修井作业中防止井喷不可缺少的装置[1]。当发生溢流时,通过操作防喷器控制装置上的换向阀可以迅速、准确、安全可靠地关闭防喷器,防止井喷事故的发生[2]。国外防喷器控制系统换向阀主要使用“Y”型中位机能的三位四通换向阀,当阀位处于中位时,防喷器闸板处于浮动状态[3],在振动等外力作用下易发生移动造成防喷器误动[4]。我国防喷器控制装置始于20世纪70年代,由重庆矿山机器厂最先生产,随后广州石油机械厂和北京石油机械厂相继研制防喷器控制装置,并批量生产。各生产厂家使用“O”型中位机能的三位四通转阀代替了国外厂家使用的“Y”型三位四通换向阀,有效地解决了中位浮动问题,但在维修控制对象或更换控制对象闸板和胶芯卸压过程中暴露出操作复杂、压力浪费,管汇卸压后无法远程液压控制其他控制对象等诸多问题。

    • 我国防喷器远程控制装置生产厂家为有效解决“Y”型中位机能三位四通换向阀中位浮动问题,选用“O”型中位机能三位四通转阀控制防喷器的开关,其工作原理[5]图1所示。图1中红色表示油道及连接油道的液压管线中有高压液压油;绿色表示油道及连接油道的液压管线已卸压,压力为0。

      图  1  三位四通转阀工作原理示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of the working principle of three-position four-way rotary valves

      (1)当手柄在开位时,如图1(a)所示。阀芯上的两个油道分别将“管汇”与“开启腔”、“关闭腔”与“油箱”连通,管汇中的高压液压油流入开启腔,关闭腔中的液压油流回油箱,控制对象打开。此时,连接开启腔的液控管线及开启腔和管汇压力相同,关闭腔及连接关闭腔的液控管线压力为0。

      (2)当手柄从开位扳至中位时,如图1(b)所示。“管汇”、“关闭腔”、“开启腔”及“油箱”互不连通,但开启腔及连接开启腔的液压管线中仍存在和管汇压力相同的圈闭压力,关闭腔及连接关闭腔的液压管线压力仍为0。

      (3)当手柄从中位扳至关位时,如图1(c)所示。阀芯上的两个油道分别将“管汇”与“关闭腔”、“开启腔”与“油箱”连通,此时管汇中的液压油流入关闭腔,开启腔中的液压油流回油箱,控制对象关闭。连接关闭腔的液控管线及关闭腔和管汇压力相同,开启腔及连接开启腔的液控管线压力为0。

      (4)当手柄从关位扳至中位时,如图1(d)所示。“管汇”、“关闭腔”、“开启腔”及“油箱”互不相通, 但关闭腔及连接关闭腔的液压管线中仍存在和管汇压力相同的圈闭压力,开启腔及连接开启腔的液压管线压力仍为0。

    • 防喷器控制系统由油箱、泵组、储能器、管汇、各种阀件及仪表组成。其主要功能是由泵组制备高压液压油并储存在储能器中,储能器中的高压液压油通过管汇上的换向阀后被分配到各个控制对象中实现控制对象的开关[6]。防喷器控制装置工作原理如图2所示[7]

      图  2  防喷器控制装置工作原理图

      Figure 2.  Schematic diagram of the working principle of the blowout preventer control device

      储存在储能器中的高压液压油通过储能器截止阀流入减压阀,减压后流经旁通阀进入控制管汇,到各个三位四通转阀油口。同时来自储能器的压力油流经控制环形防喷器的减压阀,经减压后专供环形防喷器使用。通过扳动相应换向阀手柄实现开、关防喷器操作[8]。当减压后的液压油压力不能满足关闭防喷器时,打开旁通阀储存在蓄能器中的高压液压油直接流入管汇,实现以更高压力关闭防喷器。

    • 现场维修控制对象或更换控制对象闸板总成或胶芯前,需要对控制对象开启腔和关闭腔卸压。通常,通过关闭储能器总截止阀、打开管汇卸压阀卸掉管汇压力,并来回活动操作手柄(开-关-开)卸掉控制管线及开启腔和关闭腔中的“圈闭压力”的方式完成卸压。在该操作过程中,传统三位四通转阀的结构缺陷主要表现在以下几个方面。

      (1)对控制对象进行卸压时,首先需要关闭储能器总截止阀,然后打开管汇卸压阀,并来回活动操作手柄(开-关-开)以卸掉控制管线及开启腔和关闭腔中的圈闭压力。整个过程中需要开关多个阀门,操作较为复杂,时效性差。

      (2)现场作业中,其实只需卸掉维修对象开启腔和关闭腔中的压力即可满足对维修或更换闸板作业的要求,传统三位四通转阀在对控制对象开启腔和关闭腔卸压时,同时也卸掉了管汇压力,存在压力浪费现象。

      (3)传统三位四通转阀在卸压时卸掉了管汇压力,管汇压力卸掉后,所有控制对象均不能实现远程液压控制,若在维修或更换闸板和胶芯过程中发生溢流,只能手动关井。

      (4)控制对象修理完后需要启动曲轴柱塞泵或气动泵补充管汇压力,增长曲轴泵或气动泵的运行时间,容易造成易损件的磨损,从而影响泵体寿命。

      (5)该卸压方法首先需关闭储能器总截止阀,然后打开管汇卸压阀,同时来回活动操作手柄(开-关-开)以达到卸压的目的,整个过程操作多个阀门,对各阀门均存在一定的磨损,尤其是管汇卸压过程中对管汇卸压阀存在很大的液力冲击,严重影响阀件的使用寿命。

      为解决传统三位四通转阀存在的问题,研制了自卸压式四位四通转阀,利用多油口设计,在阀体及阀芯内部分别新增一条卸压油道,能够实现维修对象独立卸压操作。自卸压式四位四通转阀只需将手柄扳至卸压位即可实现安全卸压,并且保留了管汇压力,同时能够实现在维修过程中对其他对象的远程控制,有效地克服了传统三位四通转阀结构上的不足。

    • 新型卸压式四位四通转阀结构如图3所示。主要由手柄、定位板、定位钢球、弹簧、阀盖、单向推力轴承、转轴、轴套、阀芯、阀座、波形垫片、阀体及密封元件构成。

      图  3  自卸压式四位四通转阀总装剖视图

      Figure 3.  Section view of the assembled four-position four-way rotary valve with automated pressure relief

      阀体及阀芯结构示意图见图4。阀体上有5个油口,其中A、B、C、D这4个油口通过阀体内部油道分别与管汇油口、关闭腔油口、油箱油口及开启腔油口连通,油口E通过内部环形油道与油口C及油箱油口连通。阀芯上有a、b、c、d、f共5个油口,通过阀体内部油道油口b和油口c连通,油口a及油口d与油口f连通。

      图  4  自卸压式四位四通转阀阀体及阀芯示意图

      Figure 4.  Schematic diagram of the valve body and element of the four-position four-way rotary valve with automated pressure relief

      其中图4a中辅助线OE与辅助线AC所形成的锐角及图4b中辅助线of与辅助线db形成的锐角均为30°;油口A和油口E、油口d和油口f的中心距大于两个油口直径;“O”为阀体及阀芯表面的油口;虚线部分为阀体和阀芯内部油道。阀体上油路EC中间部位设计为同心圆,有助于缓冲卸压时高压液压油对阀体的高压冲蚀作用(若不考虑冲蚀作用,为降低加工难度,也可将E油口和C油口直接连通);开位手柄定位销是为了防止在远程控制台(气动或电转气)上远程开井时,手柄不受控制直接打至卸压位造成防喷器油腔非必要卸压而设计。

    • 自卸压式四位四通转阀的工作原理如图5所示。图5中“O”表示阀体和阀芯表面上的油口对准,油路互通;“$\oplus $”表示阀体或阀芯表面上油口被阀芯或阀体本体封堵,油路不通;红色表示油道内有高压液压油;绿色表示油道已卸压,压力为0。

      图  5  自卸压式四位四通转阀工作原理示意图

      Figure 5.  Schematic diagram of the working principle of the four-position four-way rotary valve with automated pressure relief

      (1)当手柄处于开位时,如图5(a)所示。管汇与开启腔连通,关闭腔与油箱连通,管汇中的高压液压油进入开启腔,关闭腔中的液压油流入油箱,控制对象开启。这时,管汇油口至开启腔所形成的油路和管汇压力相同,关闭腔至油箱油口所形成的油路卸压,压力为0。

      (2)当手柄从开位扳至中位1时,如图5(b)所示。阀体上的油口均被阀芯本体封堵,阀芯上的油口均被阀体本体封堵,油路互不连通。但阀芯上靠近开启腔油口的油道及阀体上开启腔油口至开启腔所形成的油路内仍有和管汇压力相同的圈闭压力,阀芯上靠近关闭腔油口的油道及阀体上关闭腔油口至关闭腔所形成的油路压力仍为0。

      (3)当手柄位于关位时,如图5(c)所示。管汇与关闭腔连通,开启腔与油箱连通,管汇中的高压液压油进入关闭腔,开启腔中的液压油流入油箱,控制对象关闭。这时,管汇油口至关闭腔所形成的油路和管汇压力相同,开启腔至油箱油口所形成的油路卸压,压力为0。

      (4)当手柄从关位扳至中位2时,如图5(d)所示。阀体上的油口均被阀芯本体封堵,阀芯上的油口均被阀体本体封堵,油路互不连通。但阀芯上靠近关闭腔油口的油道及阀体上关闭腔油口至关闭腔所形成的油路内仍有和管汇压力相同的圈闭压力,阀芯上靠近开启腔油口的油道及阀体上开启腔油口至开启腔所形成的油路压力仍为0。

      (5)当手柄再次扳至开位时,如图5(e)所示。其工作状态及压力情况与(2)相同。

      (6)开位时,关闭腔及其至油箱油口所形成的油路已卸压,此时只要拔出定位销将手柄扳至卸压位,对开启腔卸压即可实现对操作对象的完全卸压,如图5(f)所示。开启腔与油箱连通,开启腔中的高压液压油流回油箱,压力为0,因阀体上连接管汇油口的油口被阀芯本体封堵,管汇压力保持不变,仍可对其他操作对象进行控制。

      现场卸压时,需要先将手柄扳至开位,使关闭腔液压油先流回油箱,然后去掉定位销,将手柄扳至卸压位让开启腔内液压油流回油箱,从而实现完全卸压。

    • (1)自卸压式四位四通转阀只需将手柄扳至卸压位即可实现在保留管汇压力的前提下对维修对象开启腔和关闭腔安全卸压,操作更加简单快捷。

      (2)自卸压式四位四通转阀在对维修对象开启腔及关闭腔卸压时保留了管汇压力,避免了不必要的压力浪费,使得现场维修或更换更加快捷高效。

      (3)自卸压式四位四通转阀只卸掉维修对象的开启腔和关闭腔压力,保留了管汇压力,维修作业过程中仍可液压控制除维修对象外的其他控制对象,可保证维修作业过程中的井控安全。

      (4)自卸压式四位四通转阀保留了管汇压力,可有效减少曲轴泵或气动泵的运行时间,对设备更加友好。

      (5)自卸压式四位四通转阀操作简单快捷,只需将手柄扳至卸压位即可实现对维修对象安全卸压,减少了传统方法卸压时对储能器总截止阀和管汇卸压阀磨损和压力冲蚀作用。

    • (1)自卸压四位四通转阀可实现对维修对象的单独控制和其他对象的持续液压控制,在保留管汇压力的同时,保证了现场维修更换过程中的井控安全,降低了井控风险。

      (2)防喷器组自卸压四位四通转阀实现了一阀多功能远程开关控制,进一步提高了防喷器组闸板和胶芯的维修更换效率,对井控远程控制装置的升级改造具有很好的指导意义。

参考文献 (8)

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