防喷器闸板体万能试验台设计

周利明，杨永宁，刘　辉，徐　茂，齐瑞骞（．河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘0655；．四川科特石油工业井控质量安全监督测评中心，四川德阳6800；．中航工业雷华电子技术研究所，江苏无锡406）

防喷器闸板体万能试验台设计

周利明1，杨永宁1，刘辉1，徐茂2，齐瑞骞3
（1．河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘062552；2．四川科特石油工业井控质量安全监督测评中心，四川德阳618300；3．中航工业雷华电子技术研究所，江苏无锡214063）①

为解决井控装备制造厂在防喷器闸板体出厂检验和疲劳试验中的成本高、防喷器的拆装劳动强度大等问题，设计了闸板体万能试验台。该试验台结构简单，能够满足多种型号和压力等级的闸板体试验的要求。外壳和侧门采用销轴连接，拆装方便省力；在不同型号闸板体试验中，只需更换转换腔体和转换连接轴，最大程度上减少了试验成本。应用有限元分析方法对主要承压零件进行了强度校核，保证了试验台的安全性。该试验台的使用极大地提高了闸板体生产效率。

防喷器；试验台；设计

对于制造商来讲，防喷器闸板体的试验具备以下特点：闸板体作为防喷器的主要配件和关键控压件，订货量很大，尤其是变径或剪切闸板体在出厂前均要进行密封或剪切等试验，需要占用多种不同规格的防喷器来进行试验，造成成本的长期占用。另外，在进行闸板体试验时，需要对试验用防喷器的侧门螺栓反复拆卸，操作者劳动强度大。鉴于以上特点，设计了闸板体万能试验台，同时采用有限元方法对试验台进行了优化设计［1］。该试验台具有成本低、试验范围广、劳动强度低、安装简便、安全性高等特点。本文采用三维建模和有限元计算方法进行设计和分析，避免了以前根据经验和机械设计手册推荐公式近似计算导致设计周期长、安全性低、设计尺寸过大、浪费成本、不能全面了解装置受力的薄弱环节，无法准确制定出装置复验的关键位置，长期使用会造成安全隐患等问题。有效地解决了以上问题，达到了预期的效果。

1　结构及优点

通常情况下，防喷器闸板体出厂试验，主要与压力等级、通径大小、闸板腔大小、液缸直径、闸板体在闸板腔内的运动行程等数据有关，设计一种防喷器闸板万能试验台，使结构满足相关技术要求。以长圆腔闸板体的出厂试验所需的装置为例，万能试验台的结构［2］如图1。

图1　闸板体万能试验台主视图

闸板体万能实验台主要有5大优点：

1） 闸板体的关闭和开启采用液压开关，不仅可以通过数字化控制系统调节油压数值，精确模拟各种闸板体的关闭压力，还可以减轻操作者的劳动强度，避免操作者采用机械的方法关闭、开启闸板体。

2） 侧门与壳体采用对角活塞杆连接，可以同时满足长圆形闸板体和矩形闸板体试验时的安装和拆卸要求：长圆闸板体的安装方式为垂直于试验台的水平面方向；矩形闸板体的安装方式为平行于闸板体水平面方向。

3） 侧门壳体定位连接采用销轴连接，既可以快速完成侧门的打开与关闭，还能降低采用常规侧门螺栓，预紧与拆卸侧门螺栓时操作者的劳动强度。

4） 通过更换转换连接轴来改变不同规格闸板体的行程，改变了常规依靠更换活塞轴来改变闸板体的行程，大幅降低操作者的劳动强度。

5） 通过更换转换腔体可以进行各种规格的闸板体出厂试验，既节约了制造不同规格试验壳体的成本，又可以为扩展其他规格闸板体的试验提供专用装置。

2　工作原理

防喷器闸板体万能试验台的工作原理分为油路工作原理和闸板体密封工作原理。

防喷器闸板体试验台的油路有两条，分为开关侧门和开关闸板油路，分别控制侧门的开、关和闸板体的开关。开关侧门油路原理为：液压油通过进油孔1、2进入缸筒，推动缸筒内的活塞杆，带动缸筒连接的侧门，一起往复运动，从而实现侧门的开关运动；开关闸板体油路原理为：液压油通过进油孔3、4进入液缸，推动液缸内的活塞轴，带动活塞轴连接的闸板体，一起往复运动，从而实现闸板体的开关运动，如图2所示。

图2　防喷器闸板万能试验台油路原理

闸板体密封的工作原理如图1所示，压力通过试验台下部的升高短节传递到转换腔体内，两者之间通过密封垫环密封，两件闸板体在转换连接轴的推动下向中心运动，关闭后闸板体的前密封和顶密封形成密封环带，密封闸板下部的压力，同时转换腔体和侧门之间的密封、活塞轴和侧门之间的密封由其他密封件进行密封，保证压力无泄漏，从而完成闸板体的出厂试验，此外需要进行剪切试验的闸板体，可以由两端的液压缸提供完成剪切试验所需要的剪力，升高短节和转换腔体由螺栓螺母连接，侧门和试验台外壳由销轴连接，对角安装两活塞杆，能够同时满足长圆、矩形闸板体的安装和拆卸要求。

3　相关设计参数的确定

闸板体万能试验台的设计理念是满足多种系列和压力等级闸板的试验要求，为此对影响闸板体试验的重要参数，例如试验压力、闸板体的行程、关闭闸板的压力等进行分析，确定试验台的最小设计压力、转换连接轴、闸板轴活塞的直径。

3．1 确定最小承受压力

防喷器闸板体的规格和种类有多种，按照平行于侧门面方向的截面外形区分，主要有矩形和长圆形；根据产品系列［3］，对闸板体的相关参数进行分析，确定试验台的转换腔体承受的最小压力等级，如表1所示。该试验台可完成通径最大680mm，压力最大可达到140 MPa防喷器闸板体的试验，覆盖了API16 A规定的所有型号防喷器的闸板体。

表1　防喷器闸板体万能试验台基本参数

3．2 计算转换连接轴长度

闸板体在闸板腔内的运动起始点，主要与试验台的运动行程相关，关闭时确保两件闸板体的前端部能够充分接触，是管柱和闸板体密封的基础，是闸板体密封的关键，闸板体的行程对于试验台设计非常关键。每种规格的闸板体在防喷器内的行程不同，而行程又与试验台相关零部件的尺寸有关，如图3所示。

式中：L为装置的总体长度；L5为闸板体的有效长度；L4为转换连接轴的长度；L3为侧门的厚度；L2为液缸的有效长度（去除缸盖和侧门的密封台阶）；L1为缸盖的厚度；x为闸板体的行程。

分析式（1）～（2）得出，闸板体的行程与图3中涉及到行程的零部件有关，通过调整这些零部件的长度，就可以调整防喷器的行程。闸板体万能试验台装配完成后，由于转换连接轴比其他零件的拆卸和安装简便，劳动强度低，所以，通过调整转换连接轴长度（L4）来得到想要的闸板体行程。河北华北石油荣盛机械制造有限公司生产的28系列防喷器的长圆形和矩形闸板体的行程x分别为185mm和175mm，通过式（3）计算得到闸板体万能试验台中满足外形为长圆形闸板体试验的转换连接轴长度L4＝695mm；满足外形为矩形的闸板体试验的转换连接轴长度L4＝702mm。经计算，其他系列防喷器闸板体的行程尺寸及其试验配套的转换连接轴长度如表2。

表2　防喷器闸板体万能试验台转换连接轴参数

图3　闸板体万能试验台闸板运动行程

3．3 设计试验台中主活塞的直径

防喷器闸板体的关闭压力主要由防喷器的关闭腔油压与关闭腔活塞的有效面积的乘积决定，大多数关闭腔的油压为8．4～10．5 MPa（剪切油压力除外），由此得出关闭腔压力主要由关闭腔活塞受油压的有效面积决定。各系列防喷器的关闭腔活塞受力的有效面积差别较大，但是试验台设计完成后，关闭腔活塞受力的有效面积也确定，只能调整关闭油压的大小来得到各系列防喷器的关闭压力值。油压的数值需要压力表和传感器来读取，考虑到GB／T20174—2006中规定压力值应在压力表满量程的25%～75%，经计算，最终所得试验台中主活塞的直径为420mm，可以提供各系列防喷器的关闭压力。

4　主要承压件有限元计算分析

依据万能试验台的结构特点，试验台中主要的承压件为转换腔体和侧门。由表1数值比较知，闸板外形为矩形的防喷器，其转换腔体的设计压力比同一规格的长圆形的设计压力值要小。转换腔体要分别满足闸板外形为矩形和长圆形的最大压力数值，根据ASEM锅炉及压力容器规范，通过对其进行有限元计算分析［4］，保证了在额定工作压力下的可靠性，为装置的设计提供了理论依据。

防喷器闸板体万能试验台中侧门承受压力的面积为固定值，侧门的壁厚要能满足表1中部分闸板体额定压力的最大值，即140 MPa。

4．1 有限元模型

4．1．1 网格化分

分别对试验台的转换腔体和侧门进行有限元模拟分析计算，采用自由网格进行划分，并对部分应力集中区域进行细化处理，材料采用弹性模型定义，其有限元模型如图4～5。

图4　侧门的有限元模型

图5　两种转换腔体有限元模型

4．1．2 边界条件和施加载荷

分别在侧门的上、下面和转换腔体的下面施加位移约束，在侧门和转换腔体的受力面（如图4～5箭头所指的面）按照上述建模参数施加静水压强度试验压力（额定工作压力的1．5倍），侧门210MPa（140MPa的1．5倍）、转换腔体按照各个腔体的大小和闸板体额定工作压力的1．5倍选取。

4．2 模型有限元计算和强度校核

转换腔体和侧门的平面图如图6～7，决定转换腔体和侧门强度的关键尺寸为最小截面厚度D（转换腔体的最小厚度）和H（侧门的最小厚度）。

图6　转换腔体的最小厚度

图7　侧门最小厚度

通过对不同尺寸的D、H进行有限元模拟计算，确定H＝350mm、D＝330mm，对该结构依据API Spec16A中对井口承压件的设计方法进行强度校核，由应力云图可知，应力较大处为截面Ⅰ①、Ⅱ②、Ⅲ③三处，如图8。

图8　侧门和转换腔体的应力云图

依据ASMEⅧ是锅炉及压力容器的类构件强度判定依据和设计准则和规范要求，压力容器在静水压强度试验压力下，Pm＜0．67Rp0．2时，Pm＋Pb≤1．35Rp0．2；当0．67Rp0．2＜Pm≤0．9Rp0．2时，Pm＋Pb≤2．35Rp0．2－1．5Pm。

因此在额定工作压力下，得到以下公式：

式中：Pm为薄膜应力；Pb为弯曲应力；Rp0．2为材料的屈服强度；Sm为设计应力。

将表3～5的数据中Pm的数值代入式（4）（材料的屈服强度取517MPa），经验证满足式（4）的条件，再将Pm＋Pb的数值代入公式（5）～（6）中，满足要求，符合ASEM规范要求。

表3　侧门应力及位移计算结果

表4　转换腔体应力及位移计算结果（矩形腔）

表5　转换腔体应力及位移计算结果（长圆腔）

5　结论

1） 防喷器闸板万能试验台的结构设计合理，能够满足多种规格的变径、剪切等闸板体的出厂试验，也可以用于深海防喷器的闸板体的出厂试验。

2） 在满足使用功能的前提下，便于操作者安装、拆卸，无侧门螺栓和开关活塞杆对角设计，大幅降低了操作者的劳动强度。

3） 经过对试验台主要零部件进行有限元分析和验证试验，综合考虑了尺寸、质量、安全系数、最大变形量等，减轻了试验台的质量，节约了成本，确保试验台的安全可靠。分析了该试验台的危险区域，为以后定期复检提供了理论依据。

［1］ ASME Boiler and Pressure Vessel code（SectionⅧ．Di-vision 2）［S］．The American Society of Mechanical En-gineers，2004．

［2］ GB／T 20174—2006，石油天然气工业钻井和采油设备钻通设备［S］．

［3］ 《机械设计手册》编委会．机械设计手册［K］．北京：机械工业出版社，2012．

［4］ 孟庆荣，郑传周，翟桂新，等．2FZ54-35型双闸板防喷器壳体优化设计［J］．石油矿场机械，2011，40（1）：63-66．

［5］ 张永泽，梁政，蒋发光，等．复杂结构有限元分析强度判定方法［J］．石油矿场机械，2009，38（5）：5-8．

Design of BOP Ram Omnipotent Test Rig

ZHOU Liming1，YANG Yongning1，LIU Hui1，XU Mao2，QI Ruiqian3
（1．Hebei Rongsheng Manufacture Ltd．of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China；2．Sichuan Kete Petroleum Well-Control Quality Inspection Center，Deyang 618300，China；3．Electronic Technology Research Institute of China Aviation Industry Thunder，Wuxi 214063，China）

In order to solve the problems of capital to take up and highmanpower for BOP assem-bly and disassembly for ram factory test and fatigue test，the omnipotent test rig is designed．Its structure is simple and it canmeet the test requirements of different type and pressure grade ram．The body and the bonnet are assembled with lock bars to be easy for assembly and disassembly．When different type ram is tested，only conversion body and piston shaft are replaced，the cost is dramatically reduced．By using finite element simulation analysis，the pressure-containing parts are checked and the safety of test rig is secured．The design of the test rig increases the efficiency of rammanufacturing．

BOP；test stand；design

TE921．507

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．008

1001－3482（2015）08－0034－05

①2015－02－04

国家科技重大专项“深水半潜式钻井平台及配套技术”（2011ZX05027-001）

周利明（1980-），男，河南浚县人，工程师，2005年毕业于河南科技大学机电工程学院，现主要从事井控产品的研究工作，Email：zhoulm1815＠sina．com。