钻井泵安全阀的应用现状及分析

史卫波，曹会宁, 白丽, 刘均让, 侯和杰，刘军

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002）

0 引言

钻井泵安全阀是保障钻井泵安全工作的重要部件，当钻井泵系统压力超过设定的放喷压力值时，安全阀自动打开，将系统中的一部分气体、流体排出管道，保证系统不因压力过高而发生事故[1]。因此，安全阀的灵敏度和可靠性就显得格外重要，不仅需要对安全阀的主要承压件、受力件进行分析和计算，也需要大量的试验验证，确保其工作的准确性、可靠性、安全性。

目前油田现场钻井泵采用的安全阀基本有两类，即剪销式和弹簧式安全阀[2]。针对不同的连接形式，安全阀主要有法兰连接和由壬连接等两种连接形式。

海洋钻井平台钻井泵组配套的安全阀大部分是进口的弹簧复位式安全阀，主要是美国的NOV(National Oilwell Varco) 公司生产的Titan Class Type B和Titan Class Type C型弹簧复位式安全阀及OTECO等公司生产的安全阀，价格昂贵，维修成本高。陆地钻机的钻井泵配套的安全阀大部分选用剪销式安全阀，主要由宝鸡石油机械有限责任公司生产，型号主要有JA-3、JA-3H、JA-3×35和JA-3×52剪销安全阀，价格低廉，维修成本低。

1 剪销式安全阀

剪销式安全阀的工作原理：钻井泵工作时，排出的泥浆压力通过转换法兰1作用在活塞杆3下部，使活塞杆向上移动，而剪销板4通过剪切销6被固定在阀体2上，限制了活塞杆的移动，当排出压力大于剪切销6所插入孔对应的压力值时，剪切销6被剪断，剪销板4绕着回转销轴5旋转，活塞杆向上移动，安全阀被打开，泥浆通过排出法兰8及泄放管排出至泥浆罐（池）中。

剪切销插入不同的孔，对应不同的泄放压力值，使用时，可根据工况决定插入剪切销。但是设定的压力泄放值不能大于钻井泵配套缸套的额定压力。

需要复位时，将活塞杆向下推，直至活塞与内套完全接触，将剪销板复位，插入剪切销，将安全护罩盖上。

此安全阀结构简单，使用方便，可反复使用，且性能稳定。但是，需要消耗剪切销，安全阀的控制压力主要取决于剪切销的剪切强度[3]和阀体孔位的加工精度，放喷压力设定值受到阀体剪切销孔位数量的限制。如果生产和制造过程中，剪销板和阀体的孔的位置度有偏差，或者活塞出现问题，都有可能导致剪销安全阀在压力达到设定值时，无法动作。另外，安全阀在设置时，需要操作人员爬上钻井泵进行本地设置，每次剪断剪切销后，泥浆泄压后产生巨大的冲击力，对安全阀内的剪销板、活塞产生一定的磨损，插入剪切销后，必须盖好安全罩，防止被剪断的剪切销飞出伤人。剪切销为一次性使用零件，剪断后必须更换，每次复位活塞杆时需检查活塞胶皮是否完好。由此可见，剪销安全阀在操作性、维护性、可靠性和安全性方面都有一定的不足。

2 弹簧复位式安全阀

图1 剪销式安全阀

弹簧复位式安全阀的工作原理：钻井泵工作时，排出的高压泥浆作用在活塞杆2上，活塞杆2通过曲柄连杆机构5和勺形杠杆机构6与压缩弹簧10连接，当传递给压缩弹簧10的力大于弹簧的预紧力时，弹簧被压缩，曲柄连杆机构的死点位置被破坏，活塞杆向上移动，泥浆通过活塞杆上的排泄孔排出至泄放管汇中，直至泥浆罐（池）中。

通过旋转阀体上的螺母8，可调整弹簧的压缩量，参照刻度尺9上不同的压力值，可设定需要的泄放压力值。但是设定的压力泄放值不能大于钻井泵配套缸套的额定压力。

需要复位时，旋转复位手柄，将曲柄连杆机构还原至死点位置，活塞杆向下移动，流道被切断。

弹簧复位式安全阀操作简单，可实现无级调节[4]，自动放喷和手动放喷功能。这种安全阀的缺点是：1）结构复杂、磨损后压力误差大；2）活塞、活塞胶皮、活塞杆、连杆机构、勺形杠杆平衡梁、压缩弹簧等的几何形状、尺寸、力学性能等要求很高，加工制造困难；3）对使用维修人员技术要求高，且配件价格较贵。

3 自动复位式安全阀

自动复位式安全阀的工作原理：在排出管汇上安装一个自动复位式安全阀，控制系统采集压力值，将采集到的压力信号通过数模转换为4～20 mA的标准信号，并将该信号发送给PLC控制器进行监控和处理。当排出压力值小于控制系统设定的压力值时，给安全阀控制模块输出正常信号，气动执行机构不动作；当排出压力值大于控制系统设定的压力值时，PLC控制系统及时给HMI显示屏发出报警信息，并给安全阀控制模块一个打开命令，气动执行机构动作，使安全阀打开。同时，设定一个延迟时间，当延迟时间倒计时结束后，气动执行机构动作，使安全阀关闭。在延迟的这段时间内，操作人员可检查是否存在故障，如有故障，可停泵检查。

图2 弹簧复位式安全阀

图3 PLC逻辑控制式安全阀原理图

气动执行机构包含一个三位两通防爆电磁阀、气动三联件、压力表及不锈钢材质的气管线等。

自动复位式安全阀可实现无级调节压力，具备报警功能，精度更高，无需人工复位，减少了操作人员的劳动强度和安全风险。与剪销式和弹簧复位式安全阀相比，自动复位式安全阀控制系统具有更好的可操作性、免维护性、可靠性和安全性[5]。

4 优化及建议

1）钻井泵安全阀是保障钻井泵安全使用的重要部件，在选用和配套时，需根据钻井泵的性能选用安全阀，且严格按照使用维护手册进行使用和维护。

2）弹簧复位式安全阀结构复杂，需进一步优化弹簧复位式安全阀的结构形式，降低生产成本，加快国产化应用，同时，提升弹簧的刚度稳定性和耐腐蚀性，提高产品的质量和寿命。

3）自动复位式安全阀，降低了劳动强度，且减少人为操作的危险性。在安全阀控制箱上设置声光报警装置，当系统压力超过设定值时，触发声光报警装置，即使安全阀未及时打开，可提醒操作人员迅速去停泵检查，保证系统的正常运行。

5 结论

通过对剪销式安全阀、弹簧复位式安全阀、自动复位式安全阀的工作原理、优点和缺点进行梳理和分析，可见与剪销安全阀相比，弹簧复位式安全阀可实现手动泄压，操作更加简单，同时减少了操作人员的劳动强度和安全风险。与弹簧复位式安全阀相比，自动复位式安全阀完全实现了自动化控制，避免了人为操作的安全风险。同时，弹簧复位式安全阀和自动复位式安全阀具有更宽的压力调节范围，操作者可根据实际工况自行设定泄压值，具有良好的市场应用前景。另外，针对钻井泵安全阀的使用和设计，提出了优化方向和建议，为钻井泵安全阀的设计和应用提供了新的思路。