闸板防喷器气密封性能改进措施分析

2023.07.01

张树林

摘要：防喷器是用于井口的重要设备，有着防止油井和气井中高温、高压、高含硫气体失控的作用，在油田井喷事故预防中的作用不可替代。在油田井喷事故的控制中，有闸板防喷器和环形防喷器两种设备，本文主要对闸板防喷器进行讨论。

关键词：闸板防喷器；气密封；改进措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.055

0 前言

闸板防喷器是高压油田中控制井喷事故不可缺少的设备，由壳体、活塞侧门、油缸、密封件、闸板等部分构成，闸板会因为液压对活塞的作用开和关，由此便可以实现封闭井口的功能。我国的石油开采经过多年发展已经非常成熟，拥有一套完整的作业体系，无论开采质量还是作业中的安全性都有很好的控制。但随着我国石油开采的不断发展，石油天然气的开发难度也在不断地增加，尤其是页岩气的开发，对设备的性能要求更加苛刻。

1 闸板防喷器气密封失去作用的根本原因

挂钻具、剪钻杆、封闭井口等是闸板防喷器的基本功能，封闭井口是其最主要的功能，闸板防喷器中共有壳体和侧门、侧门腔和活塞杆、闸板上部和壳体、闸板前部和钻具、垫环和垫环槽等五处重要的密封点[1]。针对2FZ35-105、2FZ35-70、2FZ28-105等不同型号的闸板防喷器进行分析得知，目前导致闸板防喷器气密性失去作用的根本原因是侧门和壳体以及侧门腔和活塞杆之间的密封性能出现了问题，因此应在这两个方面对闸板防喷器进行改进。

2 闸板防喷器气密封的密封原理

前文已经介绍过目前在闸板防喷器中有两个气密封的问题，分别是侧门和壳体以及侧门腔和活塞杆之间的空隙，因此闸板防喷器才会失去作用。那么在对这两项内容进行改进之前我们首先要明确它们的工作原理，从而才能在原理的基础上找到改进方式。首先是侧门和壳体，闸板防喷器的侧门和壳体通过螺栓连接在一起，为了保证密封性，在二者的结合处用密封件做了密封处理。这样侧门和壳体在连接螺栓的作用下紧紧的贴在一起，此时密封件由于受到挤压而变形，变形后的密封件会完全封死侧门和壳体之间的空隙，因此无论是气体还是液体都不会从空隙处泄漏。其次是侧门腔和活塞杆，同侧门和壳体之间一样，侧门腔和活塞杆的连接处也有密封件，并且在活塞杆的两端都设置了密封件，两个密封件呈一正一反两个方向，使用这种密封方式能够有效防止井液压力和液压油压力对闸板防喷器的影响。

3 闸板防喷器气密封性能改进措施

3.1 密封面

对密封面进行改进之前我们首先要了解其中的影响因素，针对密封面来讲，我们要明确其粗糙程度和密封性之间的关系。通过对测试结果进行分析可以得知，如果密封面使用的材料不同，那么对粗糙度的要求也不同，例如，当不锈钢材料的粗糙度增加时，由不锈钢和黄铜组成的密封面受到的压力会非常高，而不锈钢和丁腈橡胶的密封面受到的压力相对较小。因为侧门的密封面是静止的，因此如果密封面的粗糙度过高，就会造成密封件无法彻底填满密封面，这样当液体或者气体对密封面造成压力时就会从没有彻底被填满的空隙处泄漏。

3.2 密封材料

当确定了密封面粗糙度的影响之后，我们接下应对密封材料进行选择，在选择密封材料的时候我们可以根据图1进行分析。

通过图1可以发现，密封性能会随着材料的变化而变化，如果在压力相同的情况下，不锈钢和黄铜的密封面的密封性能最差；其次分别为不锈钢和聚四氟乙烯、不锈钢和丁腈橡胶。同时此测试也对接触面压力和密封性的关系做了分析，当使用不锈钢和黄铜的密封面时，其在17.0MPa的压力下达到百分之百密封，而不锈钢和丁腈橡胶要达成百分之百的密封只需要5.2MPa的压力。

另外本次测试也考虑到了橡胶透气性对密封性能的影响，在橡胶中，如果存在侧链基团的话会使气体在其中的扩散性明显降低。同时根据本节分析的橡胶密封性和黄铜之间的对比，当对橡胶的密封面施加足夠压力就使其密封性能明显提升，以此可知，在密封材料的选择上应以不锈钢和橡胶为主，同时结合橡胶的透气性可以选择有侧链基团的丁基橡胶或者是聚异丁烯橡胶等[2]。

3.3 密封宽度

右图是在密封面使用了丁腈橡胶为密封材料，为了测试密封宽度对密封性的影响，本次分别对0.5mm、1.5mm、3.0mm的密封宽度作测试（如图2所示）。

通过图2可以发现，当密封宽度降低时接触比压力相对有所增加，但是会逐渐降低增加的速度，同时选择橡胶密封件的原则是其最大的承受压力要大于密封位置最大接触压力。另外本次测试也对密封面的形状做了测试，发现D形的密封面要比O形的密封面性能密封性能好，D形密封面有效避免了O形密封面中密封件的位移问题，有效保证了密封性能。

3.4 小结

通过本章以上分析可以得知，对闸板防喷器气密封性能改进要从密封面的粗糙度、密封材料、密封宽度等方面进行综合选择，密封材料要选择有侧链基团的丁基橡胶、使用D形的密封面、适当扩大密封宽度，至于粗糙度的设置要以实际需求为准，不能以一次试验下定论，因此不作介绍。

4 结束语

综上所述，笔者以一次对闸板防喷器的试验为基础做了分析，发现了目前在闸板防喷器气密性能中的问题，并且从密封面粗糙度、密封材料、密封宽度等方面对闸板防喷器气密性的改进做了分析，希望通过此次分析能够提升闸板防喷器的密封性能。

参考文献

[1]马卫国，陈婷，徐杏娟，etal.带压作业闸板防喷器胶芯密封性能分析[J].石油矿场机械，2017，23（03）：103-106。