不规则压力容器的补强方法

专利名称：不规则压力容器的补强方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于油气工业的不规则压力容器。具体地，本发明 涉及防喷器的制造或补强方法。
背景技术：
井控是油气勘探的重要方面。例如，在钻井时，必须将安全装置放置 于合适的位置，以避免伴随钻井作业发生的意外情况对人员造成伤害以及 对设备造成破坏。钻井包括穿透各种地下地质构造或"层"。有时，井筒将穿透地层压力 明显高于井筒中压力的层。在出现这种情况时称井已溢流。伴随溢流出现 的压力升高通常是由地层流体(可以是液体、气体或它们的组合)流入井筒所 引起。压力较高的溢流往往从进入井筒的位置向井口蔓延(从高压区域向低 压区域)。如果允许溢流到达地面，则可能将钻井液、钻具和其它钻井结构 件从井筒中喷出。这种"井喷"可造成钻井设备(包括例如钻机)的严重破坏和 钻机操作人员的重大伤亡。鉴于井喷的风险，将称为防喷器的装置安装在位于地表的井头上方或 者在深水钻井布置中安装于海底，以有效地密封井筒，直至可采取积极的 措施控制溢流。可起动防喷器，以使溢流得到充分地控制并"循环，，离开 系统。防喷器有数种，其中最常见的为闸板式防喷器和套筒式环空防喷器(annular blowout preventer)(包4舌3求形防喷器)。套筒式环空防喷器通常使用具有金属插入物的大型环形橡胶或弹性密 封件，将该密封件称为"密封胶芯(packingunits)"。可起动防喷器内的密封胶 芯，以包围钻杆和钻具，从而完全密封钻杆或钻具与井筒之间的"环空"。在 密封胶芯的孔内没有钻杆或钻具的情况下，可压缩密封胶芯以使密封胶芯 的孔完全闭合。通常，密封胶芯密封钻杆周围，其中可手动或借助机械快 速压缩密封胶芯，以作用于其周围的密封件，来防止井压造成井喷。美国 专利No. 2,609,836和5,819,013才皮露了套筒式环空防喷器的实例，在此引入它们的全文作为参考。美国专利No. 3,667,721披露了球形防喷器的实例， 在此引入其全文作为参考。闸板式防喷器通常具有主体和至少一对水平相对的阀盖(bonnet)。通常 利用例如螺栓围绕阀盖的周边将阀盖固定于主体。可供选择地，可利用铰 链和螺栓将阀盖固定于主体，从而为了维护进入可使阀盖转动至一侧。各 阀盖内为活塞驱动闸板。闸板可以是钻杆闸板(pipe ram)(起动时移动接合并 环绕钻杆和钻具以密封井筒)、剪切闸板(起动时移动接合并物理剪切井筒中 的任意钻杆或钻具)或全封闭闸板(起动时类似于闸阀密封井筒)。闸板通常 相对设置，无论是钻杆闸板、剪切闸板还是全封闭闸板，闸板通常在井筒 中心附近相互抵靠进行密封，从而完全密封井筒。闸板通常由钢制成且在密封表面上装配有弹性部件。防喷器闸板可具 有使其能够密封井筒的各种构造。钻杆间板中间通常具有与孔中钻杆的直 径相应的圓形切口，以在钻杆处于孔中时将井密封；然而，这种钻杆闸板 仅仅有效密封直径范围有限的钻杆。设计变径闸板以密封直径范围更广的 钻杆。还可改变防喷器中的各种防喷器闸板，使井控人员得以针对特定井 筒^1或进行的作业优化防喷器构造。美国专利No. 6,554,247、 6,244,560、 5,897,094、 5,655,745和4,647,002披露了闸板式防喷器的实例，在此引入它 们的全部内容作为参考。图1示出了美国专利No. 4,647,002所述的闸板式防喷器实施方案的截 面图。防喷器壳体104可具有垂直孔102,可将管状构件IOO(例如钻杆或钻 具)插入该垂直孔102。壳体104可具有一个或多个水平孔106、 108(如图所 示双闸板防喷器构造中的两个水平孔)。水平孔106中为防喷器闸板60,如 截面图所示，所述防喷器闸板60各自具有顶部密封件10和密封元件24。 如图所示，防喷器闸板60处于开放位置。当防喷器闸板60闭合时，顶部 密封件IO发挥作用而密封水平孔106的上表面，同时密封元件24向内密 封如第二水平孔108中所示的管状构件100。目前制造了各种孔径范围的闸板式防喷器，这些闸板式防喷器通常具 有2,000至15,000 psi的工作压力范围。例如，可使用基材，如主体整个截 面厚度的最小材料屈服强度为85,000 psi的低合金钢，制造额定工作压力为 15,000 psi的闸板式防喷器。对于避免在150%工作压力范围的水压试验压 力下(22,500 psi的水压试验内压)和15,000 psi的最大内部工作压力下主体发5生塑性变形或失效，这种最小屈服强度是必要的。已确定这种额定压力为
15,000 psi的闸板式防喷器主体的屈服强度(85,000 psi)明显超出该额定压力 所需的最低要求。
然而，可能需要在高压高温条件下(大于15,000 psi且大于250。F)使用 闸板式防喷器。具体地，可能需要额定工作压力为20,000 psi、 25,000 psi 及更高压力且工作温度高达350。F或更高的闸板式防喷器。这种防喷器需 要满足油气田金属部件的设计标准，例如针对金属经受各种环境组合物、 pH、温度和H2S分压时的性能，NACE国际组织(前身为National Association of Corrosion Engineers)和European Federation of Corrosion确立的要求(包括 NACE MR0175、 NACE TM0177和NACE TM0284)。
目前作为基材用于制造闸板式防喷器的合金在较高的压力下可能不能 够充分发挥作用，使闸板式防喷器经受主体的塑性变形或失效。具有所需 额定高压的防喷器的一种制造方法包括由强度较高的基材如高强度耐腐蚀 实心合金锻件制造闸板式防喷器。然而通常仅能够得到30,000磅或更小的 高强度耐腐蚀合金铸锭，而可能需要近100,000磅或更大的铸锭来制造双腔 闸板防喷器主体。更重要的是，使用这种基材制造防喷器主体可能在成本 上是不允许的，因为这种高强度耐腐蚀合金比低合金钢贵很多并且不像其 强度较低的等同物那样易于机加工。
因而，需要高压高温闸板式防喷器。此外，需要制造额定工作压力和 温度较高的防喷器的低成本方法。

发明内容
一方面，本发明涉及闸板式防喷器的制造方法。该方法可包括分析 闸板式防喷器的第 一模型；确定在选定的负荷条件下该第 一模型中高应力 集中的区域；制造闸板式防喷器；相应于所制造的闸板式防喷器选择性补 强高应力集中的区域。
另一方面，本发明涉及补强不规则压力容器的方法。该方法可包括 分析不规则压力容器；确定该不规则压力容器中高应力集中的区域；选择 性补强所述高应力集中区域。
另一方面，本发明涉及闸板式防喷器。该闸板式防喷器可包括主体、 穿过主体的垂直孔、穿过主体与垂直孔相交的水平孔、设置于水平孔中位于主体相对侧的两个闸板组件，其中所述闸板组件适于受控横向往复移动 至垂直孔，并且其中选择性补强主体的至少一部分。
通过以下说明和所附权利要求，本发明的其它方面和优势将显而易见。


图1是示出闸板组件的防喷器局部截面侧视图，还示出了处于同一外 壳中的两组闸板，其中 一 组闸板组件围绕外壳垂直孔中的管状构件闭合， 另一组闸板组件打开。
图2示出根据本发明的实施方案经受外加负荷和边界条件的整个模型 的半剖视图。
图3示出经受15ksi压力的图2所示模型的有限元分析结果。 图4示出图3所示结果的放大图，集中于防喷器的底座区域。 图5示出图3所示结果的放大图，集中于防喷器的节流器和压井槽(kill pocket)。
图6示出经受20ksi压力的图2所示模型的有限元分析结果。 图7示出图6所示结果的放大图，集中于防喷器的底座区域。 图8示出图6所示结果的放大图，集中于防喷器的节流器和压井槽。 图9示出经受25 ksi压力的图2所示模型的有限元分析结果。 图IO示出图9所示结果的放大图，集中于防喷器的底座区域。 图11示出图9所示结果的放大图，集中于防喷器的节流器和压井槽。 图12示出经受20ksi压力和350 。F内部温度的图2所示模型的有限元 分析结果。
图13示出图12所示结果的放大图，集中于防喷器的底座区域。
图14示出图12所示结果的放大图，集中于防喷器的节流器和压井槽。
具体实施例方式
一方面，本发明涉及制造或补强不规则压力容器的方法。其它方面， 本发明涉及经过选择性补强的不规则压力容器。在一些实施方案中，补强 不规则压力容器的方法可包括分析不规则压力容器；确定该不规则压力 容器中高应力集中的区域；选择性补强所述高应力集中区域。
如本文所用，"不规则压力容器，，是指具有复杂结构的容器，该容器可具有多个圓角和尖角、孔、活动件和典型圓筒或球形压力容器中通常没有 的其它各种内部特征。如图1所示及以上所述，闸板式防喷器是不规则压 力容器的一个实例，其具有多个内角、活动件和交叉孔。本领域技术人员 应当理解的是其它防喷器设计也是可行的，尽管未进行详述，但本发明可 等同地应用于其它防喷器和不规则压力容器。 一些方面，本发明涉及闸板 式防喷器的制造方法。另一方面，本发明涉及选择性补强的闸板式防喷器。 其它方面，本发明涉及选择性补强闸板式防喷器的方法。其它方面，本发 明涉及额定工作温度和/或压力高的选择性补强闸板式防喷器。
在工作过程中，就较小的范围而言，在试验过程中(水压试验、压力试 验等)，闸板式防喷器经受基于负荷条件的应力和应变，其中大多数负荷条 件可能连续、半连续或循环出现。负荷条件可包括热负荷、压力负荷或机
械负荷。对于海底防喷器，当井筒较热(例如300 。F)并设置于10,000英尺 32。F的水中时可能出现热负荷。压力负荷可能由向外作用于BOP的内(井 筒)压造成或者由向内的静水外压造成。此外，防喷器上的机械负荷可能包 括阀盖和凸缘螺栓的紧固预加负荷、轴向拉伸和压缩负荷、挠矩。因而，
负荷条件可包括外推作用于防喷器主体的内压(正常工作压力下或高压溢流 过程中)、外压、轴向拉伸、轴向压缩、纵向拉伸、纵向压缩、轴向挠矩、 纵向挠矩、提升拉伸和挠曲、温度极限以及其它负荷状态中的至少一种。
具有显著的影响。对经受特征在于大量应力的各种负荷条件的不规则压力 容器的性能进行分析可改善容器的设计、改进较高温度和/或压力下BOP的 性能。
离散元分析(DEA)和有限元分析(FEA)是对过于复杂而不能够通过严格 的分析方法分析的结构件或部件中的应力和应变进行分析的有效且强大的 方法。采用这些方法，将结构件或部件分解为各种类型、尺寸和形状的大 量小单元(数量有限的单元)。假定所述单元具有简化的变形模式(线性、二 次等)并在通常位于所述单元的角或边上的节点处连接。然后，运用结构力 学的基本原理，即力的平衡和负荷的连续性，得到大型联立方程系统(网格)， 来数学组装所述单元。
可借助于计算机求解该大型联立方程系统，得到负荷作用下结构件或 部件的变形形状。可基于此计算应力和应变。执行这种FEA的合适软件包括ABAQUS (可购自ABAQUS, Inc.) 、 MARC(可购自MSC Software Corporation)和ANSYS (可购自ANSYS， Inc.)等。可采用本领域已知的任意 形状的有限元。然而，六边形单元通常高度稳定且在模拟模型中的高应力 和应变时可能较为有利。
可采用简化的BOP设计和/或BOP模型，以有助于BOP的分析。例如， 可通过"平滑化"复杂的BOP设计，简化对该设计的应力和应变集中的分 析。如本文所用，术语"平滑化，，是指简化设计的复杂几何结构以用于FEA 的各种方法。例如，可改进内角来尝试减小或消除其半径，以简化随后构 建的模型。这些方法可允许平滑模型(即由平滑设计构造的FEA模型)的分 析与确定结果相关联并收敛于该确定结果(对未经平滑化的模型进行分析时 不可能)。因而，可通过FEA分析由平滑设计构造的模型，来确定整体或体 积应变状态。可通过分析体积应变，来预测各种负荷条件下BOP的性能和 可能发生的失效。
FEA的一个目的可能在于隔离高应力或应变区域并确定趋于降低循环 寿命的区域。分析各种负荷条件下容器的性能所得到的有限元分析结果可 用于确定不规则压力容器中高应力集中的区域。 一旦确定高应力区域，即 可重新设计这些区域，或者可标记出这些区域来进行冶金加工，例如随后 将进行描述的选择性补强。
应确定BOP可能的负荷状态或负荷条件以输入FEA。如上所述，所述 负荷状态或负荷条件可包括正常工作压力、高压溢流、提升拉伸和挠曲、 温度极限以及其它负荷状态。负荷条件的数据应包括典型值或预期值以及 最大和/或最小值和这些负荷变化的频率，以能够进行完整的分析。
还可确定用于形成BOP的基材的性能，从而确定最大容许应力峰值(SB 峰值)。可通过经验试验确定材料性能，或者可供选择地，可由商购材料的 性能数据提供材料性能。例如，可基于在NACE环境下(即NACE国际组织 针对油气田设备试验确立的环境)进行的现场试验确定所述值，应力应满足 循环寿命要求并且小于发生硫化物应力腐蚀断裂时的应力。
更具体地，可确定BOP基材的拉伸性能。材料的拉伸强度是失效前材 料可能经受的应力(拉伸)最大值。当应力作用于材料时，材料产生应变以适 应该应力。 一旦对于该材料而言应力过大，则该材料不能够再产生应变， 从而失效。将材料的失效点称为极限拉伸强度。然后，可采用基于FEA的方法，利用负荷条件和材料性能对BOP进行 分析。应认为设计和工作负荷的所有排列生成BOP的完成分析结果。还应 使用根据温度降低额定值的合适螺栓预加负荷和材料性能数据。
生成BOP的模型(即联立方程的网格)以用于有限元分析。可生成具有 特定设计特征的防喷器三维模型。可选择这些设计特征以产生特定的性能 特征。因而，生成模型还可包括下述步骤输入BOP设计以生成BOP模型 并平滑化所输入的BOP设计。可将各种平滑化方法应用于BOP设计以简化 FEA分析。可通过计算机辅助设计("CAD")程序包(例如购自Autodesk, Inc. 的AutoCAD ,口购自Parametric Technology Corporation的Pro/Engineer)才艮才居 BOP设计生成BOP模型，并将该BOP模型输入FEA程序包。可供选择地， 可通过FEA程序包(例如ABAQUS和PATRAN)本身生成BOP模型。
接着，可采用BOP模型通过FEA模拟作用于BOP的负荷条件。优选 地，这些模拟负荷条件反映BOP在正常使用时可能经受的负荷状态或应力。 此外，在对作用于BOP模型的负荷条件进行模拟之后，可分析所述负荷条 件下的应力曲线图，该应力曲线图示出了 BOP模型中出现的应力和变形。 应力曲线图可确定并示出在作用于BOP的模拟负荷条件下BOP模型中出现 应力的位置和大小。
可分析和评价应力曲线图以确定BOP模型的性能和特征。如果可进一 步改进BOP模型，则可生成另一 BOP模型或者重新生成(改进)当前的BOP 模型。由此得以通过FEA进一步模拟BOP模型，以确定进一步改进或模型 化之后BOP模型的性能。另夕卜，如果认为BOP模型能够接受且满足任意和 /或所有特定标准，则可如下所述将该BOP模型用于制造防喷器。
上述数值方法(FEA分析)的目的包括确定、隔离和突出BOP设备中处 于高应力状态或峰值应力(SB峰值)状态的区域。例如，可确定可能导致在 NACE环境下早期失效的应力状态。BOP的FEA结果可用于生成应力和应 变曲线图，来确定容器中高应力集中的区域。
这些曲线图例如可用于隔离应力超过基材屈服强度的90%的区域。鉴 于对油气田设备提出的性能和试验要求，应特别注意超过屈服强度的90% 的区域。例如，对于腐蚀性(NACE)环境，设计编码可将最大应变限制为材 料屈服强度的90%，使得可维持设计循环寿命。应力可超过基材屈服强度 的90%的区域包括底座槽(seat pocket)、阀盖附近的BOP槽和BOP内孑L(垂直孔、水平孔、垂直孔和水平孔的交叉部分)。所述结果还可用于计算超过 屈服强度的90%的高应力区域的深度。
在制造BOP时可改进所确定的高应力区。例如，可在空间图像或图纸 中标出所述区域，注明超过容许SB峰值应力的高应力区域的深度和横向范 围(长度和宽度)。可绘出轮廓图，示出超过基材屈服强度的90。/。的局部应力 区域的长度、宽度和深度。例如，可将峰值应力区的表面位置转移至适当 的制造图纸上。然后，可利用与基材冶金学结合的强度较高的材料，选择 性补强所确定的高应力区域。
在一些实施方案中，可利用嵌体包层(inlay clad)选择性补强基材。在其 它实施方案中，可利用覆面包层(overlayclad)选择性补强基材。可利用压力、 热量、焊接、钎焊、辊压接合、爆炸结合、焊接覆面(weld overlaying)、壁 纸或它们的组合，结合包层嵌体或覆面与基材。在其它实施方案中，可使 用电弧焊包层法、热等静压包层法(HIP包层法)、自紧包层法、激光包层法 或这些方法的任意组合，结合包层与基材。在一些实施方案中，可使用一 个或多个包层，例如具有两层(基材和包层)的单包层、双包层(具有3层)或 达到7层或更多层的包层。
在一些实施方案中，可利用包层嵌体选择性补强基材。在各种实施方 案中，包层嵌体可冷缩配合或压力配合于BOP主体中切削出的凹口并缝焊/ 密封焊接于适当的位置。在其它实施方案中，可根据FEA应力曲线图确定 包层嵌体的形状。
在一些实施方案中，包层嵌体或覆面可具有高达0.625英寸或以上的厚 度或平均厚度。在其它实施方案中，包层嵌体可具有约0.010英寸至约0.625 英寸，在其它实施方案中约0.050至约0.500英寸，在其它实施方案中约0.125 英寸至约0.375英寸的平均厚度。
在其它实施方案中，由高强度合金制成的压力配合或冷缩配合部件可 结合不规则压力容器使用。例如，在将由高强度合金(例如铬镍铁725)制成 的实心部件(例如凸缘、阀盖、阀体等)压力配合或冷缩配合于主体之后，可 将所述实心部件密封焊接于低强度基体。
在其它实施方案中，可利用与基材冶金学结合的强度较高的材料代替 所确定的高应力区中的基体金属。例如，可打磨高应力区中的基体金属并 利用与基材冶金学结合的强度较高的材料代替高应力区中的基体金属。在一些实施方案中，选择性补强是强度较高的材料在基材上的包层覆 面。在其它实施方案中，选择性补强可以是强度较高的材料在基材中的打 磨或机加工凹口中的包层覆面。
包层合金的选择可基于包层合金的耐腐蚀能力(包括应力腐蚀断裂)和 增强其施用和意图保护的部件的机械强度的能力(例如通过与低合金基体冶 金学结合)。在典型覆面中，例如，期望包层材料的强度至少等于其所施用
的基体金属的强度。即，期望堆焊合金(如合金625)与低合金钢基体金属(例 如屈服强度为75,000 psi的低合金钢)的屈服强度匹配。然而，可制造本申 请披露的选择性补强闸板式BOP的实施方案，以在高压高温条件下(例如在 20,000psi的最大内压和较高的设计工作压力下或者发现极高局部应力的位 置)工作。可施用强度较高的材料构成的包层，该包层的厚度覆盖该较高强 度包层中的局部应力，从而形成满足油气田部件和设备的NACE或其它标 准且同时满足设计的强度要求的闸板式BOP。
在一些实施方案中，基材可以是F22低合金钢，这种钢含有约2重量％ 铬和1重量％钼。本领域技术人员应当理解的是，还可使用具有适用于油气 环境的适宜耐腐蚀性、硬度和拉伸性能的其它耐腐蚀材料。
在一些实施方案中，包层覆面或嵌体可由高屈服强度耐腐蚀性合金如 铬镍铁725或合金625形成。本领域技术人员应当理解的是，其它高强度 耐腐蚀材料也可用作包层。优选地，包层材料与基材相容。在一些实施方 案中，包层覆面或嵌体可由屈服强度高于合金625的合金形成。
可获得焊丝、粉末或带式焊料形式的合金用作包层以进行焊接包层， 还可获得粉末形成的合金用作包层以用于HIP包层操作。还可获得可用于 自紧包层操作的其它形式的合金。
一旦选择了包层法或多种包层法的组合，即可根据FEA应力分析结果 确定包层的最小厚度和位置。包层的所需厚度或深度可根据用于形成包层 的合金、包层和基材之间形成的结合、源自用于结合包层材料与基材的工 艺的包层材料稀释而改变。 一旦确定了局部应力的值和位置，即可选择包 层合金。可能无需包覆整个闸板式BOP主体。具体地，可能仅BOP主体的 一部分，包括润湿面、闸板腔及闸板式BOP主体的节流器和压井侧出口需 要包层。此外，可在应力较低的区域选择性布置明显较小的包层厚度，从 而防止井筒流体对这些区域的腐蚀。实施例
现参考图2，示出了包括适当设计的18-3/4英寸闸板式防喷器的三维模 型的实施例。图2还示出了用于分析的典型负荷和边界条件。基于ASME Section-VIII Div-3标准，设计了用于高压高温(HPHT)或超高压高温(XHPHT) 应用的BOP模型。在应用上述方法之前，对BOP主体的几何结构进行了设 计，以满足高压(15ksi以上)和高温(250。F以上)应用的所有主要标准。基于 ASME Section-Vni Divsion-3标准，认为针对井筒压力高达25 ksi且井筒温 度高达350 。F的结构负荷对受验BOP进行了适当地设计。模型化和对模型 的分析结果可更加有利于任意现有的BOP设计，使得硫化物应力腐蚀断裂、 SSCC、或与腐蚀相关的极限条件由适用于NACE环境的较高强度材料的选 择性焊接包层来应对。
对于受验的XHPHTBOP,选择了最小材料屈服强度为85 ksi的F22材 料。由于必要的后焊接热处理(PWHT)将降低屈服强度，因而可认为材料最 终的最小屈服强度为80 ksi。对于SSCC或NACE环境，基于TMO 177方 法A,完成了适当的材料试验。基于工业经验和可获得的试验数据，观察 到在TMO 177方法A试验中样品在80。/。的屈服应力水平下失效。基于此， 对于F22材料，认为0.8*的最小屈服应力或64 ksi的上限是可以接受的。
针对三种不同的最大工作压力，即15 ksi 、 20 ksi和25 ksi的井筒压力(没 有热负荷)，对BOP进行了分析。还考虑350。F的热负荷以及如上所述的其 它负荷，对井筒压力为20ksi的情况单独进行了分析。
图2示出了用于分析的典型负荷和边界条件。如图所示，井筒压力为 24.45 ksi(与外压相差20 ksi)，井筒温度为350。F，外部温度为37。F。结合可 能的负荷条件，对受验BOP进行了有限元分析(FEA)。负荷包括井筒压力、 上部拉伸和挠曲负荷、压力终端负荷。
在图3至14中以von misses应力VMS曲线图的形式示出了有限元分 析结果。对于图3至14中的VMS曲线图，使用64 ksi的较低边界应力隔 离所有应力较高的区域。在所有这些附图中仅示出了大于64 ksi的应力区。 图3至5示出了整个模型的半剖面上的应力(图3)、底座高应力区的详图(图 4)和井筒压力为]5 ksi时(没有热应力)节流器和压井槽的详图。图6至8示 出了井筒压力为20 ksi时(没有热应力)类似的曲线图。图9至U示出了井 筒压力为25 ksi时(没有热应力)的VMS应力。图12至14示出了井筒压力为20 ksi且同时考虑350。F热负荷(井筒表 面温度)时的VMS应力。将通过独立的CFD分析计算得到的对流传热系数 hf应用于暴露于海水的区域。
模型的结果表明最高应力出现在BOP的没有施加热负荷的孔侧。施加 的压缩热应力明显降低了内应力，但外应力增加。认为外应力区域受 SSCC(或NACE相关)约束条件的影响最小。模型表明热应力状态是高压 (HPHT)应用的不守恒情况，特别是考虑到符合NACE材料要求。
接着，观察到受验BOP适合井筒压力为15 ksi的NACE应用。除VMS 应力大于64 ksi的一些局部位置外，整个BOP堆叠体适用于NACE环境。 对模型、精制网格的极小改进可消除这种极小的高应力(大于64ksi)位置。
分别如图9-11和图12-14所示，对于20 ksi和25 ksi的井筒压力，结果 中大于64 ksi的VMS应力区清晰可见。这些应力曲线图确定了大于64 ksi 的高VMC应力区的位置和深度。对于20ksi的井筒压力FEA,最高应力保 持低于108ksi，对于25 ksi的井筒压力FEA,最高应力保持低于12 ksi。 在BOP上部的凹槽区域周围，观察到应力超过112 ksi的小区域。对整个组 件的分析表明上配合凸缘的刚度和螺栓预加负荷造成的接触应力降低了这 种峰值应力。保持120 ksi的最大VMS应力以适于井筒压力为25 ksi的应 用。
可计算VMS应力曲线图所示出的高应力区的深度。NACE相容材料， 如最小屈服强度为120 ksi的铬镍铁725，可具有108 ksi的90%屈服强度 (0.9xl20-108)且满足TMO 177方法A试验。因而，可使用强度较高的耐腐 蚀合金选择性包覆这些区域中的基材，已证实所述合金满足NACE MR0175/ISO 15156的要求。
FEA结果另外表明材料的局部应力出现在18-3/4英寸的通孔处或该通 孔附近距离闸板式BOP主体的ID表面0.250至0.500英寸以内的位置。可 利用符合NACEMRO 175的较高强度材料覆面包覆受影响的高应力区域。
包层覆面的厚度可能不需要超过0.375英寸来覆盖可能接近75,000 psi 的局部应力。厚度足以覆盖局部应力且最小屈服强度为120,000 psi的包层 覆面可能能够使局部应力保持低于基体金属所要求的包层最小屈服强度的 三分之二。可通过上述多种不同的方法实现较高强度材料的覆面。
本申请4皮露的实施方案和方法可有利地采用FEA通过应力分析生成和分析BOP模型，以确定在特征在于大量应力的负荷条件下BOP的响应。然
后可利用所得到的应力分析结果改善BOP设计、改善BOP在较高温度和压
力下的性能。
有利地，本发明可提供基于ASME Section-Vin Div-3或类似的HPHT 设备设计原则建立整个BOP设计的方法。BOP可满足NACE峰值应力和循 环寿命要求。本申请披露的方法和实施方案可提供工作寿命延长的防喷器。 例如，可模型化反复闭合或高压溢流模拟负荷条件下的BOP,以确定可延 长防喷器工作寿命的设计特征。
本发明还可提供额定工作温度和压力较高的防喷器。例如，可选择性 补强本申请披露的防喷器实施方案，以满足在较高工作压力如20 ksi、 25 ksi、 30ksi或更高压力下工作的要求。可选择性补强本申请披露的其它防喷 器实施方案，以满足在较高工作温度如250°F、 350。F或更高温度下工作的要求。
有利地，本发明可提供制造BOP主体的方法，与试图由可满足NACE MR.0.175要求的高强度耐腐蚀实心合金制造BOP主体相比，该方法成本较 低。鉴于包层以下距离井筒流体润湿表面0.250至0.500英寸处的主体的 机械强度可能明显低于该局部应力区所要求的机械强度，尤为如此。其它 实施方案可补强现有的BOP设计，从而可通过使用适用于油气环境的较高 强度材料选择性补强BOP,来应对硫化物应力腐蚀断裂(SSCC)或与腐蚀相 关的极限条件。
包层合金的选择可主要依据包层的高机械强度并且还可依据包层和基 体之间达到的冶金学结合。包层的额外贡献可能是包层合金赋予防喷器的 耐腐蚀性。包层的另 一贡献在于闸板式BOP主体的内表面的任意划痕或凿 口不易延伸到包层深度以下，从而使包层得以继续保护其所沉积的低合金 钢基体。具体地，包层还将继续保护主体以免出现经常在BOP主体内腔中 发现的孔蚀。另外，修复包层中的凿口可能比修复低合金钢基体中的类似 损伤容易且成本较低。
尽管针对数量有限的实施方案对本发明进行了描述，但受益于本发明 的本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下可设计其 它实施方案。因而，本发明的范围应仅受限于所附权利要求。
权利要求
1. 一种制造闸板式防喷器的方法，该方法包括分析闸板式防喷器的第一模型；确定在选定的负荷条件下所述第一模型中高应力集中的区域；制造所述闸板式防喷器；相应于所制造的闸板式防喷器，选择性补强所述高应力集中区域。
2. 权利要求1的方法，其中对所述第一模型的分析包括有限元分析。
3. 权利要求1的方法，其中所述高应力集中区域的确定包括相应于所 选择的负荷条件生成所述第一模型的应力曲线图。
4. 权利要求1的方法，其中选择性补强包括包层覆面和包层嵌体中的 至少一种。
5. 权利要求1的方法，还包括分析所述闸板式防喷器的第二模型，其 中生成所述第二模型以使所述第 一模型中确定的高应力集中区域最小化。
6. —种补强不规则压力容器的方法，该方法包括 分析所述不规则压力容器；确定所述不规则压力容器中的高应力集中区域； 选择性补强所述高应力集中区域。
7. 权利要求6的方法，其中所述不规则压力容器为闸板式防喷器。
8. 权利要求6的方法，其中高应力集中区域的确定包括相应于作用于所述不规则压力容器的符合条件所述不规则压力容器的应力曲线图
9. 权利要求6的方法，其中所述不规则压力容器的负荷条件包括内压、 外压、轴向拉伸、轴向压缩、纵向拉伸、纵向压缩、轴向挠矩和纵向挠矩 中的至少一种。
10. 权利要求6的方法，其中选择性补强包括包层覆面。
11. 权利要求10的方法，还包括根据所述不规则压力容器的分析结果 选择所述包层覆面的厚度。
12. 权利要求10的方法，其中所述包层覆面通过电弧焊包层法、热等 静压包层法、自紧包层法中的至少一种形成。
13. 权利要求6的方法，其中选择性补强包括包层嵌体。
14. 权利要求13的方法，其中将所述嵌体冷缩配合或压力配合在所述不规则压力容器中的凹切口中并于适当的位置焊接。
15. 权利要求13的方法，其中根据所述不规则压力容器的有限元分析 结果，使所述包层嵌体成形。
16. —种闸板式防喷器，包括 主体；穿过所述主体的垂直孔； 穿过所述主体与所述垂直孔交叉的水平孔；设置于所述水平孔中位于所述主体相对侧的两个闸板组件，其中所述 闸板组件适于到所述垂直孔和自所述垂直孔的受控横向移动； 其中所述主体的至少一部分被选择性补强。
17. 权利要求16的闸板式防喷器，其中所述至少一部分包括垂直孔、 水平孔、垂直孔和水平孔之间的交叉部分中的至少 一种。
18. 权利要求16的闸板式放喷器，其中基于对所述主体的有限元分析， 选择性补强所述至少一部分。
19. 权利要求16的闸板式防喷器，其中所述闸板式防喷器的额定工作 压力为20,000 psi或以上。
全文摘要
一种制造闸板式防喷器的方法，该方法包括分析闸板式防喷器的第一模型；确定在选定的负荷条件下第一模型中高应力集中的区域；制造闸板式防喷器；相应于所制造的闸板式防喷器选择性补强高应力集中区域。其它实施方案包括补强不规则压力容器的方法，包括分析不规则压力容器；确定不规则压力容器中的高应力集中区域；选择性补强高应力集中区域。其它实施方案包括闸板式防喷器，该闸板式防喷器包括主体；穿过主体的垂直孔；穿过主体与垂直孔交叉的水平孔；设置于水平孔中位于主体相对侧的两个闸板组件，其中闸板组件适于受控横向往复移动至垂直孔，并且其中选择性补强主体的至少一部分。
文档编号G01M99/00GK101523011SQ200780036443
公开日2009年9月2日 申请日期2007年9月25日 优先权日2006年9月28日
发明者菲利普·A·赫夫, 谢菲克·卡恩多克 申请人:海德里尔美国制造有限责任公司