專利名稱：不規則壓力容器的補強方法
技術領域：
本發明總體上涉及用于油氣工業的不規則壓力容器。具體地，本發明 涉及防噴器的制造或補強方法。
背景技術：
井控是油氣勘探的重要方面。例如，在鉆井時，必須將安全裝置放置 于合適的位置，以避免伴隨鉆井作業發生的意外情況對人員造成傷害以及 對設備造成破壞。鉆井包括穿透各種地下地質構造或"層"。有時，井筒將穿透地層壓力 明顯高于井筒中壓力的層。在出現這種情況時稱井已溢流。伴隨溢流出現 的壓力升高通常是由地層流體(可以是液體、氣體或它們的組合)流入井筒所 引起。壓力較高的溢流往往從進入井筒的位置向井口蔓延(從高壓區域向低 壓區域)。如果允許溢流到達地面，則可能將鉆井液、鉆具和其它鉆井結構 件從井筒中噴出。這種"井噴"可造成鉆井設備(包括例如鉆機)的嚴重破壞和 鉆機操作人員的重大傷亡。鑒于井噴的風險，將稱為防噴器的裝置安裝在位于地表的井頭上方或 者在深水鉆井布置中安裝于海底，以有效地密封井筒，直至可采取積極的 措施控制溢流。可起動防噴器，以使溢流得到充分地控制并"循環，，離開 系統。防噴器有數種，其中最常見的為閘板式防噴器和套筒式環空防噴器(annular blowout preventer)(包4舌3求形防噴器)。套筒式環空防噴器通常使用具有金屬插入物的大型環形橡膠或彈性密 封件，將該密封件稱為"密封膠芯(packingunits)"。可起動防噴器內的密封膠 芯，以包圍鉆桿和鉆具，從而完全密封鉆桿或鉆具與井筒之間的"環空"。在 密封膠芯的孔內沒有鉆桿或鉆具的情況下，可壓縮密封膠芯以使密封膠芯 的孔完全閉合。通常，密封膠芯密封鉆桿周圍，其中可手動或借助機械快 速壓縮密封膠芯，以作用于其周圍的密封件，來防止井壓造成井噴。美國 專利No. 2,609,836和5,819,013才皮露了套筒式環空防噴器的實例，在此引入它們的全文作為參考。美國專利No. 3,667,721披露了球形防噴器的實例， 在此引入其全文作為參考。閘板式防噴器通常具有主體和至少一對水平相對的閥蓋(bonnet)。通常 利用例如螺栓圍繞閥蓋的周邊將閥蓋固定于主體。可供選擇地，可利用鉸 鏈和螺栓將閥蓋固定于主體，從而為了維護進入可使閥蓋轉動至一側。各 閥蓋內為活塞驅動閘板。閘板可以是鉆桿閘板(pipe ram)(起動時移動接合并 環繞鉆桿和鉆具以密封井筒)、剪切閘板(起動時移動接合并物理剪切井筒中 的任意鉆桿或鉆具)或全封閉閘板(起動時類似于閘閥密封井筒)。閘板通常 相對設置，無論是鉆桿閘板、剪切閘板還是全封閉閘板，閘板通常在井筒 中心附近相互抵靠進行密封，從而完全密封井筒。閘板通常由鋼制成且在密封表面上裝配有彈性部件。防噴器閘板可具 有使其能夠密封井筒的各種構造。鉆桿間板中間通常具有與孔中鉆桿的直 徑相應的圓形切口，以在鉆桿處于孔中時將井密封；然而，這種鉆桿閘板 僅僅有效密封直徑范圍有限的鉆桿。設計變徑閘板以密封直徑范圍更廣的 鉆桿。還可改變防噴器中的各種防噴器閘板，使井控人員得以針對特定井 筒^1或進行的作業優化防噴器構造。美國專利No. 6,554,247、 6,244,560、 5,897,094、 5,655,745和4,647,002披露了閘板式防噴器的實例，在此引入它 們的全部內容作為參考。圖1示出了美國專利No. 4,647,002所述的閘板式防噴器實施方案的截 面圖。防噴器殼體104可具有垂直孔102,可將管狀構件IOO(例如鉆桿或鉆 具)插入該垂直孔102。殼體104可具有一個或多個水平孔106、 108(如圖所 示雙閘板防噴器構造中的兩個水平孔)。水平孔106中為防噴器閘板60,如 截面圖所示，所述防噴器閘板60各自具有頂部密封件10和密封元件24。 如圖所示，防噴器閘板60處于開放位置。當防噴器閘板60閉合時，頂部 密封件IO發揮作用而密封水平孔106的上表面，同時密封元件24向內密 封如第二水平孔108中所示的管狀構件100。目前制造了各種孔徑范圍的閘板式防噴器，這些閘板式防噴器通常具 有2,000至15,000 psi的工作壓力范圍。例如，可使用基材，如主體整個截 面厚度的最小材料屈服強度為85,000 psi的低合金鋼，制造額定工作壓力為 15,000 psi的閘板式防噴器。對于避免在150%工作壓力范圍的水壓試驗壓 力下(22,500 psi的水壓試驗內壓)和15,000 psi的最大內部工作壓力下主體發5生塑性變形或失效，這種最小屈服強度是必要的。已確定這種額定壓力為
15,000 psi的閘板式防噴器主體的屈服強度(85,000 psi)明顯超出該額定壓力 所需的最低要求。
然而，可能需要在高壓高溫條件下(大于15,000 psi且大于250。F)使用 閘板式防噴器。具體地，可能需要額定工作壓力為20,000 psi、 25,000 psi 及更高壓力且工作溫度高達350。F或更高的閘板式防噴器。這種防噴器需 要滿足油氣田金屬部件的設計標準，例如針對金屬經受各種環境組合物、 pH、溫度和H2S分壓時的性能，NACE國際組織(前身為National Association of Corrosion Engineers)和European Federation of Corrosion確立的要求(包括 NACE MR0175、 NACE TM0177和NACE TM0284)。
目前作為基材用于制造閘板式防噴器的合金在較高的壓力下可能不能 夠充分發揮作用，使閘板式防噴器經受主體的塑性變形或失效。具有所需 額定高壓的防噴器的一種制造方法包括由強度較高的基材如高強度耐腐蝕 實心合金鍛件制造閘板式防噴器。然而通常僅能夠得到30,000磅或更小的 高強度耐腐蝕合金鑄錠，而可能需要近100,000磅或更大的鑄錠來制造雙腔 閘板防噴器主體。更重要的是，使用這種基材制造防噴器主體可能在成本 上是不允許的，因為這種高強度耐腐蝕合金比低合金鋼貴很多并且不像其 強度較低的等同物那樣易于機加工。
因而，需要高壓高溫閘板式防噴器。此外，需要制造額定工作壓力和 溫度較高的防噴器的低成本方法。

發明內容
一方面，本發明涉及閘板式防噴器的制造方法。該方法可包括分析 閘板式防噴器的第 一模型；確定在選定的負荷條件下該第 一模型中高應力 集中的區域；制造閘板式防噴器；相應于所制造的閘板式防噴器選擇性補 強高應力集中的區域。
另一方面，本發明涉及補強不規則壓力容器的方法。該方法可包括 分析不規則壓力容器；確定該不規則壓力容器中高應力集中的區域；選擇 性補強所述高應力集中區域。
另一方面，本發明涉及閘板式防噴器。該閘板式防噴器可包括主體、 穿過主體的垂直孔、穿過主體與垂直孔相交的水平孔、設置于水平孔中位于主體相對側的兩個閘板組件，其中所述閘板組件適于受控橫向往復移動 至垂直孔，并且其中選擇性補強主體的至少一部分。
通過以下說明和所附權利要求，本發明的其它方面和優勢將顯而易見。


圖1是示出閘板組件的防噴器局部截面側視圖，還示出了處于同一外 殼中的兩組閘板，其中 一 組閘板組件圍繞外殼垂直孔中的管狀構件閉合， 另一組閘板組件打開。
圖2示出根據本發明的實施方案經受外加負荷和邊界條件的整個模型 的半剖視圖。
圖3示出經受15ksi壓力的圖2所示模型的有限元分析結果。 圖4示出圖3所示結果的放大圖，集中于防噴器的底座區域。 圖5示出圖3所示結果的放大圖，集中于防噴器的節流器和壓井槽(kill pocket)。
圖6示出經受20ksi壓力的圖2所示模型的有限元分析結果。 圖7示出圖6所示結果的放大圖，集中于防噴器的底座區域。 圖8示出圖6所示結果的放大圖，集中于防噴器的節流器和壓井槽。 圖9示出經受25 ksi壓力的圖2所示模型的有限元分析結果。 圖IO示出圖9所示結果的放大圖，集中于防噴器的底座區域。 圖11示出圖9所示結果的放大圖，集中于防噴器的節流器和壓井槽。 圖12示出經受20ksi壓力和350 。F內部溫度的圖2所示模型的有限元 分析結果。
圖13示出圖12所示結果的放大圖，集中于防噴器的底座區域。
圖14示出圖12所示結果的放大圖，集中于防噴器的節流器和壓井槽。
具體實施例方式
一方面，本發明涉及制造或補強不規則壓力容器的方法。其它方面， 本發明涉及經過選擇性補強的不規則壓力容器。在一些實施方案中，補強 不規則壓力容器的方法可包括分析不規則壓力容器；確定該不規則壓力 容器中高應力集中的區域；選擇性補強所述高應力集中區域。
如本文所用，"不規則壓力容器，，是指具有復雜結構的容器，該容器可具有多個圓角和尖角、孔、活動件和典型圓筒或球形壓力容器中通常沒有 的其它各種內部特征。如圖1所示及以上所述，閘板式防噴器是不規則壓 力容器的一個實例，其具有多個內角、活動件和交叉孔。本領域技術人員 應當理解的是其它防噴器設計也是可行的，盡管未進行詳述，但本發明可 等同地應用于其它防噴器和不規則壓力容器。 一些方面，本發明涉及閘板 式防噴器的制造方法。另一方面，本發明涉及選擇性補強的閘板式防噴器。 其它方面，本發明涉及選擇性補強閘板式防噴器的方法。其它方面，本發 明涉及額定工作溫度和/或壓力高的選擇性補強閘板式防噴器。
在工作過程中，就較小的范圍而言，在試驗過程中(水壓試驗、壓力試 驗等)，閘板式防噴器經受基于負荷條件的應力和應變，其中大多數負荷條 件可能連續、半連續或循環出現。負荷條件可包括熱負荷、壓力負荷或機
械負荷。對于海底防噴器，當井筒較熱(例如300 。F)并設置于10,000英尺 32。F的水中時可能出現熱負荷。壓力負荷可能由向外作用于BOP的內(井 筒)壓造成或者由向內的靜水外壓造成。此外，防噴器上的機械負荷可能包 括閥蓋和凸緣螺栓的緊固預加負荷、軸向拉伸和壓縮負荷、撓矩。因而，
負荷條件可包括外推作用于防噴器主體的內壓(正常工作壓力下或高壓溢流 過程中)、外壓、軸向拉伸、軸向壓縮、縱向拉伸、縱向壓縮、軸向撓矩、 縱向撓矩、提升拉伸和撓曲、溫度極限以及其它負荷狀態中的至少一種。
具有顯著的影響。對經受特征在于大量應力的各種負荷條件的不規則壓力 容器的性能進行分析可改善容器的設計、改進較高溫度和/或壓力下BOP的 性能。
離散元分析(DEA)和有限元分析(FEA)是對過于復雜而不能夠通過嚴格 的分析方法分析的結構件或部件中的應力和應變進行分析的有效且強大的 方法。采用這些方法，將結構件或部件分解為各種類型、尺寸和形狀的大 量小單元(數量有限的單元)。假定所述單元具有簡化的變形模式(線性、二 次等)并在通常位于所述單元的角或邊上的節點處連接。然后，運用結構力 學的基本原理，即力的平衡和負荷的連續性，得到大型聯立方程系統(網格)， 來數學組裝所述單元。
可借助于計算機求解該大型聯立方程系統，得到負荷作用下結構件或 部件的變形形狀。可基于此計算應力和應變。執行這種FEA的合適軟件包括ABAQUS (可購自ABAQUS, Inc.) 、 MARC(可購自MSC Software Corporation)和ANSYS (可購自ANSYS， Inc.)等。可采用本領域已知的任意 形狀的有限元。然而，六邊形單元通常高度穩定且在模擬模型中的高應力 和應變時可能較為有利。
可采用簡化的BOP設計和/或BOP模型，以有助于BOP的分析。例如， 可通過"平滑化"復雜的BOP設計，簡化對該設計的應力和應變集中的分 析。如本文所用，術語"平滑化，，是指簡化設計的復雜幾何結構以用于FEA 的各種方法。例如，可改進內角來嘗試減小或消除其半徑，以簡化隨后構 建的模型。這些方法可允許平滑模型(即由平滑設計構造的FEA模型)的分 析與確定結果相關聯并收斂于該確定結果(對未經平滑化的模型進行分析時 不可能)。因而，可通過FEA分析由平滑設計構造的模型，來確定整體或體 積應變狀態。可通過分析體積應變，來預測各種負荷條件下BOP的性能和 可能發生的失效。
FEA的一個目的可能在于隔離高應力或應變區域并確定趨于降低循環 壽命的區域。分析各種負荷條件下容器的性能所得到的有限元分析結果可 用于確定不規則壓力容器中高應力集中的區域。 一旦確定高應力區域，即 可重新設計這些區域，或者可標記出這些區域來進行冶金加工，例如隨后 將進行描述的選擇性補強。
應確定BOP可能的負荷狀態或負荷條件以輸入FEA。如上所述，所述 負荷狀態或負荷條件可包括正常工作壓力、高壓溢流、提升拉伸和撓曲、 溫度極限以及其它負荷狀態。負荷條件的數據應包括典型值或預期值以及 最大和/或最小值和這些負荷變化的頻率，以能夠進行完整的分析。
還可確定用于形成BOP的基材的性能，從而確定最大容許應力峰值(SB 峰值)。可通過經驗試驗確定材料性能，或者可供選擇地，可由商購材料的 性能數據提供材料性能。例如，可基于在NACE環境下(即NACE國際組織 針對油氣田設備試驗確立的環境)進行的現場試驗確定所述值，應力應滿足 循環壽命要求并且小于發生硫化物應力腐蝕斷裂時的應力。
更具體地，可確定BOP基材的拉伸性能。材料的拉伸強度是失效前材 料可能經受的應力(拉伸)最大值。當應力作用于材料時，材料產生應變以適 應該應力。 一旦對于該材料而言應力過大，則該材料不能夠再產生應變， 從而失效。將材料的失效點稱為極限拉伸強度。然后，可采用基于FEA的方法，利用負荷條件和材料性能對BOP進行 分析。應認為設計和工作負荷的所有排列生成BOP的完成分析結果。還應 使用根據溫度降低額定值的合適螺栓預加負荷和材料性能數據。
生成BOP的模型(即聯立方程的網格)以用于有限元分析。可生成具有 特定設計特征的防噴器三維模型。可選擇這些設計特征以產生特定的性能 特征。因而，生成模型還可包括下述步驟輸入BOP設計以生成BOP模型 并平滑化所輸入的BOP設計。可將各種平滑化方法應用于BOP設計以簡化 FEA分析。可通過計算機輔助設計("CAD")程序包(例如購自Autodesk, Inc. 的AutoCAD ,口購自Parametric Technology Corporation的Pro/Engineer)才艮才居 BOP設計生成BOP模型，并將該BOP模型輸入FEA程序包。可供選擇地， 可通過FEA程序包(例如ABAQUS和PATRAN)本身生成BOP模型。
接著，可采用BOP模型通過FEA模擬作用于BOP的負荷條件。優選 地，這些模擬負荷條件反映BOP在正常使用時可能經受的負荷狀態或應力。 此外，在對作用于BOP模型的負荷條件進行模擬之后，可分析所述負荷條 件下的應力曲線圖，該應力曲線圖示出了 BOP模型中出現的應力和變形。 應力曲線圖可確定并示出在作用于BOP的模擬負荷條件下BOP模型中出現 應力的位置和大小。
可分析和評價應力曲線圖以確定BOP模型的性能和特征。如果可進一 步改進BOP模型，則可生成另一 BOP模型或者重新生成(改進)當前的BOP 模型。由此得以通過FEA進一步模擬BOP模型，以確定進一步改進或模型 化之后BOP模型的性能。另夕卜，如果認為BOP模型能夠接受且滿足任意和 /或所有特定標準，則可如下所述將該BOP模型用于制造防噴器。
上述數值方法(FEA分析)的目的包括確定、隔離和突出BOP設備中處 于高應力狀態或峰值應力(SB峰值)狀態的區域。例如，可確定可能導致在 NACE環境下早期失效的應力狀態。BOP的FEA結果可用于生成應力和應 變曲線圖，來確定容器中高應力集中的區域。
這些曲線圖例如可用于隔離應力超過基材屈服強度的90%的區域。鑒 于對油氣田設備提出的性能和試驗要求，應特別注意超過屈服強度的90% 的區域。例如，對于腐蝕性(NACE)環境，設計編碼可將最大應變限制為材 料屈服強度的90%，使得可維持設計循環壽命。應力可超過基材屈服強度 的90%的區域包括底座槽(seat pocket)、閥蓋附近的BOP槽和BOP內孑L(垂直孔、水平孔、垂直孔和水平孔的交叉部分)。所述結果還可用于計算超過 屈服強度的90%的高應力區域的深度。
在制造BOP時可改進所確定的高應力區。例如，可在空間圖像或圖紙 中標出所述區域，注明超過容許SB峰值應力的高應力區域的深度和橫向范 圍(長度和寬度)。可繪出輪廓圖，示出超過基材屈服強度的90。/。的局部應力 區域的長度、寬度和深度。例如，可將峰值應力區的表面位置轉移至適當 的制造圖紙上。然后，可利用與基材冶金學結合的強度較高的材料，選擇 性補強所確定的高應力區域。
在一些實施方案中，可利用嵌體包層(inlay clad)選擇性補強基材。在其 它實施方案中，可利用覆面包層(overlayclad)選擇性補強基材。可利用壓力、 熱量、焊接、釬焊、輥壓接合、爆炸結合、焊接覆面(weld overlaying)、壁 紙或它們的組合，結合包層嵌體或覆面與基材。在其它實施方案中，可使 用電弧焊包層法、熱等靜壓包層法(HIP包層法)、自緊包層法、激光包層法 或這些方法的任意組合，結合包層與基材。在一些實施方案中，可使用一 個或多個包層，例如具有兩層(基材和包層)的單包層、雙包層(具有3層)或 達到7層或更多層的包層。
在一些實施方案中，可利用包層嵌體選擇性補強基材。在各種實施方 案中，包層嵌體可冷縮配合或壓力配合于BOP主體中切削出的凹口并縫焊/ 密封焊接于適當的位置。在其它實施方案中，可根據FEA應力曲線圖確定 包層嵌體的形狀。
在一些實施方案中，包層嵌體或覆面可具有高達0.625英寸或以上的厚 度或平均厚度。在其它實施方案中，包層嵌體可具有約0.010英寸至約0.625 英寸，在其它實施方案中約0.050至約0.500英寸，在其它實施方案中約0.125 英寸至約0.375英寸的平均厚度。
在其它實施方案中，由高強度合金制成的壓力配合或冷縮配合部件可 結合不規則壓力容器使用。例如，在將由高強度合金(例如鉻鎳鐵725)制成 的實心部件(例如凸緣、閥蓋、閥體等)壓力配合或冷縮配合于主體之后，可 將所述實心部件密封焊接于低強度基體。
在其它實施方案中，可利用與基材冶金學結合的強度較高的材料代替 所確定的高應力區中的基體金屬。例如，可打磨高應力區中的基體金屬并 利用與基材冶金學結合的強度較高的材料代替高應力區中的基體金屬。在一些實施方案中，選擇性補強是強度較高的材料在基材上的包層覆 面。在其它實施方案中，選擇性補強可以是強度較高的材料在基材中的打 磨或機加工凹口中的包層覆面。
包層合金的選擇可基于包層合金的耐腐蝕能力(包括應力腐蝕斷裂)和 增強其施用和意圖保護的部件的機械強度的能力(例如通過與低合金基體冶 金學結合)。在典型覆面中，例如，期望包層材料的強度至少等于其所施用
的基體金屬的強度。即，期望堆焊合金(如合金625)與低合金鋼基體金屬(例 如屈服強度為75,000 psi的低合金鋼)的屈服強度匹配。然而，可制造本申 請披露的選擇性補強閘板式BOP的實施方案，以在高壓高溫條件下(例如在 20,000psi的最大內壓和較高的設計工作壓力下或者發現極高局部應力的位 置)工作。可施用強度較高的材料構成的包層，該包層的厚度覆蓋該較高強 度包層中的局部應力，從而形成滿足油氣田部件和設備的NACE或其它標 準且同時滿足設計的強度要求的閘板式BOP。
在一些實施方案中，基材可以是F22低合金鋼，這種鋼含有約2重量％ 鉻和1重量％鉬。本領域技術人員應當理解的是，還可使用具有適用于油氣 環境的適宜耐腐蝕性、硬度和拉伸性能的其它耐腐蝕材料。
在一些實施方案中，包層覆面或嵌體可由高屈服強度耐腐蝕性合金如 鉻鎳鐵725或合金625形成。本領域技術人員應當理解的是，其它高強度 耐腐蝕材料也可用作包層。優選地，包層材料與基材相容。在一些實施方 案中，包層覆面或嵌體可由屈服強度高于合金625的合金形成。
可獲得焊絲、粉末或帶式焊料形式的合金用作包層以進行焊接包層， 還可獲得粉末形成的合金用作包層以用于HIP包層操作。還可獲得可用于 自緊包層操作的其它形式的合金。
一旦選擇了包層法或多種包層法的組合，即可根據FEA應力分析結果 確定包層的最小厚度和位置。包層的所需厚度或深度可根據用于形成包層 的合金、包層和基材之間形成的結合、源自用于結合包層材料與基材的工 藝的包層材料稀釋而改變。 一旦確定了局部應力的值和位置，即可選擇包 層合金。可能無需包覆整個閘板式BOP主體。具體地，可能僅BOP主體的 一部分，包括潤濕面、閘板腔及閘板式BOP主體的節流器和壓井側出口需 要包層。此外，可在應力較低的區域選擇性布置明顯較小的包層厚度，從 而防止井筒流體對這些區域的腐蝕。實施例
現參考圖2，示出了包括適當設計的18-3/4英寸閘板式防噴器的三維模 型的實施例。圖2還示出了用于分析的典型負荷和邊界條件。基于ASME Section-VIII Div-3標準，設計了用于高壓高溫(HPHT)或超高壓高溫(XHPHT) 應用的BOP模型。在應用上述方法之前，對BOP主體的幾何結構進行了設 計，以滿足高壓(15ksi以上)和高溫(250。F以上)應用的所有主要標準。基于 ASME Section-Vni Divsion-3標準，認為針對井筒壓力高達25 ksi且井筒溫 度高達350 。F的結構負荷對受驗BOP進行了適當地設計。模型化和對模型 的分析結果可更加有利于任意現有的BOP設計，使得硫化物應力腐蝕斷裂、 SSCC、或與腐蝕相關的極限條件由適用于NACE環境的較高強度材料的選 擇性焊接包層來應對。
對于受驗的XHPHTBOP,選擇了最小材料屈服強度為85 ksi的F22材 料。由于必要的后焊接熱處理(PWHT)將降低屈服強度，因而可認為材料最 終的最小屈服強度為80 ksi。對于SSCC或NACE環境，基于TMO 177方 法A,完成了適當的材料試驗。基于工業經驗和可獲得的試驗數據，觀察 到在TMO 177方法A試驗中樣品在80。/。的屈服應力水平下失效。基于此， 對于F22材料，認為0.8*的最小屈服應力或64 ksi的上限是可以接受的。
針對三種不同的最大工作壓力，即15 ksi 、 20 ksi和25 ksi的井筒壓力(沒 有熱負荷)，對BOP進行了分析。還考慮350。F的熱負荷以及如上所述的其 它負荷，對井筒壓力為20ksi的情況單獨進行了分析。
圖2示出了用于分析的典型負荷和邊界條件。如圖所示，井筒壓力為 24.45 ksi(與外壓相差20 ksi)，井筒溫度為350。F，外部溫度為37。F。結合可 能的負荷條件，對受驗BOP進行了有限元分析(FEA)。負荷包括井筒壓力、 上部拉伸和撓曲負荷、壓力終端負荷。
在圖3至14中以von misses應力VMS曲線圖的形式示出了有限元分 析結果。對于圖3至14中的VMS曲線圖，使用64 ksi的較低邊界應力隔 離所有應力較高的區域。在所有這些附圖中僅示出了大于64 ksi的應力區。 圖3至5示出了整個模型的半剖面上的應力(圖3)、底座高應力區的詳圖(圖 4)和井筒壓力為]5 ksi時(沒有熱應力)節流器和壓井槽的詳圖。圖6至8示 出了井筒壓力為20 ksi時(沒有熱應力)類似的曲線圖。圖9至U示出了井 筒壓力為25 ksi時(沒有熱應力)的VMS應力。圖12至14示出了井筒壓力為20 ksi且同時考慮350。F熱負荷(井筒表 面溫度)時的VMS應力。將通過獨立的CFD分析計算得到的對流傳熱系數 hf應用于暴露于海水的區域。
模型的結果表明最高應力出現在BOP的沒有施加熱負荷的孔側。施加 的壓縮熱應力明顯降低了內應力，但外應力增加。認為外應力區域受 SSCC(或NACE相關)約束條件的影響最小。模型表明熱應力狀態是高壓 (HPHT)應用的不守恒情況，特別是考慮到符合NACE材料要求。
接著，觀察到受驗BOP適合井筒壓力為15 ksi的NACE應用。除VMS 應力大于64 ksi的一些局部位置外，整個BOP堆疊體適用于NACE環境。 對模型、精制網格的極小改進可消除這種極小的高應力(大于64ksi)位置。
分別如圖9-11和圖12-14所示，對于20 ksi和25 ksi的井筒壓力，結果 中大于64 ksi的VMS應力區清晰可見。這些應力曲線圖確定了大于64 ksi 的高VMC應力區的位置和深度。對于20ksi的井筒壓力FEA,最高應力保 持低于108ksi，對于25 ksi的井筒壓力FEA,最高應力保持低于12 ksi。 在BOP上部的凹槽區域周圍，觀察到應力超過112 ksi的小區域。對整個組 件的分析表明上配合凸緣的剛度和螺栓預加負荷造成的接觸應力降低了這 種峰值應力。保持120 ksi的最大VMS應力以適于井筒壓力為25 ksi的應 用。
可計算VMS應力曲線圖所示出的高應力區的深度。NACE相容材料， 如最小屈服強度為120 ksi的鉻鎳鐵725，可具有108 ksi的90%屈服強度 (0.9xl20-108)且滿足TMO 177方法A試驗。因而，可使用強度較高的耐腐 蝕合金選擇性包覆這些區域中的基材，已證實所述合金滿足NACE MR0175/ISO 15156的要求。
FEA結果另外表明材料的局部應力出現在18-3/4英寸的通孔處或該通 孔附近距離閘板式BOP主體的ID表面0.250至0.500英寸以內的位置。可 利用符合NACEMRO 175的較高強度材料覆面包覆受影響的高應力區域。
包層覆面的厚度可能不需要超過0.375英寸來覆蓋可能接近75,000 psi 的局部應力。厚度足以覆蓋局部應力且最小屈服強度為120,000 psi的包層 覆面可能能夠使局部應力保持低于基體金屬所要求的包層最小屈服強度的 三分之二。可通過上述多種不同的方法實現較高強度材料的覆面。
本申請4皮露的實施方案和方法可有利地采用FEA通過應力分析生成和分析BOP模型，以確定在特征在于大量應力的負荷條件下BOP的響應。然
后可利用所得到的應力分析結果改善BOP設計、改善BOP在較高溫度和壓
力下的性能。
有利地，本發明可提供基于ASME Section-Vin Div-3或類似的HPHT 設備設計原則建立整個BOP設計的方法。BOP可滿足NACE峰值應力和循 環壽命要求。本申請披露的方法和實施方案可提供工作壽命延長的防噴器。 例如，可模型化反復閉合或高壓溢流模擬負荷條件下的BOP,以確定可延 長防噴器工作壽命的設計特征。
本發明還可提供額定工作溫度和壓力較高的防噴器。例如，可選擇性 補強本申請披露的防噴器實施方案，以滿足在較高工作壓力如20 ksi、 25 ksi、 30ksi或更高壓力下工作的要求。可選擇性補強本申請披露的其它防噴 器實施方案，以滿足在較高工作溫度如250°F、 350。F或更高溫度下工作的要求。
有利地，本發明可提供制造BOP主體的方法，與試圖由可滿足NACE MR.0.175要求的高強度耐腐蝕實心合金制造BOP主體相比，該方法成本較 低。鑒于包層以下距離井筒流體潤濕表面0.250至0.500英寸處的主體的 機械強度可能明顯低于該局部應力區所要求的機械強度，尤為如此。其它 實施方案可補強現有的BOP設計，從而可通過使用適用于油氣環境的較高 強度材料選擇性補強BOP,來應對硫化物應力腐蝕斷裂(SSCC)或與腐蝕相 關的極限條件。
包層合金的選擇可主要依據包層的高機械強度并且還可依據包層和基 體之間達到的冶金學結合。包層的額外貢獻可能是包層合金賦予防噴器的 耐腐蝕性。包層的另 一貢獻在于閘板式BOP主體的內表面的任意劃痕或鑿 口不易延伸到包層深度以下，從而使包層得以繼續保護其所沉積的低合金 鋼基體。具體地，包層還將繼續保護主體以免出現經常在BOP主體內腔中 發現的孔蝕。另外，修復包層中的鑿口可能比修復低合金鋼基體中的類似 損傷容易且成本較低。
盡管針對數量有限的實施方案對本發明進行了描述，但受益于本發明 的本領域技術人員應當理解的是，在不脫離本發明范圍的情況下可設計其 它實施方案。因而，本發明的范圍應僅受限于所附權利要求。
權利要求
1. 一種制造閘板式防噴器的方法，該方法包括分析閘板式防噴器的第一模型；確定在選定的負荷條件下所述第一模型中高應力集中的區域；制造所述閘板式防噴器；相應于所制造的閘板式防噴器，選擇性補強所述高應力集中區域。
2. 權利要求1的方法，其中對所述第一模型的分析包括有限元分析。
3. 權利要求1的方法，其中所述高應力集中區域的確定包括相應于所 選擇的負荷條件生成所述第一模型的應力曲線圖。
4. 權利要求1的方法，其中選擇性補強包括包層覆面和包層嵌體中的 至少一種。
5. 權利要求1的方法，還包括分析所述閘板式防噴器的第二模型，其 中生成所述第二模型以使所述第 一模型中確定的高應力集中區域最小化。
6. —種補強不規則壓力容器的方法，該方法包括 分析所述不規則壓力容器；確定所述不規則壓力容器中的高應力集中區域； 選擇性補強所述高應力集中區域。
7. 權利要求6的方法，其中所述不規則壓力容器為閘板式防噴器。
8. 權利要求6的方法，其中高應力集中區域的確定包括相應于作用于所述不規則壓力容器的符合條件所述不規則壓力容器的應力曲線圖
9. 權利要求6的方法，其中所述不規則壓力容器的負荷條件包括內壓、 外壓、軸向拉伸、軸向壓縮、縱向拉伸、縱向壓縮、軸向撓矩和縱向撓矩 中的至少一種。
10. 權利要求6的方法，其中選擇性補強包括包層覆面。
11. 權利要求10的方法，還包括根據所述不規則壓力容器的分析結果 選擇所述包層覆面的厚度。
12. 權利要求10的方法，其中所述包層覆面通過電弧焊包層法、熱等 靜壓包層法、自緊包層法中的至少一種形成。
13. 權利要求6的方法，其中選擇性補強包括包層嵌體。
14. 權利要求13的方法，其中將所述嵌體冷縮配合或壓力配合在所述不規則壓力容器中的凹切口中并于適當的位置焊接。
15. 權利要求13的方法，其中根據所述不規則壓力容器的有限元分析 結果，使所述包層嵌體成形。
16. —種閘板式防噴器，包括 主體；穿過所述主體的垂直孔； 穿過所述主體與所述垂直孔交叉的水平孔；設置于所述水平孔中位于所述主體相對側的兩個閘板組件，其中所述 閘板組件適于到所述垂直孔和自所述垂直孔的受控橫向移動； 其中所述主體的至少一部分被選擇性補強。
17. 權利要求16的閘板式防噴器，其中所述至少一部分包括垂直孔、 水平孔、垂直孔和水平孔之間的交叉部分中的至少 一種。
18. 權利要求16的閘板式放噴器，其中基于對所述主體的有限元分析， 選擇性補強所述至少一部分。
19. 權利要求16的閘板式防噴器，其中所述閘板式防噴器的額定工作 壓力為20,000 psi或以上。
全文摘要
一種制造閘板式防噴器的方法，該方法包括分析閘板式防噴器的第一模型；確定在選定的負荷條件下第一模型中高應力集中的區域；制造閘板式防噴器；相應于所制造的閘板式防噴器選擇性補強高應力集中區域。其它實施方案包括補強不規則壓力容器的方法，包括分析不規則壓力容器；確定不規則壓力容器中的高應力集中區域；選擇性補強高應力集中區域。其它實施方案包括閘板式防噴器，該閘板式防噴器包括主體；穿過主體的垂直孔；穿過主體與垂直孔交叉的水平孔；設置于水平孔中位于主體相對側的兩個閘板組件，其中閘板組件適于受控橫向往復移動至垂直孔，并且其中選擇性補強主體的至少一部分。
文檔編號G01M99/00GK101523011SQ200780036443
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月25日 優先權日2006年9月28日
發明者菲利普·A·赫夫, 謝菲克·卡恩多克 申請人:海德里爾美國制造有限責任公司