UltraLock型闸板液压缸典型故障分析与排查方法
摘要：水下闸板防喷器是海洋钻井平台井控装置的核心设备，能有效控制钻井平台钻井期间发生的溢流、井涌、井喷等钻井井控安全问题，目前勘探三号平台闸板防喷配置的三个闸板液压缸都是NXTUltraLock型。该形式的闸板液压缸结构具有设计巧妙、使用安全可靠等特点，是当今海洋钻井平台的主流配置。本文通过介绍UltraLock型闸板液压缸的结构特点，以勘探三号平台作业期间液压缸发生漏液的典型故障及现场如何排查解决该故障为例，可为国内半潜式钻井平台同类型闸板防喷器日常使用、故障判断、液缸检修等提供指导和借鉴。
本文源自中国设备工程,2020(17):16-17.《中国设备工程》曾用刊名：(中国设备管理;设备管理)1985年创刊是中国工业领域的国家级宣传平台，国家一级刊物。以宣传报道国家工业发展工作的战略、政策、法规，关注全球工业、设备管理等全面解决方案的专业载体。它凭借提供准确、客观、专业性的信息，服务于中国经济发展。杂志充分依托国家发改委、工信部等平台资源优势，为企业搭建政策与市场机会的平台，为企业提供展示优势和对接服务的平台，搭建企业与政府互动的平台，推动中国工业绿色发展，推动绿色经济，建设生态文明。
海上高温高压钻井本是世界级难题，随着我国油气勘探开发向深部、深海推进，高压、高产、高温油气井愈来愈多，井控安全成为制约“三高”油气田勘探开发的瓶颈，而闸板防喷器是保障平台作业安全的重要井控设备。本文通过研究UltraLock型闸板液压缸的结构特点及“勘探三号平台”典型的液缸故障分析和排查方法的具体实例介绍，希望更多的海洋钻井从业者更加清晰的了解UltraLock型闸板液压缸结构形式及特点，并能够在UltraLock型闸板液压缸出现故障时及时判断并解决。
1、UltraLock型闸板液压缸结构特点
(1)UltraLock自锁形式液缸特点：这种液缸自锁方式自适应型，能够适应各种尺寸的闸板。根据井控规范要求：闸板防喷器通过液压动力源关闭闸板后，即便失去液压源也必须维持关闭状态不能自动打开，故该闸板液缸内部还设计了自锁机构闸板锁紧。
(2)液缸结构形式：该闸板液缸结构由液缸缸体、活塞、闸板轴等组成，Ultralcok关闭和锁紧防喷器仅仅通过关闭液压就可以实现，供给开位液压时，防喷器解锁并回到开位位置。
(3)液缸自锁机构结构：液缸自锁结构由锁紧活塞(LockPiston)、锁紧杆(LockRod)、锁紧楔块(LockWedge)、提升阀(PoppetValve)等组成，如图1所示。
(4)闸板液缸动作及自锁过程：当关闭压力进入整个活塞总成，推动其向关闭位置移动。同样关闭压力推动锁紧活塞移向锁紧位置。由于提升阀的阻止，开位压力圈闭在锁紧活塞后面，因此锁紧活塞不能向内移动。只有当闸板接触到钻杆，开始产生芯子压力，由于提升阀末端碰撞侧门从而打开提升阀，圈闭压力可以排泄，锁紧活塞开始向内移动。锁紧活塞向内移动的同时驱动4块楔形块向外移动到并与4个锁紧支撑的锥面接触。液缸内的四根锁紧杆将活塞仅仅的顶住，完成了闸板活塞的自锁。此时，如果关闭液压消失，楔形的锁紧活塞将保持防喷器在锁紧位置。楔形锁紧活塞具有5°的斜面，意味着闸板橡胶密封压力或者悬挂钻杆产生的挤压力不会导致楔形活塞后推而打开防喷器。
该液压缸内部设计的巧妙之处在于液压缸提升阀(PoppetValve)，该阀在液压缸动作时可以控制自锁缸体内圈闭压力，完成自锁功能。
图1Ultralcok液压缸结构
图1Ultralcok液压缸结构下载原图
2、UltralcokIIB液缸的典型故障分析
2.1故障描述
2019年勘探三号在LD10-1-13井末期弃井作业时，关闭防喷器中闸板对弃井水泥塞进行试压时，相关作业人员发现防喷器控制系统一直有液压泄漏，通过流量计观察流量在90mG/s，该闸板液压缸形式为：UltraLock型。现场专业人员通过对储能器舱BOP控制系统各管线、阀门、软管束等地面控制系统详细检查，未发现故障原因，故判断漏点在水下防喷器控制系统。该井已经进入弃井阶段，且井下安全可靠，专业人员计划利用井间将防喷器起出至平台后做进一步的检查。
2.2故障判断及原因分析
鉴于中闸板在关闭时控制系统一直有泄漏的故障，且闸板防喷器是保障钻井平台作业期间井控安全最可靠设备，为保障平台后续高温高压井的作业安全，现场专业人员需要利用井间作业间隙将此问题彻底解决。现场专业人员通过仔细分析防喷器控制系统的原理、研究防喷器闸板的结构形式，建立闸板液压缸漏液故障树图对故障逐项排查，最终查明了故障原因(如图2所示)。
图2闸板漏液故障树图
图2闸板漏液故障树图下载原图
2.3现场排查闸板液压缸漏液故障的过程
通过故障树图，我们排查闸板漏液可以从闸板液压缸控制管线、闸板液压缸控制阀组、闸板液压缸本体及内部等方面逐一进行排查。
(1)LD10-1-13井作业结束后，防喷器从海底起出至平台，现场对闸板高压硬管、高压软管、闸板液缸、本体管线、各阀件等进行检查，没有发现漏点。
(2)SPM阀芯刺坏或弹簧断裂引起漏液：对闸板液压缸控制系统开、关位SPM阀等控制阀组拆检，检查阀芯和弹簧等，并将密封件进行更换。再次测试该闸板关位控制，通过流量计观察，流量依然存在90mG/s的漏失，因此排除了SPM阀等控制阀组的故障原因。
(3)闸板液压缸本体梭子阀阀芯密封失效导致的漏液：梭子阀作为BOP蓝、黄POD控制系统的重要阀组，如阀芯损坏也可造成蓝黄系统液体互串的现象，因此井间更换中闸板关位进液梭子阀，将中闸板打至关位后，通过流量计观察，流量依然存在90mG/s的漏失，因此排除了梭子阀的故障原因。
(4)闸板液缸开位和关位之间的活塞密封刺断导致的漏液：闸板液压缸在关闭位置，闸板液压缸开位的SPM阀一直有液体排出，但闸板液压缸在开位时，系统则无泄漏，排除了液压缸活塞密封刺漏的故障原因。
(5)闸板液压缸内部自锁机构密封损坏：水下防喷器控制系统的特性就是闸板液压缸在关闭时，闸板液压缸开启腔体内的液体会通过开位控制SPM阀排出，避免活塞背腔的液压介质无法排除，导致活塞无法动作。现场通过液压缸只有在关闭位置时系统才泄漏，在开位时系统无泄漏的现象，仔细分析闸板液压缸的内部结构，发现如果锁紧活塞缸套和液压缸活塞之间的密封环失效，闸板液压缸在关闭位置时，关闭腔体的液体可以通过该处的密封渗漏至锁紧活塞缸套，而此时液压缸提升阀(PoppetValve)正处于开启位置，液体会通过提升阀(PoppetValve)进入防喷器开位控制SPM阀一直排出，导致系统一直处于泄漏状态，与我们的故障现象一致。
通过故障树的辅助分析，我们最终判断出闸板液压缸故障的根源在于活塞缸套和液缸活塞之间密封环密封失效，导致了该闸板液压缸关闭时一直漏液。现场通过拆检液缸更换密封，最终将此问题解决。
3、结语
目前国内半潜式钻井平台闸板防喷器液压缸的主流配置为UltraLock型，故相关从业人员必须对液压缸的结构有细致的了解，才能在设备出现问题的时候有清晰的思路去分析解决问题。
本文以勘探三号防喷器闸板液压缸发生漏液故障为例进行了分析，并通过建立故障树图对故障原因进行排查，最终排查并解决了闸板液压缸故障，可为同类型的闸板液缸故障分析提供借鉴和指导。
对UltraLock型闸板液压缸的工作原理及机构特点进行了细致的分析，能让更多的从业人员对UltraLock型闸板液压缸有清晰的了解。
闸板液压缸作为平台井控的关键设备，一定要按照国标及厂家推荐保养规程进行定期的检查、保养及修理。
参考文献：
[2]防喷器检查和维修-SY/T6160-2014.石油工业出版社.
[3]吴永良.水下防喷器控制系统故障分析及其处理-以萨哈林某井为例[J].海洋石油,2012,32(4):83-87.