环形防喷器是石油及天然气钻井工程中必备的设备，它具备有效封闭井口装置、防止钻井时井喷以及处理其它复杂情况等功能。其特点是承压高、操作方便、安全可靠、结构紧凑、开关迅速，特别适用于密封各种形状和不同尺寸的管柱，也可全封闭井口。

采用美国Hydril公司的先进技术，公司成功研制了卡块式锥形防喷器。其包括壳体有限元分析计算、锥形胶芯的研究、卡块式结构的设计。该结构与大丝扣式锥形防喷器相比，具有制造容易、拆装方便等特点；与法兰连接式锥形防喷器相比，具有省力省时等特点；与球形防喷器相比，具有活塞寿命大大延长、胶心成本低等特点。这不仅非常有利于塔里木油田市场，而且为企业带来明显的经济和社会效益。

设计巧妙    操作方便

卡块式锥形胶芯环形防喷器主要由壳体、顶盖、胶芯及活塞四大件组成，如图1。

壳体结构特点  锥形胶芯环形防喷器的外壳（壳体与顶盖）均为合金钢铸造成型，并经热处理，制造较易，成本较低。具有以下特点：壳体用合金结构钢铸造，热处理后表面硬度小于HRC22，适合于H2S环境使用；顶盖内腔顶部与胶芯支承筋顶板相接触的摩擦面装有可拆卸的耐磨环，保护顶盖，便于更换；顶盖上开有活塞行程测检孔，以测量胶芯寿命；出厂前对壳体进行声发射试验，以检查隐蔽的裂缝及其它缺陷。并按API规定进行水压强度试验。

锥形胶芯结构特点  一是胶芯外侧面呈圆锥形，锥面母线与胶芯轴线夹角为200～250。胶芯由12～30块（成偶数）铸钢支承筋与橡胶硫化而成，支承筋沿圆环呈径向辐射状配置，橡胶硫化在支承筋腹板的四周，如图2。

二是井压助封。封井时，活塞在液控压力推动下向上运动，推挤胶芯，胶芯向心收缩，支承筋相互靠拢，支承筋之间的橡胶被挤向井口，形成初步密封。作用在活塞下端面上的井内压力也推动活塞上行，使胶芯封闭得更紧密，从而提高了胶芯的密封性能。

三是储胶量大。胶芯各筋板之间的橡胶均可挤向井口形成密封，其胶量比需要封闭的空间容积大得多。因此，它可以封闭不同形状、不同尺寸的钻具，也可全封闭井口。由于储胶量大，如胶芯损坏不严重，仍可密封。

四是寿命可测。环形防喷器在工作过程中，胶芯不断磨损，需要靠增加活塞行程，多挤出储备橡胶来填补，当活塞行程达到最大值（即活塞走到上顶点），或者胶芯支承筋的上、下两端分别靠紧时，说明胶芯的储备橡胶已使用完，即使增大液控压力，胶芯也不能可靠密封。因此，可以通过测量活塞行程来测量胶芯的寿命。

五是胶芯工作以后逐步收缩，能完全恢复到原来状态，不影响钻具通过。液控压力、井内压力越高，封井时间越长，则胶芯完全恢复原态所需时间也越长。

六是更换胶芯容易。井内无钻具时，只要打开顶盖，即可更换。即使在井内有钻具的情况下，也可用切割方法更换胶芯。

壳体与顶盖的连接  爪块连接。由爪块、爪块螺杆、爪块支护螺钉及密封圈等组成，如图3。每台各20件，沿环状配置。卸顶盖需分别将20个爪块螺杆拧出四圈，使爪块从顶盖锯齿槽中退出，即可吊起顶盖。装回顶盖按反程序进行，拧紧爪块螺杆的扭矩只需300～400磅/英尺。

活塞结构特点  活塞上部内腔为圆锥形，母线与轴线的夹角为20°～25°，与胶芯背锥面相配。由于锥度较小，封闭所需的活塞轴向上推力也小，但相应活塞行程要增加。因此，活塞的这种特殊结构，导致自身上、下封闭支承部位间距大，扶正性能好，不易卡死、偏磨、拉缸或粘合，增加密封寿命。 

采用壳体有限元分析计算易于制造

壳体有限元分析计算  按照API Spec 16A对承压件壳体材料的选用要求，选用ZG25CrNiMo制造壳体，调质处理硬度为197～235HB。确定防喷器的公称通径为φ346.1mm，额定工作压力为35MPa后，按照强度和结构要求进行结构设计。为方便防喷器的安装与拆卸，采用壳体卡块式结构形式。壳体的三维模型如图4。

锥形防喷器在实际工作中是否满足强度要求，需要采用有限元法对壳体进行力学分析计算。按照静水压试验条件下的单元数值及云图，对壳体按API Spec 16A的标准进行分析和强度验算。

锥形防喷器壳体其力学性能参数如表1。

在静水压试验压力载荷状态下（52.5MPa），壳体上端与内腔面相贯处应力达到377.2MPa（如图5），小于屈服极限517MPa，不会发生塑性变形。实际上由于该处的密封件以及倒角可避免应力集中的方法，此处的应力明显小于计算的单元应力。按照ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第2分册附录4[2]-ASME规范应力分类的理论，壳体受内压时，该处有凸曲的趋势，承受较大的拉应力，且结构不连续，其最大应力点的等效应力是由一次薄膜应力σm、一次弯曲应力σω叠加而成的。而对水压试验的容器，试验应力下的强度条件为σm+σω≤1.35σs=697.95MPa。

计算值为σm+σω=377.2MPa＜697.95MPa，在静水压试验压力下，设计强度符合API规范。

锥形胶芯的研究  锥形胶芯采用压铸成型，因其形状复杂，性能要求高。首先要使铁心精确定位。第二，要使橡胶流动顺利，填满所有空间，形成相互联通的密封件整体。第三，计算型腔尺寸和橡胶收缩率。

锥形胶芯封井效果的好坏，在很大程度上取决于锥形胶芯中橡胶储量的多少。为保证密封可靠，必须具有足够的储胶量和较大的储胶比。但是增大储胶比，铁芯尺寸必将相应减小，从而影响铁芯强度和胶芯承载能力。为此要合理设计储胶量和铁芯。

全封井口（封“零”）时，橡胶变形最大，橡胶之间以及橡胶与铁芯粘结面之间的撕扯力最大；铁芯外锥面接触面积最小，单位面积承受压力最大，两铁芯之间要挤出最多橡胶，使铁芯连接板两侧平面承受挤压力最大。故全封井口时，铁芯工况最恶劣。

有限元分析表明，铁芯危险部位在上板块中部，连接板内侧应力较小。可增大连接板外侧厚度和减小连接板内侧厚度，适当增大上板块侧面的斜角和各过渡处的圆角半径。用这些结论指导设计，由此增加了铁芯强度、增大了储胶量、提高了铁芯与橡胶的粘结力。

工艺方案理想   省时省力

 一是壳体内腔密封面采用金属粉末为原料，运用超声波和加热压缩空气为动力进行热喷涂焊的喷焊处理，具有耐磨、耐腐蚀等特点。

二是根据壳体结构特点及技术要求进行了工艺性分析并拟订了工艺方案。基于数值模拟技术对铸件的热节部位、冒口的补缩能力等进行了数值模拟，根据模拟结果探明了工艺热节和铸造缺陷产生原因，并通过反复修改工艺参数对工艺进行了改进，得到了较为理想的工艺方案。这对缩短试验周期，减小同类型产品冒口尺寸，提高工艺出品率，节省原材料等有着重要的意义。

三是环型胶芯变形大、弹性性能好、抗撕裂性能高。因此，橡胶硬度和强度是关键，在上述要求和各部位截面尺寸变化大、厚度不均的情况下，选用何种促进剂、硫化温度和时间，以保证胶芯各截面硫化一致，都能达到正硫化而不过硫或欠硫是硫化工艺的关键。

四是通过对胶芯密封、失效机理的分析，得出胶芯失效是强机械力作用下的胶芯低周疲劳损伤失效的结论。对今后胶芯结构设计，降低机械力造成的破坏，延长胶芯使用寿命有指导意义。

五是顶盖与壳体之间设有上、下两道密封环，方便在更换胶芯时，油缸不致污染。

按照API Spec 16A推荐标准，对卡块式锥形胶芯环形防喷器FH35-35进行了整体（壳体及顶盖）强度、液控油路及油缸强度（打开腔及关闭腔）、封隔φ127mm（5英寸）管柱试验、封零（空井）试验和通径试验，均符合标准要求，主要承压件无裂纹、密封件无撕裂等现象。