超深井翻板浮阀扭簧失效机理与可靠性

张政; 陈修安; 史超; 郭岩宝

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506982

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (23) :9936-9944 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506982

机械、仪表工业

超深井翻板浮阀扭簧失效机理与可靠性

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Failure Mechanism and Reliability of Torsion Spring for Flapper Float Valve in Ultra-deep Wells

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摘要

在超深井钻井作业中,翻板浮阀作为内防喷系统的关键装置,其核心部件扭簧的可靠性直接影响井控安全与钻井时效。分析现场断裂扭簧的失效机理,构建了考虑流体涡激振动效应的扭簧动态响应理论模型,并采用有限元仿真实现了疲劳寿命预测。结果表明:疲劳断裂是扭簧的主要失效机理,钻井液冲击导致扭簧产生高频振动;簧丝内表面磨损缺陷改变了应力分布模式,诱导最大应力集中区由固定端向阀板侧磨损区转移,成为疲劳裂纹萌生的关键诱因;在不同泵参数下,完好扭簧的连续疲劳寿命可达55~420 h,而簧丝表面磨损缺陷会导致寿命呈数量级骤降,最小寿命仅为1 h。研究结果可为翻板浮阀设计优化、动态优化钻进方案提供理论支撑,对保障超深井安全高效作业具有重要工程价值。

Abstract

As a critical component of the internal blowout prevention system in ultra-deep drilling, the reliability of the torsion spring within flapper float valves is pivotal to well control safety and drilling efficiency. The failure mechanism of fractured torsion springs retrieved from field operations was elucidated, a theoretical dynamic response model accounting was established for fluid vortex-induced vibration effects, and finite element simulation to predict fatigue life was employed. Results indicate that fatigue fracture constitutes the primary failure mode, driven by high-frequency vibrations induced by drilling fluid impact. Crucially, wear defects on the wire’s inner surface alter the stress distribution topology, causing the maximum stress concentration zone to migrate from the fixed end to the worn region on the valve plate side, thereby acting as the critical initiation site for fatigue cracks. Quantitative analysis reveals that under varying pumping parameters, the continuous fatigue life of an intact spring ranges from 55 to 420 hours. Conversely, surface wear defects precipitate a catastrophic reduction in service life by orders of magnitude, with a minimum survival time of merely 1 hour. These findings provide a theoretical basis for the design optimization of float valves and the dynamic adjustment of drilling strategies, holding significant engineering value for ensuring safe and efficient ultra-deep well operations.

Graphical abstract

关键词

失效机理 / 疲劳寿命 / 动态特性 / 扭簧 / 翻板浮阀

Key words

failure mechanism / fatigue life / dynamic behavior / torsion spring / flapper float valve

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张政, 陈修安, 史超, 郭岩宝. 超深井翻板浮阀扭簧失效机理与可靠性[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(23): 9936-9944 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506982

ZHANG Zheng, CHEN Xiu-an, SHI Chao, GUO Yan-bao. Failure Mechanism and Reliability of Torsion Spring for Flapper Float Valve in Ultra-deep Wells[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(23): 9936-9944 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506982

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深层超深层油气资源的安全高效开发是保障中国能源安全的战略核心,而超深井钻井技术作为突破深部油气勘探开发瓶颈的关键手段,其技术成熟度直接决定开采效率^[1]。然而,超深井井下环境具有高温高压、多相流腐蚀等极端特征,导致井下工具的可靠性面临严峻挑战^[2]。翻板浮阀作为内防喷系统的关键组成部分,承担着防止井筒流体回流、阻断井喷风险的重要功能,一旦失效不仅会直接导致工艺中断,大幅增加非计划钻进时间,更可能引发井涌、井喷乃至火灾爆炸等灾难性事故,对人员安全与周边生态环境构成严重威胁^[3-4]。

现场使用过程中,翻板浮阀扭簧常发生断裂失效,导致阀板无法复位闭合,对井控安全构成重大隐患^[5]。弹簧作为机械系统的核心功能元件,其服役性能与寿命直接决定系统可靠性,因此针对弹簧失效机理的研究始终是机械可靠性领域的热点。实践表明,即便弹簧工作应力低于材料屈服极限,疲劳失效仍是最主要的失效形式。据统计,在机械构件的失效案例中,疲劳失效占比高达50%^[6]。弹簧的疲劳特性受多因素耦合影响,包括外部缺陷诱发的应力集中、材料内部孔洞、表面粗糙度不均、非金属夹杂物等原始缺陷^[7-8]。Zhang等^[9]对高速铁路轨道用60Si₂Mn钢扣压弹簧失效机制的研究表明,腐蚀环境会导致弹簧断裂位置由传统应力集中区向腐蚀裂纹萌生区转移。Liu等^[10]对汽车转向系统中断裂扭簧的分析发现,表面加工缺陷引发的疲劳裂纹扩展是失效主因,且模拟结果证实应力集中区域与制造缺陷存在强关联性。He等^[11]证实失效弹簧表面的腐蚀与磨损损伤会诱发表面裂纹,最终导致过早失效。在疲劳寿命预测方面,由于弹簧服役工况和材料性能的复杂性,精准预测难度较大。对此,Bayrak等^[12]引入载荷系数、表面系数、温度系数、可靠度系数等修正因子,构建了精确S-N(应力-疲劳寿命)曲线,有效提升了疲劳寿命预测精度。陈金明等^[13-14]针对地铁Ⅲ型及e型扣件的疲劳断裂问题,通过构建Neuber修正及车轨耦合等有限元模型进行寿命预测与验证,揭示了位移偏差过大及初始扣压力对疲劳寿命的显著影响,并据此提出了优化装配间隙及将扣压力控制在11~15 kN的建议。Meng等^[15]基于连续损伤力学理论,通过自定义UMAT子程序对钛合金扭簧开展寿命分析,结果表明该预测模型相较于其他模型具有更高的预测精度。石欣桐等^[16]基于平均应力修正的损伤力学演化模型,提出了考虑裂纹萌生与扩展的疲劳寿命数值评估方法,实现了疲劳全寿命的有效预测。

尽管弹簧失效分析在交通运输、航空航天等领域已取得丰富成果,但针对油气行业井下工具用弹簧的研究仍较为匮乏。随着超深井技术的发展,极端工况对弹簧服役性能的要求愈发严苛,故障风险也将显著攀升。现以现场失效扭簧为对象,通过断口形貌表征分析深入揭示其失效机理,结合超深井实际工况,建立考虑钻井液涡激振动效应的扭簧动态响应理论模型,并采用有限元仿真量化分析不同工况参数下表面损伤对其力学行为与疲劳寿命的影响。研究成果可为翻板浮阀的可靠性优化提供关键技术支撑,对保障超深井井控安全具有重要的理论价值与工程指导意义。

1 现场故障分析

1.1 工作原理

如图1所示为翻板浮阀整体结构,扭簧两端分别固定在阀芯壳体和阀板背侧。当钻井液通过阀芯正向循环时,阀板在流体作用下绕轴旋转开启,此时扭簧产生反向扭矩。当钻井液停止循环或出现返排现象时,阀板在扭簧的回复扭矩作用下自动闭合,从而有效防止钻井液上涌。

1.2 调研分析

系统开展了超深井翻板浮阀故障调查和统计分析。在井深≥6 000 m的32口超深井中,共发生8例浮阀扭簧过早断裂故障,表明此类失效并非偶然事件,而是超深井极端工况下扭簧服役过程中的可靠性问题。

为深入解析失效机制,选取现场作业后回收的“3-1/2”故障翻板浮阀为研究对象,对其断裂扭簧进行宏观和微观检测。该扭簧材质为304不锈钢,其关键几何参数和化学成分分别如表1、表2所示。经现场溯源,该扭簧在井深6 850 m服役149 h后发生断裂。宏观断口观察发现,断裂发生在阀板侧簧腿的首个弯曲位置,断口呈现不规则圆形特征,如图2所示。

1.3 失效机理

进一步使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)(Quanta 200F,FEI)对扭簧断口微观形貌进行表征分析。典型疲劳断口可分为三个区域:疲劳源区、疲劳扩展区和瞬时断裂区^[17]。然而,现场失效扭簧断口形貌仅呈现两个明显的疲劳扩展区(B1、B2)和两个瞬时断裂区(C1、C2),如图3(a)所示。

如图3(b)所示,簧丝内表面存在明显的摩擦磨损痕迹。结合井下服役工况可以推断,阀板开启后,扭簧因径向偏移导致其内表面与销轴处于接触状态,引发摩擦磨损。这种磨损破坏了簧丝原有的圆整度,也造成疲劳源区被磨损覆盖。此外,钻井液中的固体颗粒冲蚀和化学物质腐蚀会进一步加剧表面损伤。图3(c)和图3(d)分别展示了疲劳扩展区B1、B2的微观形貌特征:B1区呈现明显的剪切唇结构,唇面方向与裂纹扩展方向一致,疲劳条纹间距不均匀,表明该阶段裂纹以动态扩展为主;而B2区则出现准解理台阶,为疲劳裂纹沿解理面扩展的典型形貌,反映出该区域裂纹扩展速率显著提升。对瞬时断裂区的观察显示:初始瞬时断裂区C1[图3(e)]表面均匀分布大量细小的韧窝,韧窝直径2~3 μm,未发现晶间分离或沿晶断裂特征,表明该区域断裂过程伴随一定塑性变形;而瞬时断裂区C2[图3(f)]则以分布相对均匀的撕裂棱为主要特征,体现出裂纹扩展至临界长度后,在高应力作用下发生快速断裂的脆性断裂特性。

综合断口微观形貌表征与工况分析,可推演失效扭簧的疲劳断裂演化历程:首先,簧丝内表面因摩擦磨损形成表面缺陷,该缺陷作为应力集中源,成为疲劳裂纹的萌生核心区;随后,在交变载荷作用下,疲劳裂纹从表面缺陷处向簧丝内部扩展,形成具有不同微观特征的疲劳扩展区B1、B2;当裂纹扩展至临界长度(约为簧丝直径的1/3)时,在C1区诱发局部初始断裂,随着损伤进一步累积,裂纹快速贯穿簧丝截面,最终在C2区域发生瞬时断裂,导致扭簧整体失效。这可以证实扭簧断裂属于典型的多因素耦合诱发的疲劳断裂类型。

2 动态行为分析

考虑到扭簧长期承受钻井液冲击载荷与回复扭矩的耦合作用,其受迫振动的幅值与频率是评估服役可靠性及疲劳寿命的核心参数。然而,地面实验难以复现井下复杂工况,导致动态响应特性不明确。为此,基于扭矩平衡方程,建立扭簧动态分析模型,求解扭簧振动特性参数(幅值与频率),为后续有限元分析提供关键边界条件参数^[18]。

2.1 振动振幅

如图4所示为翻板浮阀力学作用关系。钻井液流经阀腔对阀板产生动态冲击力F_v,驱动其绕销轴旋转开启,同时促使扭簧发生弹性变形。当冲击力F_v的垂直分量F_y所产生的驱动力矩,与扭簧变形后产生的复位扭矩达到动态平衡状态时,阀板维持稳定开启姿态,此时阀板的开启角度定义为θ。在井下实际工况中,其受流体涡激振动效应的显著影响,阀板与扭簧会产生周期性角振动,其振动角振幅ϕ不可忽略。

为量化钻井液冲击载荷对扭簧动态响应的影响,采用微元法推导钻井液冲击阀板产生的流体动力矩。当系统达到力矩平衡状态时,其力学关系表示为

(1)$ T_{\text {fluid }}=2 \int_{0}^{42} \int_{0}^{\sqrt{21^{2}-\left(y^{2}-21^{2}\right)}} y \delta \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y$

式(1)中:T_fluid为钻井液冲击阀板产生的流体动力矩,N·m;δ为钻井液作用于阀板表面的单位面积所受压力,Pa;积分区间基于阀板实际几何尺寸设定,以确保力矩计算的空间完整性。其中阀板半径取现场实测值21 mm。

扭簧的扭转特性与扭转角之间的关系,通过公式表示为

(2)

$G=\frac{E}{2(1+\mu )}$

(3)

${K}_{\mathrm{T}}=\frac{G{d}^{4}}{32nD}$

(4)

${T}_{\mathrm{s}\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}}={K}_{\mathrm{T}}\theta $

式中:G为扭簧材料剪切模量,Pa;μ为泊松比;E为弹性模量,Pa;K_T为扭转刚度;d为线径,mm;n为有效线圈数,N·m/rad;D为外径,mm;T_spring为扭簧扭转后的扭矩,N·m;θ为扭转角,rad。

在系统稳态条件下,钻井液作用于阀板的垂直力F_y计算公式为

(5)

${F}_{y}=\delta S$

式(5)中:S为阀板实际承压面积,mm²。

考虑钻井液冲击的瞬态特性,基于冲量定理推导流体对阀板的瞬时冲击力,表达式为

(6)$ F_{\text {impact }}=0.95 \times 1.8 \rho S v^{2} \sin ^{2} \theta$

式(6)中:F_impact为作用于阀板的瞬时冲击力,N;ρ和v分别为钻井液的密度(kg/m³)和流速(m/s);0.95为非稳态修正系数,用于补偿泥浆泵泵送过程中流体脉动导致的冲击载荷波动。结合泥浆泵设计的额定振幅10%的规范要求,设定阀板振动角振幅ϕ为5°~10°,以匹配实际工况下的动态载荷特征^[19]。

2.2 振动频率

涡激振动是流体绕流物体时,在物体下游发生边界层分离并交替脱落形成涡旋的流动现象。这种周期性涡脱落过程会产生交变激振力,持续作用于物体表面并激发结构振动^[20]。在浮阀服役过程中,阀芯内部流场因阀板阻挡发生分离,形成具有显著周期性的交替涡旋,该涡旋作用于阀板,驱动其产生往复摆动。

基于现场作业实测的钻井液参数,计算可得雷诺数处于亚临界区间。考虑到垂直于阀板轴线方向的流体流动横截面可简化为矩形,故斯特劳哈尔数St取值为0.21。涡激振动频率计算公式^[21]为

(7)

$f=\frac{Stv}{{d}_{\mathrm{f}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{p}\mathrm{p}\mathrm{e}\mathrm{r}}}$

式(7)中:v为钻井液流速,取值范围为10~20 m/s;d_flapper为阀板截面宽度,取值0.04 m。经计算,涡激振动频率范围为9.35~18.7 Hz。考虑到扭簧在服役过程中存在回弹效应,会对阀板的振动频率产生叠加影响,故引入修正系数对计算结果进行修正以贴合实际工况,最终确定涡激振动频率范围为10~20 Hz。

3 有限元分析

通过静力学仿真计算扭簧在外载荷作用下的应力场分布,定位易产生应力集中的关键结构部位。在此基础上,引入材料S-N(S为应力,N为疲劳寿命)曲线计算扭簧各节点的疲劳寿命^[22]。

3.1 模型构建

依据现场失效扭簧的实测尺寸,构建两类有限元模型,如图5(a)所示:其一为完好扭簧模型;其二为缺陷扭簧模型,即通过预设表面损伤参数模拟实际工况下扭簧内表面的磨损状态。304不锈钢的主要力学性能参数如表3所示。

当阀板闭合时,扭簧两簧腿间的夹角约为105°。由于簧腿长度比为2.5,阀板侧簧腿正向扭转,角度约75°,固定端簧腿反向扭转,角度约30°。为了在保证载荷效应不受影响的前提下实现应力收敛,将有限元分析过程简化为三个步骤,具体如图5(b)所示。

(1)对固定端簧腿施加反向扭转30°。

(2)采用ANSYS APDL命令,调用第一步加载后的应力与应变参数作为初始状态,进一步对阀板侧簧腿进行扭转,直至阀板完全开启。

(3)基于步骤(1)、步骤(2)所得各工况静力学结果,进一步采用疲劳分析工具计算扭簧疲劳寿命。

为规避过度约束导致的应力集中计算误差,对固定端簧腿施加位移约束以实现刚性固定。

模型网格采用扫掠法划分,单元类型设置为Hex20。通过开展网格敏感性分析,在稳定工作条件下计算不同网格细化程度下的应力分布,结果如表4所示。最终选取0.5 mm网格尺寸进行模型离散,包含27 904个节点和4 100个单元。

3.2 应力分布

如图6所示为完好与缺陷扭簧在工作状态下的静力学仿真结果。由图6(a)、图6(b)应力分布云图可见,两类扭簧的内侧应力均高于外侧。其中,完好扭簧的内侧应力分布均匀无明显集中区,最大等效应力出现在固定端簧腿处,而缺陷扭簧在阀板侧簧腿磨损区域出现明显应力集中现象,该区域内外侧的等效应力较完好扭簧均有不同程度增加。随着应力集中区从固定端向阀板侧转移,最大等效应力升至约1 215 MPa,这与现场应用中观察到的扭簧疲劳断裂位置相吻合。根据图6(c)和图6(d)的位移变化结果,两种扭簧的总位移变化幅度较小,主要形变集中在扭簧的前8圈,平均位移量为10 mm。进一步评估扭簧本体的径向偏移量发现,该偏移量从阀板侧的1 mm逐渐减小至固定端的0.8 mm。模拟结果证实,扭簧在运行过程中发生的径向偏移导致其内表面与销轴之间的磨损,从而加速了扭簧失效。

3.3 疲劳寿命

疲劳分析作为评估结构循环载荷耐久性的核心方法,通过静力学分析获取结构在外载荷作用下的应力场分布,结合输入材料属性的S-N曲线推算结构各部位的疲劳循环寿命,将应力集中区域中寿命最短的节点定义为损伤起始点,进而实现结构预期服役寿命的预测。

如图7所示为扭簧在典型工况(振动频率20 Hz、振动角振幅10°)下的疲劳仿真结果。如图7(a)、图7(b)所示,完好扭簧的最低疲劳寿命位于固定端簧腿,循环次数为3.75×10⁶次,而阀板侧簧腿的疲劳寿命约为8.5×10⁶次。对于缺陷扭簧,其固定端簧腿的最低疲劳寿命与完好扭簧相近,但差异在于,最低疲劳寿命区域偏移至阀板侧簧腿的磨损部位,循环次数仅为65 397次,降幅超98%。此外,依据实验标定数据,设定扭簧疲劳寿命基准循环次数为1.44×10⁷次,据此计算的完好与缺陷扭簧安全系数结果如图7(c)、图7(d)所示。可以发现,完好扭簧的最低安全系数为0.976,而缺陷扭簧的最低安全系数降至0.852 5,且两者的最低安全系数区域均集中于阀板侧簧腿,与现场失效扭簧的断裂位置完全吻合。这一结果充分证实,扭簧内表面磨损会显著降低其结构安全裕量,导致疲劳寿命急剧缩短,是诱发扭簧疲劳失效的关键因素。

进一步模拟计算了各类工况下扭簧的疲劳寿命,具体数据如表5所示。完好扭簧的疲劳寿命呈现显著工况依赖性,其疲劳寿命范围为55~420 h:当泵冲达到150 bpm(每分钟泵冲次数)时,其疲劳寿命降至最小值约为55 h;而当泵冲降至90 bpm时,疲劳寿命可达420 h。然而,在相同工况梯度下,缺陷扭簧疲劳寿命均呈数量级下降,150 bpm泵冲时,最小疲劳寿命仅约1 h;即便在90 bpm泵冲时,最大疲劳寿命也仅约25 h。由此可见,扭簧一旦出现内表面磨损等缺陷,其抗疲劳性能将发生大幅衰退,极易在短期内发生过早断裂失效。仿真结果与现场实际断裂特征高度吻合,印证了疲劳破坏主要起源于最大等效应力集中区域的核心结论。

4 工程应用与效益分析

提出的扭簧疲劳失效机理与寿命预测模型,对超深井现场作业具有直接的指导意义和显著的工程应用价值,具体体现在以下两个方面。

(1)动态优化钻进方案,降低非生产时间:超深井起下钻周期长、成本高,单次非计划起钻往往造成数百万元的经济损失。基于表5所示的预测结果,在深部地层钻进时,建议优先控制泵冲,延长扭簧服役周期,进一步建立动态疲劳风险评估体系和数据库,避免因浮阀中途失效导致的被动起钻,显著提升钻井作业时效与经济性。

(2)指导工具优化升级,建立预防性报废标准:建议通过优化销轴与扭簧的配合公差、升级扭簧材质等方法,减少服役过程中簧体与销轴的异常接触磨损,提高材料的耐用性。对于经历过高泵冲工况的浮阀,其扭簧应强制报废,更好地适应超深井极端工况。

5 结论

以超深井翻板浮阀的失效扭簧为研究对象,采用现场失效分析、理论建模与有限元仿真相结合的方法,揭示了扭簧的断裂失效机理,明确了其动态特性与疲劳寿命规律,为浮阀可靠性的提升提供了理论支撑与技术依据。具体结论如下:

(1)通过对现场失效的翻板浮阀扭簧进行断口形貌表征与分析,明确其断裂失效机理为疲劳断裂,且疲劳裂纹萌生于扭簧表面的磨损缺陷处。

(2)基于现场作业参数构建扭簧动态响应模型后发现,浮阀处于稳定开启状态时,扭簧开启角度维持在80°左右,振动振幅为5°~10°,振动频率为10~20 Hz。

(3)扭簧的最大等效应力集中区与现场断裂位置高度重合。完好扭簧的应力峰值位于固定端簧腿;含缺陷扭簧的应力峰值则转移至阀板侧簧腿的磨损区域,该区域是疲劳裂纹萌生与扩展的关键薄弱点。

(4)通过多工况疲劳寿命仿真,建立了扭簧寿命与工况参数的关联规律。完好扭簧在90~150 bpm泵冲下的连续服役寿命为55~420 h,而含缺陷扭簧的寿命骤降至1~25 h,这为现场作业中扭簧使用期限的动态调整与预防性更换提供了量化依据。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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