1.1 闸板防喷器法兰简介

闸板防喷器法兰是在深水钻井作业时执行海底井口控制作业、保证井口及平台安全运行的关键部件。防喷器的主要功能是当井筒出现不正常高压、井液异常外溢时进行封井。通常防喷器分为环形(万能)防喷器和闸板防喷器两种。闸板又分为全封(剪切)和半封(管形)闸板两种,闸板防喷器还可以分为单闸板、双闸板和三闸板防喷器。万能防喷器可以在井喷情况下应急封闭井孔内的任何物件,包括钻具、钢丝绳乃至全封。^[1]螺栓法兰联接是压力容器和管道中常用的部件，螺栓法兰密封系统包括螺栓、法兰和垫片三个组件，它们是石油化工设备和管道中最为广泛采用的密封形式。^[2] 海底防喷器组与防喷器控制系统的设计、制造、试验和检验,满足美国石油协会(American Petroleum Institute,简称API)的标准、规则及有关国家船级社规范的要求,诸如:美国石油协会(API)的116系列规则^[3];中国船级社(CCS)的《钻井装置发证指南》^[4];美国船级社(ABS)的Guide for Certification of Drilling System^[5 ;挪威船级社(DNV)的Drilling Plant^[6]等。

1.2研究闸板防喷器法兰的目的与意义

自2010年“深水地平线”钻井装置沉没造成海洋环境污染特大事故以来，超深水钻井作业的安全和环保问题非常受世人瞩目，防喷器系统的可靠性已成为首要控制指标。深水钻井平台的海底防喷器组与防喷器控制系统是平台的重要安全控制系统,世界各国的海上石油公司在设计之初及平台的后期运营管理过程中都对此系统给予重点关注。^[7]

定位于超深水海域钻井作业的钻井装置，其造价高达几十亿元人民币，工作海域也大都远离岸边，作业海况又非常复杂，抢险、逃生及救援极为困难。钻井作业过程中，一旦发生井喷或在台风等紧急情况下临时撤离，水下防喷器系统若不能安全有效地控制住井口及井内流体，对海洋环境和油气及生态资源的不良影响将不可估量，因此确保水下防喷器系统的安全可靠非常重要，对闸板防喷器法兰的研究必不可少。法兰的强度和刚度必须在不同工况下满足设计的要求。

随着电子计算机技术的大力发展，有限元分析软件也得到了巨大的发展。这些经典的有限元计算软件包括ANSYS、ABAQUS、FLUENT、CAESAR等分析软件。有限元数值分析对法兰结构进行分析的大量案例，说明采用有限单元法和计算机技术对法兰设计方法进行优化改进，并实现法普结构的精确设计，及对非标法兰轻量化设计都具有重大意义。^[8-12]

1.3 国内闸板防喷器法兰研究现状

大多数国家的设备法兰设计标准主要基于弹性力学分析的Taylor-Waters法，法兰尺寸经多次试算校核而得。近年来国内对法兰接头的性能也进行了不少研究,并取得了一些成果。如南京化工大学的朱洪生发表的“垫片密封性能的研究”^[13] ,通过对国产石棉橡胶垫片密封性能的试验研究,讨论了垫片密封中主要密封参数之间的基本关系,从分析垫片变形特性出发,探讨了垫片密封机理并给出了m、y值与泄漏率之间的一般关系式。北京化工学院刘军老师发表的“考虑垫片非线性性质的平焊法兰接头的强度和紧密性分析”^[14]一文,建立了一个新的法兰接头理论模型,综合分析了在预紧和压力载荷作用下接头的强度和密封性能,并编制了应用方便的计算机程序。