基于有限元的車載鉆機水龍頭的結(jié)構(gòu)分析與計算

劉棟梁　顧繼俊

摘 要：石油鉆機指的是用來進行油氣勘探、開發(fā)的一套聯(lián)合機組。水龍頭是石油鉆機上聯(lián)合提升、旋轉(zhuǎn)、循環(huán)三大系統(tǒng)設(shè)備的關(guān)鍵部件，水龍頭的軸承以及其他主要零件，都要滿足一定的強度、剛度等設(shè)計要求?；诖?，筆者介紹水龍頭的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，以SL225水龍頭為例，對其結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與分析。對軸承布置方案進行討論研究，同時運用手工計算和有限元分析相結(jié)合的方法對水龍頭的主要零部件進行強度校核，并且進行可靠性分析，以滿足API以及石油行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

關(guān)鍵詞：鉆采機械；水龍頭；強度校核；有限元分析

中圖分類號：TE922 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-045-02

Analysis and Calculation of the Structure of a Vehicle Driller

Based on the Finite Element Method

LIU Dongliang GU JiJun

（China University of Petroleum，Beijing 100000）

Abstract： Oil drilling rig is a set of combined units for oil and gas exploration and development. The faucet is the key part of the three systems of the combined lifting， rotating and circulating system on the oil rig. The bearing and other main parts of the faucet must meet certain design requirements such as strength and rigidity. The structure characteristics and working principle of the faucet were introduced. The structure of SL225 water faucet was designed and analyzed with the example of the faucet. The bearing layout scheme was discussed. Meanwhile， manual calculation and finite element analysis were combined to check the strength of the main parts of the faucet， and the reliability analysis was carried out to meet the requirements of API and the standards and specifications of the petroleum industry.

Keywords： drilling machinery； faucet； strength checking； finite element analysis

鉆井技術(shù)快速發(fā)展，帶動了石油機械行業(yè)的發(fā)展，也就對鉆機技術(shù)提出了新的要求和期望。水龍頭是石油鉆機、修井機的一個非常重要的部件。作為鉆機提升系統(tǒng)設(shè)備、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)備、循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備三大系統(tǒng)的一個非常關(guān)鍵的過渡部件，它上部通過提環(huán)與大鉤相連，下部通過中心管與方鉆桿相連。在鉆井過程中，中心管是由方鉆桿帶動的，它本身不能主動旋轉(zhuǎn)。水龍頭上的鵝頸管與水龍帶相連接，在鉆井過程中，中心管與鉆具相連形成泥漿循環(huán)通道。水龍頭在石油鉆機、修井機等設(shè)備上有重要作用：承受全部套管和鉆柱的重量，向井下引輸高壓鉆井液[1]。

本文以SL225水龍頭型號為例，介紹SL225水龍頭的結(jié)構(gòu)和工作原理，討論確定軸承的布置方案（扶正軸承和防跳軸承），然后對殼體、鵝頸管等零件使用手工計算和有限元應(yīng)力分析相結(jié)合的方法共同分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

根據(jù)水龍頭的工作原理，可以將水龍頭的結(jié)構(gòu)分為以下三個系統(tǒng)：①承載系統(tǒng)，包括中心管及其接頭、殼體、銷軸、提環(huán)和主軸承等；②鉆井液系統(tǒng)，由鵝頸管、鉆井液沖管組成；③輔助系統(tǒng)，包括扶正軸承、防跳軸承、機油密封盒組件及上蓋等。

SL225工況及方案設(shè)計：本文介紹的SL225水龍頭，主要運用在3 000m車載鉆機。鉆桿的尺寸相對較小，適應(yīng)井架空間也相對較小，主要修井用兼用鉆井。主要技術(shù)參數(shù)是按API Spec 8C推薦參數(shù)及國內(nèi)外相應(yīng)產(chǎn)品的參數(shù)而確定的，產(chǎn)品的設(shè)計計算按照API Spec 8C《鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范》要求進行計算。主載荷構(gòu)件是指設(shè)備中承受主載荷的構(gòu)件，包括提環(huán)、外殼、鵝頸管、中心管、主輔軸承、沖管盤根[2]。

2 布置方案及可靠性設(shè)計

2.1 軸承布置方案

2.1.1 兩扶正軸承分置于主軸承兩邊。①扶正軸承間距A大，扶正效果好；中心管擺動小，工作穩(wěn)定；有利于鉆井液密封及機油密封。②防跳軸承布置在上扶正軸承的下方，或只采用一個錐滾軸承，起扶正和防跳作用，這樣既可增大扶正間距，又可使結(jié)構(gòu)緊湊。

2.1.2 兩扶正軸承同在主軸承下側(cè)。①扶正軸承間距A小，扶正效果差。②在扶正軸承發(fā)生磨損時，中心管易發(fā)生擺動，工作不穩(wěn)定。這種擺動將過早地破壞鉆井液密封，加速機油密封磨損，使鉆井液漏入油池，惡化了軸承潤滑條件，縮短其壽命。

通過對比，選擇方案2.1.1：兩扶正軸承分置于主軸承兩邊。

2.2 可靠性設(shè)計

因為材料的強度、加工尺寸和外載荷等都具有離散性特點，有可能導(dǎo)致達不到預(yù)定的工作時間而發(fā)生失效。所以，要把這種失效情況出現(xiàn)的概率控制在合理范圍內(nèi)，這就需要對零件進行可靠性設(shè)計[3]。以SL225水龍頭為例，如果沖管盤根發(fā)生泄露現(xiàn)象，就會導(dǎo)致鉆井過程中斷，甚至發(fā)生井下事故，這就要考慮可靠性設(shè)計。在現(xiàn)場如果發(fā)生此類事故，要快速更換沖管盤根[4]。

3 結(jié)構(gòu)有限元分析及計算

3.1 強度計算的依據(jù)

3.1.1 安全系數(shù)的確定

API Spec 8C規(guī)定，安全系數(shù)為：

[SFD=3.00-0.75（Pmax-1 350）3 150]

對于SL225來說：

[SFD=3.00-0.75（Pmax-1 350）3 150=3.00-0.75（2 250-1 350）3 150 =2.786]

3.1.2 剪切強度的確定

API Spec 8C規(guī)定，剪切強度與抗拉強度的比值為0.58，即[τs=0.58σs]。

3.2 主要零件的有限元計算與分析

3.2.1 鵝頸管

材料：ZG35CrMo

[σb≥720Mpa，τs=0.58σs=313.2MPa]

利用有限元分析軟件，將鵝頸管與支架連接處的法蘭施加固定約束邊界，然后在鵝頸管內(nèi)壁施加35MPa壓力載荷，計算此時鵝頸管的應(yīng)力，如圖1所示。

計算所得鵝頸管的最大應(yīng)力值為185.8MPa。

最大應(yīng)力發(fā)生在接觸區(qū)位置。

[ASmax=YSminSFD]

計算在設(shè)計載荷下允許的最大應(yīng)力：

[ASmax=YSminSFD=5402.79=193.55MPa>185.8MPa]

因此，鵝頸管設(shè)計符合API Spec 8C安全系數(shù)的要求。

3.2.2 殼體

材料：ZG28CrNiMoA，圖紙要求的機械性能參數(shù)。

[σb≥690MPa，σs≥520MPa，τs=0.58σs=301.6MPa]

利用有限元分析軟件，將兩銷孔處施加固定邊界條件，軸承安裝面上施加軸向額定載荷，得到額定載荷下水龍頭殼體受力如下：

最大應(yīng)力為：173.6MPa，

[SFD=σs/σ=520/173.6=2.995>2.79]。

因此，殼體設(shè)計符合API Spec 8C安全系數(shù)的要求[5]。

4 結(jié)語

本文以SL225型號水龍頭為例，完成了車載鉆機水龍頭相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，介紹了SL225水龍頭的結(jié)構(gòu)和工作原理，選擇了軸承的布置方案，并結(jié)合水龍頭的實際應(yīng)用考慮了其可靠性，然后對殼體、鵝頸管等零件使用手工計算和有限元應(yīng)力分析相結(jié)合的方法共同計算和分析，為車載鉆機水龍頭的實際生產(chǎn)制造及研發(fā)提供了理論支撐。

參考文獻：

[1]鄭惠玲，李湛，張金全，等.一種水龍頭旋轉(zhuǎn)加載試驗裝置的設(shè)計[J].河南科技，2012（2）：74-75.

[2]方繼志.石油鉆采機械概論[M].北京：中國石油大學(xué)出版社，2011.

[3]邱宜懷.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，1997.

[4]杜鳳玲，張茂，魏秦文，等.水龍頭高壓盤根密封失效分析與結(jié)構(gòu)改進[J].石油礦場機械，2007（7）：53-56.

[5]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.