SL675型高壓重載水龍頭設計研究

孫 娟

(寶雞石油機械有限責任公司技術中心,陜西寶雞721002)

SL675型高壓重載水龍頭設計研究

孫 娟

(寶雞石油機械有限責任公司技術中心,陜西寶雞721002)

介紹了國產12 000 m鉆機配套的SL675型高壓重載水龍頭結構組成和性能參數,重點從主軸承的設計選型、盤根密封裝置、提環結構設計、適應低溫環境等4個方面對設計要點和技術特點進行了論述,對我國研究及開發更大載荷的水龍頭具有良好的借鑒和參考價值。

高壓重載水龍頭;設計;結構;技術特點;應用

水龍頭是石油鉆機游吊系統的關鍵部件之一,其工作性能的好壞直接影響著整個鉆機的安全性能、鉆井質量、鉆井效率和鉆井成本,因此包括水龍頭在內的鉆機游吊系統的設計研究已引起世界各國的普遍重視。深井、特深井石油鉆機使用的重型水龍頭因其超大噸位載荷、高壓泥漿以及對結構和材質上的特殊要求等,多年來一直是制約我國鉆機發展的瓶頸。隨著技術的進步及國產 ZJ90DB型、ZJ120DB型等超深井鉆機的研制需要,寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石公司)承擔起包括鉆機主體及關鍵成套部件的研制工作,特別是SL675型水龍頭的研制成功有力地推動了我國石油鉆機國產化的進程。

1 結構和技術參數

1.1 結構組成及功能

鉆機在正常鉆井過程中,水龍頭起著與上部游車大鉤及下部鉆桿之間的運動過渡連接作用,既要和上部的游車大鉤保持相對靜止狀態,又要隨鉆桿實現旋轉運動,在正常工作狀態下,下部懸掛鉆柱,內部輸送高壓泥漿,受力情況非常復雜。

SL675型水龍頭主要由旋轉、固定、密封和旋扣等4個單元部件組成,如圖1。旋轉單元由中心管和接頭組成;承轉由主軸承、防跳(扶正)軸承和下扶正軸承組成;固定單元由主殼體、上蓋體、下蓋體、鵝頸管、提環和提環銷等構件組成;密封單元由沖管總成和上、下油封組成;旋扣部分主要由氣馬達、齒輪、單向式氣控摩擦離合器等組成。

a) 旋轉單元主要承擔著鉆柱在鉆井過程中的扶正及定位作用,同時具有能夠承受鉆桿柱在旋轉中的抗扭和懸吊鉆桿自身質量的功能。

b) 固定單元除必須承受與鉆機最大載荷匹配的最大拉力外,還擔當著所有零部件的安裝和定位作用。

c) 密封單元一方面需防止水龍頭內部各旋轉件定期加注的潤滑油流失;另一方面作為中心管等高壓密封,必須能夠有效防止泥漿在鉆井過程中的刺漏。

d) 旋扣單元主要是保證鉆機在接單根和方鉆桿時的上、卸扣要求。

圖1 SL675型水龍頭結構

1.2 主要技術參數

型號 SL675

最大靜載荷 6 750 kN

最高轉速 300 r/min

最高工作壓力 52 MPa

中心管內徑 ?102 mm

接頭螺紋

與中心管連接 85/8英寸REG L H

與方鉆桿連接 65/8英寸REG L H

鵝頸管接頭與水龍帶連接螺紋

5英寸LP(API std 5B)

風動馬達型號 FMS-20

額定轉速 2 800 r/min

功率 14.7 kW

額定氣壓 0.6～0.8 MPa

空氣消耗量(自由空氣) 17 m3/min

進氣管線 Rc11/2英寸

額定旋扣轉速 80 r/min

額定旋扣扭矩 1 675 N·m

外形尺寸(長×寬×高)

3 775 mm×1 406 mm×1 240 mm質量(不包括空氣管線) 6 880 kg

2 設計要點及技術特點[1-4]

SL675型水龍頭設計符合API Spec 8C、API Spec 5B、API Spec 7和《石油鉆機用水龍頭》SY/ T5530—1992等標準,設計性能完全能夠滿足國產ZJ90DB型、ZJ120DB型等特深井鉆機配套要求。

2.1 主軸承適應端面重載荷

水龍頭主軸承的選型與結構設計是保證水龍頭能否成功的關鍵因素之一。由于水龍頭主軸承與常規意義上的軸承在安裝和使用上有很大的差異,常規軸承的主要受力點通常在軸承的內圈或外圈上,而水龍頭主軸承的受力點則分布在軸承端面上,因此要保證該軸承能夠承受大拉力載荷時的設計壽命,除設計選用可以承受很大軸向拉力載荷的進口重型推力滾子軸承外,按照軸承端面受力分布情況,對其安裝平面、安裝位置及配合精度等方面進行了綜合性結構優化設計,從而使其具有結構合理、體積小、承載大,可靠性高的優點。

2.2 盤根密封裝置適應高壓工作條件

水龍頭盤根密封壽命一直是水龍頭研究的一個技術難點,SL675型水龍頭在中心管旋轉工作狀態下要承受52 MPa的工作壓力,是對密封件性能和結構的挑戰。SL675型水龍頭突破傳統設計理念,除了在材料配比選型上提出設計要求外,按照 Y型液壓自封式密封結構原理,采用浮動沖管、Y型液封盤根和快卸結構[1],并在有限元分析和反復對比的基礎上,采用內旋轉(沖管隨中心管一起旋轉)、外固定形式和沖管主密封盒倒置式安裝結構,可實現快速拆卸,有效保證了密封效果,提高了密封件的使用壽命。

2.3 提環結構適應大載荷

水龍頭提環截面小,但由于工作時要承受全部鉆柱質量和由卡鉆引起的附加力等,因此對其安全性的設計要求很高。常規提環設計采用等截面、非等效應力的設計方法,這種形式的提環設計制造難度雖然較小,但由于應力分布的不均勻性,容易導致應力集中及產生局部損壞。SL675型水龍頭通過有限元分析計算,按照不同截面對應等應力的設計方法,不僅有效改善了提環的受力結構,保證了水龍頭在提升載荷過程中的安全可靠性能,而且減輕了提環質量。

2.4 關鍵零部件適應低溫環境

SL675型水龍頭按照適應-40℃環境要素進行設計。為滿足低溫帶來的金屬易脆斷現象及有效防止事故發生,一方面對主要承力件如提環、提環銷、中心管、殼體、接頭等在材料選用及材料成分配比上進行多次對比和試樣試驗,還對部分關鍵零件結構進行了非常嚴格的設計,例如中心管螺紋設計有卸荷槽,主殼體和中心管關鍵承力點型面采用大圓弧平滑曲面過渡等,有效提高了各零件的承載能力,降低了零件局部應力集中,確保了整個水龍頭結構的合理性及低溫工作要求。

3 現場應用

SL675型水龍頭已先后在勝利、中原、華北、西南局、川慶等油田的9 000 m和12 000 m鉆機上成功應用。油田反饋的信息表明,該水龍頭除在檢查清洗內部殘存的油泥、泥漿等污漬時發現個別零件表面有輕微銹蝕現象外,只更換過部分易損件,未發現存在性能方面的問題。

4 結語

SL675型水龍頭設計理念先進,結構合理,性能穩定,運轉靈活,密封良好,各項性能指標都能達到設計要求,為我國萬米以上鉆機配套國產化高壓重載水龍頭邁出了重要一步。

[1] 魏孔財,楊儒周.簡論水龍頭盤根密封裝置的發展[J].石油礦場機械,2005,34(3):103-104.

[2] 陳海林,薛明晉,夏美忠,等.基于Pro/E和ANSYS的提環實體建模與有限元分析[J].石油礦場機械,2008, 37(12):19-21.

[3] 韓傳軍,張 茂,陳 珂,等.水龍頭耐高壓盤根密封及接觸壓力分析[J].石油礦場機械,2007,36(9):58-60.

[4] 楊 斌,陳莉蓉,鄔 柯,等.水龍頭中心管螺紋連接承載能力與密封性能分析[J].石油礦場機械,2006,35 (5):39-41.

Design and Research of SL675 High Pressure-Heavy Load Swivel

SUN Juan
(Baoji Oilf ield Machinery Co.,Ltd.,Baoji721002,China)

The structure and capability parameters of SL675 high pressure-heavy load swivel mating with domestic 12000 meters rig are introduced,design point and technique characteristic of the product are emphasized,from four aspects of design and select of main bearing,mud packing seal device,structure design of clevis,low temperature environment design etc.The article offers well reference for our country further research and develop larger load swivel.

high pressure-heavy load swivel;design;structure;technique characteristic;application

1001-3482(2010)04-0074-03

TE926.02

B

2009-10-20

國家高技術研究發展計劃(863計劃)“萬米深井鉆探裝備研制”(2006AA06A110)課題的子課題

孫 娟(1970-),女,山東萊州人,工程師,1996年畢業于西安石油大學礦機專業,從事石油鉆機產品技術研究, E-mail:jj4106@sina.com。