井口裝置部件芯軸套管懸掛器的設計計算

施成輝 吳文秀

摘 要：文章主要介紹井口裝置部件芯軸套管懸掛器的設計，從標準、應用及理論計算上逐步闡述設計的要點，使相關設計者對產品的設計有一定的認識，具有行業參考性。

關鍵詞：井口裝置；芯軸套管懸掛器；設計計算

中圖分類號：TE931 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0092-02

Abstract： This paper mainly introduces the design of the bushing hanger of the wellhead device components， and expounds the main points of the design step by step from the standard， application and theoretical calculation， so that the relevant designers have a certain understanding of the design of the products， and have the reference value of the industry.

Keywords： wellhead device； mandrel hanger； design calculation

芯軸套管懸掛器應用于石油天然氣井口裝置上，主要功能是懸掛技術套管或生產套管，相比于卡瓦式套管懸掛器，具有安裝方便、密封可靠的特點。相關行業規范API 6A和GB/T 22513上的規定內容有限，不足以指導產品實際設計，以下從產品的結構、材料、設計計算上分別進行闡述。

1 結構

芯軸套管懸掛器外形結構見圖1，在井口裝置中的安裝位置見圖2。

2 材料

按照API 6A-井口裝置和采油樹設備規范，懸掛器的材料需要符合規范要求，見表1。對于DD/EE/FF/級別的懸掛器選擇材料時，一定要考慮材料是否符合NACE MR0175的要求，碳鋼和低合金鋼要考慮硬度要求，不銹鋼需要考慮H2S分壓，比如：AISI 4140 110K低合金鋼不能用于DD級別，硬度超過HRC22；17-4PH不銹鋼材料不能用于EE級別，H2S分壓超過1.5psi的場合。

除標準要求之外，通常在設計時需要甲方鉆井技術要求的套管管柱的大小、鋼級、磅級以及長度等信息，例如6-5/8英寸的套管，磅級28PPF（對應鋼級L80），在設計芯軸套管懸掛器時，底部連接扣的外徑，懸掛器通徑、本體等尺寸均可由標準先行定義，按材料等級選擇對應的材料，DD-NL級，選用AISI 4130 85K低合金鋼。

3 設計計算

7-5/8英寸套管，磅級為29.7PPF（44.19kg/m）的L80套管，管柱深度H為2350m，安裝套管頭法蘭規格為11英寸，壓力35MPa，查標準數據，確定參數，懸掛器本體外徑尺寸D1為193.68mm，通徑尺寸D2為174.63mm，底部連接扣外徑D3為215.9mm，本體臺階外徑D4按照法蘭規格縮減設計為276.1mm，提升螺紋用于連接送取工具，方便懸掛器安裝，螺紋靠近本體，查找螺紋手冊，選取8.125″-2STUB-ACME螺紋，左旋，螺紋退刀槽尺寸外徑D5為196.5mm。懸掛器材料為AISI 4130 85K。

3.1 懸掛器本體抗外擠強度PW計算

3.2 懸掛器抗內壓壁厚校核計算（按ASME B31.3）

3.3 退刀槽內壓和拉升聯合作用下的強度計算

4 結束語

芯軸套管懸掛器從尺寸上講并不是一個標準部件，它的設計取決于實際鉆井程序、鉆頭法蘭大小、管柱大小磅級等參數；同時在計算過程中，懸掛器的提升螺紋載荷實際和螺紋的有效長度有關，和螺距大小無關，通常為了快速退出送取工具，盡可能的選用大螺距，以減少操作時間，降低風險。

參考文獻：

[1]李人望，劉旭輝.頁巖氣壓裂用超高壓閥門的設計計算[J].科技創新與應用，2018，10（29）.

[2]王誠，許福東，等.淺談對AISI4130材料力學性能影響因素的控制[J].科技創新與應用，2018，10（30）.

[3]APISPEC6A（20th）-2010.井口裝置和采油樹設備規范[S].