XSL170 1水龙头的研制

2014-09-14王永军安青龙中石油大庆钻探工程公司钻井二公司黑龙江大庆163413

长江大学学报(自科版) 2014年14期

王永军，安青龙（中石油大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙江大庆 163413）

钻井水龙头是石油钻机悬吊系统一个重要设备。大庆钻探工程公司在前2年的钻井施工过程中曾出现了水龙头中心管下部涨裂及与其连接的双反接头公扣螺纹发生断裂，致使钻井施工中使用的钻具掉落钻台面和顿钻事故，这类事件的发生极易造成钻井施工过程中人身伤害及工程、机械类的安全事故。因此，迫切需要分析发生水龙头中心管下部及双反接头公扣螺纹断裂的原因，针对不合理结构进行有效的技术改进，以保障人员、设备及生产安全。

1 水龙头中心管及双反接头受力分析

石油钻井中的水龙头既要和上部游车大钩保持相对静止状态，又要能带动钻杆实现旋转运动。在正常工作状态下，下面悬挂着几千米的钻杆，内部还流动着高压泥浆，另外还要受到扭转、弯曲等多种载荷的作用，其受力状态极其复杂。而水龙头的旋转以及承受的载荷主要是通过水龙头中心管来实现。中心管与旋转钻杆的连接则是通过它们之间接头上的螺纹连接来完成。中心管或双反接头强度不够，会产生疲劳断裂。而笔者要研究的就是设计合理的结构尺寸防止发生疲劳断裂。

水龙头中心管在高压泥浆和轴向载荷作用下最大应力出现在螺纹根部以及倒角处，而螺纹面又以前5牙最大。这些位置也是最有可能发生屈服破坏的地方［1］，如图1和图2所示。

非线性和材料非线性耦合求解得出结论——产生屈服破坏的主要应力强度来至于拉伸载荷［2］：

式中，σ为拉伸载荷，N／m；σ∞为拉伸载荷密度，（N·m）／m2；D为接头外径，mm；d为接头内径，mm；dc为齿根直径，mm。

在式（1）中σ∞、d2均不能改变的情况下，设：

式中，Δd为直径变量，mm。从式（3）中可以得出结论，D越大，形成的拉伸载荷越小，所需材料强度因子越小。因此，适当增加中心管及双反接头直径可以防止其发生疲劳断裂。

图1 水龙头中心管与钻杆连续状态受力示意图

图2 中心管螺纹连接有限元分析模型

2 改进方案与加工制造工艺

2.1 改进方案

通过对现有XSL型水龙头的结构及相关尺寸（见图3（a））进行分析，确定了项目进行改进的主攻方向。

图3 XSL170水龙头与XSL170－1水龙头结构简易图

1）结合现场可操作性，增加水龙头中心管外径尺寸，由原来的∅148增加12mm中心管直径改变为∅160 （适合钳头）。

2）改进双反接头扣型，有原来的410扣型改变为411（工程技术要求）。

3）随着中心管直径的改变与其相关的下压盖、轴承、摩擦轮及密封圈尺寸也需要相应改变，如图3（b）所示。

2.2 加工制造工艺

对改进结构后零件的加工制造进行工艺设计并进行加工制造。加工过程中应该考虑的原则是结构的改进能改变零件力学性能，不应改动易损件互换性；保证新型水龙头与原先的水龙头实现易损件通用；实现利益最大化，成本最小化。最终目的是通过对双反接头螺纹尺寸的改型，增加水龙头中心管外径尺寸，改进双反接头扣形，获得双反接头螺纹根部的强度，提高其水龙头总件的安全性能。XSL170－1与原XSL170旋扣水龙头变动部分对照表如表1所示。

表1 XSL170－1与原XSL170旋扣水龙头变动部分对照表

3 现场应用情况

现钻井二公司30515和30622钻井队安装了该XSL170－1型水龙头。30515钻井队2012年3月6日开始使用打井45口。30622钻井队2012年6月25日开始使用，先后完成了水平井、定向井、评价井、取心井等各种井型12口，最深井深达2689m。该XSL170－1型水龙头性能稳定，至今没有出现安全事故。