SL450高压两用水龙头的研发*

刘付贵，时琦昊，魏孔财

(兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州　730050)

0　引　言

随着我国工业的迅速发展，作为主要能源供给的石油钻采行业也越来越受到人们的重视。针对复杂多变的地质环境，行业对钻采设备所提出的要求也越来越高，设计出安全、便捷、稳定的钻采设备是钻机生产商的首要任务。因此，顶驱、铁钻工、液压大钳等一系列自动化钻采设备在近些年应运而生。

水龙头是石油钻机的重要设备之一，在钻井作业中，主要用于悬吊钻杆和输送高压泥浆，为旋转的钻杆提供支撑并起到提升部机与旋转钻具之间的过渡连接功能[2]。主要组成零件有提环、鹅颈管、盘根装置、上盖、壳体、中心管、提环销、主轴承(见图1)。

就7 000 m钻机而言，常规配套的水龙头通常为单用的SL450水龙头，额定载荷4 500 kN，最高工作压力为35 MPa， 最高转速300 r/min，在钻杆松扣后不具备自动旋扣的功能，通常要配套铁钻工一起使用才能提高工作效率，或者用顶驱完全替代水龙头进行钻井作业，但是无论采用哪种方案，都会极大的提高作业成本，因为铁钻工和顶驱的价格非常昂贵，也许不被用户所接受。当遇到复杂的地质环境需要增大泥浆压力超过35 MPa时，常规顶驱和水龙头已不能满足工况的需求。

图1　常规水龙头

针对上述情况，为了满足钻机在不同工况下的钻井需求，在安全、便捷、稳定，同时考虑生产成本的前提下，设计出一种可以承受高压泥浆，同时具有上卸扣功能的SL450高压两用水龙头，在下文中统称新水龙头。

1　总体方案设计与创新点

在新水龙头总体方案的设计过程中，传统的结构原理保持不变，在成熟设计经验基础之上，对常规水龙头创新的结构进行优化设计，产品主要参数为：额定载荷4 500 kN，最高工作压力52 MPa， 最高转速300 r/min，额定旋扣转速92 r/min，最大旋扣扭矩3 000 N·m。在钻杆松扣后具备自动旋扣的功能(见图2)。设计包含以下创新点：

(1) 鹅颈管顶部承压结构优化

水龙头鹅颈管上端留有一个2英寸的通孔，这是为测井而设计的，平时用一个2英寸的丝堵将测井孔堵住封死(见图1)。在新水龙头的设计方案中，由于泥浆最高工作压力达到52 MPa，2英寸的丝堵不能满足密封要求，因此将通孔设计成法兰连接，中间放置金属密封圈，用螺栓把合，密封性得到保证(见图2)。通过产品水压试验证明此结构设计合理，安全可靠。

图2　高压两用水龙头

(2) 盘根装置结构优化

为了保证新水龙头的高压性能，对原有的盘根装置也进行了结构改进(见图3)。盘根装置是水龙头旋转密封的关键零部件[1]，高压泥浆从泥浆管中心孔通过进入地层深处，对上下盘根盒产生作用力，如果此结构的安全系数不能达到设计要求，在使用过程中可能出现裂痕，发生事故。新设计的结构将原有的盘根盒压盖和盘根盒优化成一个整体，这样就突破了安装尺寸的限制，可以适当的增加盘根盒壁厚，承受更高的泥浆压力。

(3) 自动旋扣结构设计

常规水龙头在钻井作业过程中，自身是没有动力的，在转盘驱动方钻杆带动中心管旋转的前提下，水龙头才会转动起来[4]。增加自动旋扣装置，首先考虑动力问题，采用压缩空气为主动力，同时设计一套传动系统将动力传导至中心管。传动系统主要由一组内摩擦片、一组外摩擦片、传动轴、小齿轮、气马达等零件组成(见图4)。当压缩空气由进气口进入气马达时，内外摩擦片相互作用促使传动轴旋转，中心管上的齿圈(见图2)与小齿轮是啮合的，中心管也会跟随旋转，达到上卸钻杆的目的。工作气源不用单独配置，只需在钻机的总空气管道上分流出一根管道即可，如果使用现场气马达的噪音较大，可以在出气口的位置安装一个消音器。此旋扣装置的旋扣扭矩较小，只能在液压大钳对钻杆松扣后使用，上扣的时候也是如此，最后的紧扣扭矩也需专用的大钳来完成。

图3　盘根装置

图4　自动旋扣装置

2　关键零件应力分析

新水龙头在钻井过程中主要承受泥浆压力的零件有鹅颈管和中心管，对这两个零件建模进行有限元分析。鹅颈管的材料为高强度合金钢铸件，材料屈服强度Rel≥690 MPa，抗拉强度Rm≥795 MPa，延伸率A≥14%，断面收缩率Z≥30%，三维建模后进行受力分析(见图5)，施加内压52 MPa的载荷导入有限元软件进行分析计算，得出鹅颈管的Mises应力图(见图6)。在52 MPa压力作用下，应力集中部位最高压力为345.2 MPa，除去应力集中外，鹅颈管所受的最高应力为230.6 MPa,按照690 MPa的屈服强度进行安全校核，其安全系数n=690/230.6=2.99,满足设计要求。

图5　受力示意图图6　内压52 MPa应力图

中心管的材料为高强度合金钢锻件，材料屈服强度Rel≥515 MPa，抗拉强度Rm≥690 MPa，延伸率A≥19%，断面收缩率Z≥50%。通过受力分析可知，中心管同时承受泥浆压力和钻柱重量，因为材料是合金钢锻件，壁厚也大于鹅颈管，因此，水龙头的最大额定负载450 t才是中心管的主承受力[3]。为了直观的了解受力情况，取中心管模型的1/4进行加载，得到中心管的应力分布图(见图7)，最大值为471 MPa，出现在圆盘根部倒角部位，属于应力集中，另外，下部退刀槽部位的应力集中也比较明显，在应力集中附近区域的应力值急剧下降，说明中心管的设计是非常安全的。

图7　450 t载荷作用下应力图

3　结　论

SL450高压两用水龙头的设计，可以更好的满足用户需求，适合应对钻井过程中出现增大泥浆压力的情况，整体盘根盒式结构也更方便拆卸和安装易损件，自动旋扣功能也极大的提高了作业效率。其制造成本相对于常规水龙头来说并没有提高多少，而且维修方便，多数零件可与常规水龙头互换，非常适合国内钻机市场，具有较好应用前景。