王永軍，安青龍 （中石油大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

鉆井水龍頭是石油鉆機(jī)懸吊系統(tǒng)一個(gè)重要設(shè)備。大慶鉆探工程公司在前2年的鉆井施工過(guò)程中曾出現(xiàn)了水龍頭中心管下部漲裂及與其連接的雙反接頭公扣螺紋發(fā)生斷裂，致使鉆井施工中使用的鉆具掉落鉆臺(tái)面和頓鉆事故，這類事件的發(fā)生極易造成鉆井施工過(guò)程中人身傷害及工程、機(jī)械類的安全事故。因此，迫切需要分析發(fā)生水龍頭中心管下部及雙反接頭公扣螺紋斷裂的原因，針對(duì)不合理結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的技術(shù)改進(jìn)，以保障人員、設(shè)備及生產(chǎn)安全。

1 水龍頭中心管及雙反接頭受力分析

石油鉆井中的水龍頭既要和上部游車大鉤保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，又要能帶動(dòng)鉆桿實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在正常工作狀態(tài)下，下面懸掛著幾千米的鉆桿，內(nèi)部還流動(dòng)著高壓泥漿，另外還要受到扭轉(zhuǎn)、彎曲等多種載荷的作用，其受力狀態(tài)極其復(fù)雜。而水龍頭的旋轉(zhuǎn)以及承受的載荷主要是通過(guò)水龍頭中心管來(lái)實(shí)現(xiàn)。中心管與旋轉(zhuǎn)鉆桿的連接則是通過(guò)它們之間接頭上的螺紋連接來(lái)完成。中心管或雙反接頭強(qiáng)度不夠，會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂。而筆者要研究的就是設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)尺寸防止發(fā)生疲勞斷裂。

水龍頭中心管在高壓泥漿和軸向載荷作用下最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺紋根部以及倒角處，而螺紋面又以前5牙最大。這些位置也是最有可能發(fā)生屈服破壞的地方［1］，如圖1和圖2所示。

非線性和材料非線性耦合求解得出結(jié)論——產(chǎn)生屈服破壞的主要應(yīng)力強(qiáng)度來(lái)至于拉伸載荷［2］：

式中，σ為拉伸載荷，N／m；σ∞為拉伸載荷密度，（N·m）／m2；D為接頭外徑，mm；d為接頭內(nèi)徑，mm；dc為齒根直徑，mm。

在式（1）中σ∞、d2均不能改變的情況下，設(shè)：

式中，Δd為直徑變量，mm。從式 （3）中可以得出結(jié)論，D越大，形成的拉伸載荷越小，所需材料強(qiáng)度因子越小。因此，適當(dāng)增加中心管及雙反接頭直徑可以防止其發(fā)生疲勞斷裂。

圖1 水龍頭中心管與鉆桿連續(xù)狀態(tài)受力示意圖

圖2 中心管螺紋連接有限元分析模型

2 改進(jìn)方案與加工制造工藝

2.1 改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有XSL型水龍頭的結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸 （見(jiàn)圖3（a））進(jìn)行分析，確定了項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)的主攻方向。

圖3 XSL170水龍頭與XSL170－1水龍頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易圖

1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可操作性，增加水龍頭中心管外徑尺寸，由原來(lái)的?148增加12mm中心管直徑改變?yōu)?160 （適合鉗頭）。

2）改進(jìn)雙反接頭扣型，有原來(lái)的410扣型改變?yōu)?11（工程技術(shù)要求）。

3）隨著中心管直徑的改變與其相關(guān)的下壓蓋、軸承、摩擦輪及密封圈尺寸也需要相應(yīng)改變，如圖3（b）所示。

2.2 加工制造工藝

對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)后零件的加工制造進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)并進(jìn)行加工制造。加工過(guò)程中應(yīng)該考慮的原則是結(jié)構(gòu)的改進(jìn)能改變零件力學(xué)性能，不應(yīng)改動(dòng)易損件互換性；保證新型水龍頭與原先的水龍頭實(shí)現(xiàn)易損件通用；實(shí)現(xiàn)利益最大化，成本最小化。最終目的是通過(guò)對(duì)雙反接頭螺紋尺寸的改型，增加水龍頭中心管外徑尺寸，改進(jìn)雙反接頭扣形，獲得雙反接頭螺紋根部的強(qiáng)度，提高其水龍頭總件的安全性能。XSL170－1與原XSL170旋扣水龍頭變動(dòng)部分對(duì)照表如表1所示。

表1 XSL170－1與原XSL170旋扣水龍頭變動(dòng)部分對(duì)照表

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

現(xiàn)鉆井二公司30515和30622鉆井隊(duì)安裝了該XSL170－1型水龍頭。30515鉆井隊(duì)2012年3月6日開(kāi)始使用打井45口。30622鉆井隊(duì)2012年6月25日開(kāi)始使用，先后完成了水平井、定向井、評(píng)價(jià)井、取心井等各種井型12口，最深井深達(dá)2689m。該XSL170－1型水龍頭性能穩(wěn)定，至今沒(méi)有出現(xiàn)安全事故。

4 結(jié)論

1）該XSL170－1型水龍頭降低了因水龍頭中心管下部雙反接頭公螺紋根部發(fā)生斷裂產(chǎn)生的安全事故發(fā)生率。

2）水龍頭中心管下部雙反接頭公螺紋根部發(fā)生斷裂，會(huì)導(dǎo)致其他配件損壞，必須返廠維修，成本將是水龍頭總價(jià)的2／3，或者更高。新型水龍頭使用壽命延長(zhǎng)，節(jié)省了修理成本。

［1］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(chǎng)機(jī)械，2006，35（5）：39－41.

［2］楊曉翔，尚福林.SL450水龍頭中心管螺紋齒根表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子三維有限元分析 ［J］.機(jī)械強(qiáng)度，1996，18（1）：77－80.