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(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司機(jī)加工技術(shù)服務(wù)中心，天津 300452)

油管插入密封的實(shí)用性改造設(shè)計(jì)

安中望,李曉林,張佳寧

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司機(jī)加工技術(shù)服務(wù)中心，天津 300452)

針對(duì)由于作業(yè)需求不同，定位密封與隔離密封無(wú)法通用，海上緊急作業(yè)時(shí)，只能將定位密封單向改為隔離密封使用的問(wèn)題。從其工作原理出發(fā)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)一種可以在定位和隔離2種形式之間任意轉(zhuǎn)換的插入密封，用以滿足海上緊急作業(yè)需求。

定位；隔離；無(wú)法通用；形式轉(zhuǎn)換

隨著我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)的不斷進(jìn)步，一些石油工具產(chǎn)品逐漸被國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和工藝的改進(jìn)，形成了更符合我國(guó)行業(yè)需求的新產(chǎn)品，從而取代了進(jìn)口產(chǎn)品，油管插入密封就是其中之一。以6 in定位插入密封(以下簡(jiǎn)稱定位密封)為對(duì)象進(jìn)行油管插入密封的實(shí)用性改造設(shè)計(jì)，將原有定位密封上的定位臺(tái)階去掉，經(jīng)過(guò)材料強(qiáng)度分析，螺紋連接強(qiáng)度計(jì)算，在臺(tái)階去掉的位置加工UN外螺紋(英制螺紋)，同時(shí)相應(yīng)設(shè)計(jì)2種UN內(nèi)螺紋套筒：套筒1的外徑和原定位臺(tái)階的外徑尺寸相同，安裝后當(dāng)定位密封使用；套筒2的外徑則是和去掉定位臺(tái)階后的最大外徑一致，安裝后當(dāng)隔離插入密封使用(以下簡(jiǎn)稱隔離密封)。螺紋安裝后靠螺紋自身的預(yù)緊力預(yù)緊，同時(shí)也可以通過(guò)其他手段進(jìn)行放松，如防轉(zhuǎn)銷釘?shù)取?/p>

圖1 6 in插入密封

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)分析

油管插入密封主要由4部分組成，包括：上接頭，密封單元，中間接頭及下接頭，其總體長(zhǎng)度根據(jù)中間短節(jié)的數(shù)量而定，通常在1～3 m之間，其最大外徑根據(jù)所配合的密封筒外徑而定，上下扣型為油管螺紋，見(jiàn)圖1。

定位密封有2個(gè)關(guān)鍵尺寸：一個(gè)為定位臺(tái)階尺寸，作業(yè)時(shí)，依靠定位臺(tái)階將插入密封定位在頂部隔離封隔器的上方，確保密封單元的位置處于中心管內(nèi)，形成過(guò)盈密封；另一個(gè)為與頂部隔離封隔器中心管配合的最大尺寸，該尺寸用來(lái)控制插入密封與密封筒之間的間隙，保證插入密封在密封筒內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)大幅度偏移而導(dǎo)致密封失效。

由于井下環(huán)境復(fù)雜，完井作業(yè)工藝流程也會(huì)根據(jù)實(shí)際情況有所改變。有些作業(yè)因?yàn)楣苤L(zhǎng)度無(wú)法控制以至不能使用定位密封去進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，此時(shí)只能使用隔離密封進(jìn)行作業(yè)。隔離密封有一個(gè)關(guān)鍵尺寸，即與頂部隔離封隔器中心管配合的最大尺寸。作業(yè)時(shí)，隔離密封可以整體貫穿中心管內(nèi)部，需依靠增加密封單元的數(shù)量，即增加插入密封的總體長(zhǎng)度的方法保證有一定數(shù)量密封單元在中心管內(nèi)形成過(guò)盈密封。

1.2 總體改造方案設(shè)計(jì)

基于6 in定位密封進(jìn)行實(shí)用性改造設(shè)計(jì)，主要改造部位為上接頭的定位臺(tái)階部位，其他部位保持原有結(jié)構(gòu)不變。

定位密封和隔離密封的本質(zhì)差別在于有無(wú)定位臺(tái)階，如果想隨時(shí)在定位和隔離2種形式之間轉(zhuǎn)換，就必須將原有的一體式上接頭改為分體式，同時(shí)，分離的部分還需要用某種方式連接到本體上，該連接方式需要保證分體與本體軸向連接距離上的精確性，同時(shí)可以拆卸靈活，還具備一定的連接強(qiáng)度。

改造后需要實(shí)現(xiàn)定位臺(tái)階可安裝拆卸的功能，并且要求拆裝便捷，有軸向定位功能，因此擬定方案為定位臺(tái)階和本體采用直螺紋連接，依靠限位臺(tái)階定位。

1.2.1 螺紋的選擇

根據(jù)空間條件，采用5-1/2/in，8牙/in的非標(biāo)準(zhǔn)UN螺紋，精度等級(jí)2A級(jí)。改造方法為將原有的定位臺(tái)階去掉，在去掉定位臺(tái)階的位置加工5-1/2 in-8UN外螺紋，由于需要保證一定的預(yù)緊力，故沒(méi)有進(jìn)行退刀槽的加工，因此，設(shè)計(jì)螺紋長(zhǎng)度時(shí)，需要注意給出加工螺紋時(shí)所需的退刀量，保證螺紋能自然收尾。螺紋右端還預(yù)留了一個(gè)定位臺(tái)階，用來(lái)控制軸向距離的精確性。原6 in上接頭及改進(jìn)后6 in接頭見(jiàn)圖3。

圖3 6 in上接頭

1.2.2 定位臺(tái)階的改造設(shè)計(jì)

根據(jù)定位密封和隔離的關(guān)鍵尺寸，分別設(shè)計(jì)定位套筒和隔離套筒，配合上接頭使用，實(shí)現(xiàn)定位和隔離的功能。

定位套筒最大外徑與原定位臺(tái)階尺寸相同，內(nèi)部為5-1/2 in-8UN內(nèi)螺紋。為保證套筒右端面與上接頭上的定位臺(tái)階頂緊，將定位套筒內(nèi)螺紋右端加工一段鏜孔，鏜孔內(nèi)徑需大于內(nèi)螺紋

大徑，且設(shè)計(jì)套筒內(nèi)螺紋時(shí)需比本體外螺紋短3～5 mm，以保證螺紋完全嚙合擰緊。此外，套筒2側(cè)均需加工過(guò)渡倒角，保證配合后無(wú)明顯臺(tái)階。見(jiàn)圖4。

圖4 定位套筒及與上接頭裝配

隔離套筒的外徑和改造后上接頭最大外徑保持一致，除右端面不能加工倒角外，其他設(shè)計(jì)與定位套筒完全相同。見(jiàn)圖5。

圖5 隔離套筒及與上接頭裝配

2 金屬材料的選擇

進(jìn)口油管插入密封所采用的材料為4145H(美國(guó)鋼號(hào))[3-4]，國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)材料為40CrMnMo，屬于合金結(jié)構(gòu)鋼，40CrMnMo剛調(diào)質(zhì)處理后，具有較高的綜合力學(xué)性能。鋼的淬透性甚好。鋼具有較高的回火穩(wěn)定性。適宜制造界面較大的重負(fù)荷齒輪、齒輪軸及軸類零件[5]，石油行業(yè)常用來(lái)制做鉆鋌或加重鉆桿。其力學(xué)性能及化學(xué)成分見(jiàn)表1。

經(jīng)過(guò)分析插入密封使用工況，所尋找的替代材料為42CrMo，同屬于合金結(jié)構(gòu)鋼，42CrMo的強(qiáng)度和淬透性很高，無(wú)明顯的回火脆性。調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。力學(xué)性能及化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 40CrMnMo力學(xué)性能及化學(xué)成分表[5]

表2 42CrMo機(jī)械性能及化學(xué)成分表[5]

對(duì)比材料的力學(xué)性能認(rèn)為，在機(jī)械性能方面，42CrMo的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于40CrMnMo，而40CrMnMo僅在斷裂伸長(zhǎng)率方面比42CrMo高，說(shuō)明前者比后者的韌性、延展性好一些；在化學(xué)成分組成方面，2者僅在Mn元素含量上有較大的差距。Mn元素對(duì)材料性能的影響主要有以下幾個(gè)方面。

Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑。鋼中一般都含有一定量的Mn，Mn的加入能消除或減弱由于硫所引起的的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。

Mn和Fe形成固溶體，可提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度；同時(shí)又是碳化物的形成元素，進(jìn)入滲碳體中取代一部分鐵原子。Mn在鋼中由于降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，起到細(xì)化珠光體的作用，也間接地起到提高珠光體鋼強(qiáng)度的作用。Mn對(duì)奧氏體組織的穩(wěn)定能力僅次于鎳，可增加鋼的淬透性。已用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)2%的Mn與其他元素配合制成多種合金剛。

在高碳高M(jìn)n耐磨鋼中，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)10%～14%，經(jīng)過(guò)固溶處理后有良好的韌性，當(dāng)受到?jīng)_擊而變形時(shí)，表面層將因變形而強(qiáng)化，據(jù)有較高的耐磨性。

Mn與S形成熔點(diǎn)較高的MnS，可防止因FeS而導(dǎo)致的熱脆現(xiàn)象。Mn有增加鋼晶粒粗化的傾向和回火脆性敏感性、若冶煉澆鑄和鍛軋后冷卻不當(dāng)，容易使鋼產(chǎn)生白點(diǎn)[4]。

綜上所述，Mn元素除了影響金屬材料的硬度和強(qiáng)度，主要影響材料的韌性，與2種材料進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比所表現(xiàn)的不同之處相符。因此，認(rèn)為42CrMo可以替代40CrMnMo，用于加工制造油管插入密封。

3 螺紋連接強(qiáng)度計(jì)算

定位密封在使用時(shí)，定位臺(tái)階需要承受一定的重量，因此，做成分體之后，定位臺(tái)階所承受的重量會(huì)轉(zhuǎn)移到螺紋連接上，所以需要對(duì)螺紋進(jìn)行連接強(qiáng)度校核。

按照定位密封作業(yè)時(shí)的受力情況，可按照松螺栓連情況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

當(dāng)定位密封承受工作載荷F時(shí)，連接螺紋所受的工作拉力也為F，螺紋的危險(xiǎn)截面為螺紋壓根圓柱的橫截面，則拉伸強(qiáng)度滿足要求的條件為[6]

外螺紋：

(1)

內(nèi)螺紋：

(2)

式中：F為工作拉力，N；d1為外螺紋截面根部直徑，mm；D1為內(nèi)螺紋截面根部直徑，mm；d為外螺紋截面內(nèi)徑，mm；D為內(nèi)螺紋截面外徑，mm；[σ]為螺栓材料的許用拉應(yīng)力，MPa。

已知：F≤定位密封下部連接管柱的重力約為1 470 000 N；

d1=螺紋大徑-2×牙高=136.3 mm；

D1=螺紋公稱大徑=139.7 mm；

d=62 mm/76 mm；

D=186.6 mm(定位臺(tái)階外徑)；

[σ]=1 080 MPa(42CrMo材料抗拉強(qiáng)度)；

根據(jù)式(1)可得

內(nèi)徑為62 mm時(shí)，外螺紋強(qiáng)度σ1=128 MPa；

內(nèi)徑為76 mm時(shí)，外螺紋強(qiáng)度σ2=147 MPa；

內(nèi)螺紋強(qiáng)度σ3=116 MPa

應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，設(shè)計(jì)方案完全滿足作業(yè)上強(qiáng)度需求。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

設(shè)計(jì)屬于實(shí)用性改造設(shè)計(jì)，即在加工設(shè)計(jì)后的新式工具同時(shí)，也可以將原有的工具進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)后的功能。實(shí)用性主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。

1)多用型改造的設(shè)計(jì)打破了原有的定位密封和隔離密封只能單向改造的傳統(tǒng)，大大提高了本體的使用率，而且可以在最短的時(shí)間內(nèi)完成定位密封和隔離密封的相互轉(zhuǎn)變，可以及時(shí)解決海上作業(yè)的應(yīng)急需求。

2)在經(jīng)濟(jì)效益方面據(jù)有顯著的提升，從原材料及人工成本上分析來(lái)看，原上接頭需用物料規(guī)格為Φ200 mm×790 mm，改造后所需物料規(guī)格為Φ160 mm×790 mm，節(jié)省物料36%；考慮到42CrMo 相比40CrMnMo市場(chǎng)價(jià)低27%，因此，物料方面綜合節(jié)省50%。原上接頭單價(jià)加工所需人工時(shí)約8 h/人，改造后約6 h/人，節(jié)省人工成本25%。從作業(yè)需求上分析，將定位密封單向改造為隔離密封所需人工時(shí)1.0 h/人，如果將上接頭進(jìn)行更換則需要0.5 h/人，由于上接頭與中間短節(jié)之間為套管扣連接，更換還需具備擰扣設(shè)備。 而改造后的產(chǎn)品，更換套筒僅需10 min即可完成，并且不需要任何大型設(shè)備，對(duì)空間場(chǎng)地也沒(méi)有任何需求，可以將作業(yè)時(shí)間及需求提升至最短。

[1] 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).統(tǒng)一英制管螺紋(UN和UNR牙型)[S].2003.

[2] 于源.螺紋標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[3] 中國(guó)石油化工集團(tuán)公司設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.石油化工常用國(guó)內(nèi)外金屬材料手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009.

[4] 安繼儒.中外常用金屬材料手冊(cè)[M].西安.陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[5] 干勇，田志凌,董瀚，等.鋼鐵材料手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[6] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.

[6] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

[7] 董星亮，曹式敬，唐海雄，等.海洋鉆井手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社,2011.

[8] 劉良躍，于小龍，左凱，等.海上油氣田防砂工藝技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社,2015.

A Practical Reformation Design for the Tubing Seal Nipple

ANZhong-wang,LIXiao-lin,ZHANGJia-ning

(Machining Service Center, CNOOC EnerTech Equipment Technology Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

Due to the different operation requirements, the location seal and isolation seal can’t be employed universally, so that in the urgent operation on the sea, the location seal must be changed to the isolation seal. A new seal nipple was designed according to operation principle as well as reasonable analysis data, which can be converted arbitrarily between location and isolation seal to fulfill the urgent operation requirements timely.

location; isolation; can’t be employed universally; transformation

U664.84

A

1671-7953(2017)05-0134-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.034

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

安中望(1990—)，男，學(xué)士，助理工程師

研究方向：鉆完井工具設(shè)計(jì)改造