基于有限元的车载钻机水龙头的结构分析与计算

刘栋梁　顾继俊

摘 要：石油钻机指的是用来进行油气勘探、开发的一套联合机组。水龙头是石油钻机上联合提升、旋转、循环三大系统设备的关键部件，水龙头的轴承以及其他主要零件，都要满足一定的强度、刚度等设计要求。基于此，笔者介绍水龙头的结构特点和工作原理，以SL225水龙头为例，对其结构进行设计与分析。对轴承布置方案进行讨论研究，同时运用手工计算和有限元分析相结合的方法对水龙头的主要零部件进行强度校核，并且进行可靠性分析，以满足API以及石油行业的标准和规范。

关键词：钻采机械；水龙头；强度校核；有限元分析

中图分类号：TE922 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-045-02

Analysis and Calculation of the Structure of a Vehicle Driller

Based on the Finite Element Method

LIU Dongliang GU JiJun

（China University of Petroleum，Beijing 100000）

Abstract： Oil drilling rig is a set of combined units for oil and gas exploration and development. The faucet is the key part of the three systems of the combined lifting， rotating and circulating system on the oil rig. The bearing and other main parts of the faucet must meet certain design requirements such as strength and rigidity. The structure characteristics and working principle of the faucet were introduced. The structure of SL225 water faucet was designed and analyzed with the example of the faucet. The bearing layout scheme was discussed. Meanwhile， manual calculation and finite element analysis were combined to check the strength of the main parts of the faucet， and the reliability analysis was carried out to meet the requirements of API and the standards and specifications of the petroleum industry.

Keywords： drilling machinery； faucet； strength checking； finite element analysis

鉆井技术快速发展，带动了石油机械行业的发展，也就对钻机技术提出了新的要求和期望。水龙头是石油钻机、修井机的一个非常重要的部件。作为钻机提升系统设备、旋转系统设备、循环系统设备三大系统的一个非常关键的过渡部件，它上部通过提环与大钩相连，下部通过中心管与方钻杆相连。在钻井过程中，中心管是由方钻杆带动的，它本身不能主动旋转。水龙头上的鹅颈管与水龙带相连接，在钻井过程中，中心管与钻具相连形成泥浆循环通道。水龙头在石油钻机、修井机等设备上有重要作用：承受全部套管和钻柱的重量，向井下引输高压钻井液[1]。

本文以SL225水龙头型号为例，介绍SL225水龙头的结构和工作原理，讨论确定轴承的布置方案（扶正轴承和防跳轴承），然后对壳体、鹅颈管等零件使用手工计算和有限元应力分析相结合的方法共同分析。

1 结构设计思路

根据水龙头的工作原理，可以将水龙头的结构分为以下三个系统：①承载系统，包括中心管及其接头、壳体、销轴、提环和主轴承等；②钻井液系统，由鹅颈管、钻井液冲管组成；③辅助系统，包括扶正轴承、防跳轴承、机油密封盒组件及上盖等。

SL225工况及方案设计：本文介绍的SL225水龙头，主要运用在3 000m车载钻机。钻杆的尺寸相对较小，适应井架空间也相对较小，主要修井用兼用钻井。主要技术参数是按API Spec 8C推荐参数及国内外相应产品的参数而确定的，产品的设计计算按照API Spec 8C《钻井和采油提升设备规范》要求进行计算。主载荷构件是指设备中承受主载荷的构件，包括提环、外壳、鹅颈管、中心管、主辅轴承、冲管盘根[2]。

2 布置方案及可靠性设计

2.1 轴承布置方案

2.1.1 两扶正轴承分置于主轴承两边。①扶正轴承间距A大，扶正效果好；中心管摆动小，工作稳定；有利于钻井液密封及机油密封。②防跳轴承布置在上扶正轴承的下方，或只采用一个锥滚轴承，起扶正和防跳作用，这样既可增大扶正间距，又可使结构紧凑。

2.1.2 两扶正轴承同在主轴承下侧。①扶正轴承间距A小，扶正效果差。②在扶正轴承发生磨损时，中心管易发生摆动，工作不稳定。这种摆动将过早地破坏钻井液密封，加速机油密封磨损，使钻井液漏入油池，恶化了轴承润滑条件，缩短其寿命。

通过对比，选择方案2.1.1：两扶正轴承分置于主轴承两边。

2.2 可靠性设计

因为材料的强度、加工尺寸和外载荷等都具有离散性特点，有可能导致达不到预定的工作时间而发生失效。所以，要把这种失效情况出现的概率控制在合理范围内，这就需要对零件进行可靠性设计[3]。以SL225水龙头为例，如果冲管盘根发生泄露现象，就会导致钻井过程中断，甚至发生井下事故，这就要考虑可靠性设计。在现场如果发生此类事故，要快速更换冲管盘根[4]。

3 结构有限元分析及计算

3.1 强度计算的依据

3.1.1 安全系数的确定

API Spec 8C规定，安全系数为：

[SFD=3.00-0.75（Pmax-1 350）3 150]

对于SL225来说：

[SFD=3.00-0.75（Pmax-1 350）3 150=3.00-0.75（2 250-1 350）3 150 =2.786]

3.1.2 剪切强度的确定

API Spec 8C规定，剪切强度与抗拉强度的比值为0.58，即[τs=0.58σs]。

3.2 主要零件的有限元计算与分析

3.2.1 鹅颈管

材料：ZG35CrMo

[σb≥720Mpa，τs=0.58σs=313.2MPa]

利用有限元分析软件，将鹅颈管与支架连接处的法兰施加固定约束边界，然后在鹅颈管内壁施加35MPa压力载荷，计算此时鹅颈管的应力，如图1所示。

计算所得鵝颈管的最大应力值为185.8MPa。

最大应力发生在接触区位置。

[ASmax=YSminSFD]

计算在设计载荷下允许的最大应力：

[ASmax=YSminSFD=5402.79=193.55MPa>185.8MPa]

因此，鹅颈管设计符合API Spec 8C安全系数的要求。

3.2.2 壳体

材料：ZG28CrNiMoA，图纸要求的机械性能参数。

[σb≥690MPa，σs≥520MPa，τs=0.58σs=301.6MPa]

利用有限元分析软件，将两销孔处施加固定边界条件，轴承安装面上施加轴向额定载荷，得到额定载荷下水龙头壳体受力如下：

最大应力为：173.6MPa，

[SFD=σs/σ=520/173.6=2.995>2.79]。

因此，壳体设计符合API Spec 8C安全系数的要求[5]。

4 结语

本文以SL225型号水龙头为例，完成了车载钻机水龙头相关的结构设计，介绍了SL225水龙头的结构和工作原理，选择了轴承的布置方案，并结合水龙头的实际应用考虑了其可靠性，然后对壳体、鹅颈管等零件使用手工计算和有限元应力分析相结合的方法共同计算和分析，为车载钻机水龙头的实际生产制造及研发提供了理论支撑。

参考文献：

[1]郑惠玲，李湛，张金全，等.一种水龙头旋转加载试验装置的设计[J].河南科技，2012（2）：74-75.

[2]方继志.石油钻采机械概论[M].北京：中国石油大学出版社，2011.

[3]邱宜怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社，1997.

[4]杜凤玲，张茂，魏秦文，等.水龙头高压盘根密封失效分析与结构改进[J].石油矿场机械，2007（7）：53-56.

[5]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.