石油工程技术毕业设计（论文）-钻井用旋转分隔器调研.doc

东北石油大学秦皇岛分校毕业论文钻井用旋转分隔器调研 学科专业：石油工程技术学 生：指导教师： 入学日期：2009年9月 论文完成日期：2012年4月 摘要为解决在海洋超深水钻井过程中遇到的一系列问题,石油行业提出了海底钻井液举升钻井(SMD)技术。该技术是用于深水和超深水钻井的新技术,采用该技术需要设计研发新的钻井设备。在调研与分析国外深水海底泥浆举升钻井系统及其设备下，开展海底泥浆举升钻井系统原理研究及其关键设备旋转分隔器的设计分析。本文着重阐述了 SMD 系统关键设备之一的海底分隔器(SRD)的工作原理,对其结构进行了分析论证和其关键部件进行了说明,通过比较三种旋转分隔器类型的优缺点，对 SMD 系统使用的海底旋转分隔器进行选型分析，并分析旋转分隔器的结构及工作过程。进行海底旋转分隔器的设计计算，采用 Pro/E 软件建立海底旋转分隔器的三维模型，并用 ANSYS 软件对海底旋转分隔器的主要部件进行强度校核。旋转分隔器的设计计算及分析为海底旋转分隔器的样机制造提供了理论基础。关键词：深水，海底旋转分隔器，Pro/E ，ANSYSAbstractTo resolve the problem of the ultra-Sham Ocean Drilling encountered in a range of issues, the oil industry by lifting the seabed drilling Drilling (SMD) technology. This technology is used for Sham and super-Sham the drilling of new technologies, use of the technology needs of research and development of new drilling equipment. In the research and analysis of foreign Sham seabed mud drilling system and its lifting equipment, carry out seabed mud lift drilling system and its key principle of rotating equipment to the design of separation.This paper focuses on the SMD system, one of the key equipment for separating Harbour (SRD) of the working principle, the structure of the demonstration and analysis of its key parts of the note, by comparing the three rotating the advantages and disadvantages of the type of separation , SMD system of rotating the use of the seabed with a selection of separation and segregation of rotating the structure and work processes. Harbour rotation separated for the design, the use of Pro / E software for the establishment of the separation Harbour rotating three-dimensional model, and ANSYS software used to separate the submarines main rotating parts strength checking. Rotating separate calculation of the design and analysis for the submarines rotating separated prototype manufacturing provides a theoretical basis.Key words: deepwater , subsea rotating diverter, established a three-dimensionalmodel ，ANSYS27目 录摘要III目录III第1章 前言1.1SMD技术原理及意义41.2研究目标及内容7第2章 旋转分隔器（SRD）结构及设计分析2.1SRD结构及工作原理82.2旋转分隔器的设计原则92.3旋转分隔器的设计方法102.4海底旋转分隔器结构及工作原理102.4.1海底旋转分隔器结构设计102.4.2工作原理11 2.4.3钻杆封隔器的设计及选用112.4.4轴承系统密封132.4.5定位器的液压控制142.5海底旋转分隔器理论设计14第3章 旋转分隔器（SRD）三维建模3.1 Pro/e 简介203.2旋转分隔器（SRD）的三维建模20第4章 旋转分隔器（SRD）有限元分析4.1有限元法234.2 ANSYS软件及分析步骤23第5章 结论与展望5.1结论235.2展望24参考文献 24致谢26第一章 前言1.1 SMD技术原理及意义 旋转分隔器（SRD）是海底钻井液举升钻井系统（SMD）的关键部件之一,所以研究 SRD 必须要了解 SMD 的技术原理。常规的海洋钻井技术在井筒中只有一个液柱梯度，即井底压力由水面(平台)到井底的钻井液压力梯度。孔隙压力、破裂压力和钻井液柱压力梯度以海面为参考面，地层孔隙压力和破裂压力之间的间隙较小，而隔水导管中泥浆柱重量很大，给钻井工艺带来一系列的问题。海底泥浆举升钻井技术的隔水管内充满海水，海底旋转分隔器隔开了海水和返回的钻井液，钻井液和钻屑进入位于海底的海底泵，然后通过回流管线循环至地面，如图1-1 所示。图 1-1 SMD 技术的简化示意图SMD 系统中，水面到海底为密度较小的流体或者海水，而海底到井底为钻井液，这样可以减小隔水管的余量，从水面到井底就存在两个压力梯度。海底以上的隔水管内流体密度与海水密度相近，所有的压力以海底为参考面，破裂压力和孔隙压力之间区域就相对变宽，井下的压力不受海水影响，就像陆地钻井一样，井涌、井喷和井漏事故大大减少，可以较好地解决深水给钻井工艺方面带来的问题。充满海水的隔水管可以对钻柱提供导向或者在紧急情况下备用，以便能够转换到传统的钻井方式。SMD系统由两大类设备组成：常规的钻井设备和SMD系统专用设备。海面设备采用常规钻井设备或者升级改造的常规钻井设备，系统需要设计的关键设备和装置包括钻井液压力平衡装置、钻井液举升装置和钻柱阀，其中钻井液举升装置由旋转分隔器（SRD）、固相处理装置和海底泥浆举升泵组成。SMD 深水钻井系统如图 1-2 所示。由船上的计算机控制的推进器可以把钻井船动态地定位在钻井位置上：海底浮块将钻井船的位置信号发送给钻井船外壳上的水下接听器，水下接听器将信号传送到船上的计算机，计算机对来自水下接听器、风传感器和其它辅助定位传感器设备的数据进行处理，从而驱动推进器来保持钻井船的位置。钻井平台位于钻井船的中间的月池上面。钻井工具通过钻井船延伸出来的开口甲板从钻井船下到海底。套管套连在技术套管上端，并安装有引导机构。用技术套管固井之前用套管套支撑技术套管。井口连接在表层套管的上端，表层套管是通过技术套管下到井里。井口组包括井控设备(图 1-3)，钻井液压力平衡装置和钻井液举升系统。在钻井船和井口组之间的隔水管给钻井工具、套管柱和其它的从钻井船到井口组的设备提供导向。隔水管张紧器使隔水管处于稳定状态。依附在隔水管外部的钻井液回流管线连接钻井液举升系统和月池，月池是钻井液回流管线和钻井船上的钻井液循环系统的接口，钻井液通过回流管线返回到海面。钻井液回流管线与井控设备的流量出口连通，发生井喷时可以作为节流或者压井管线。另外，钻井液回流管线也可以是在隔水管上节流或者压井管线。钻井系统通常带有两条钻井液回流管线，也可以使用一条或者多条回流管线。回流管线的直径和数量取决于钻井液举升系统里的海底泥浆泵的泵送能力。隔水管内充满海水，钻井液举升系统里的旋转分隔器密封钻柱并隔离隔水管和井筒环空。用海水填充隔水管，与填充钻井液相比可以减少隔水管强度要求。隔水管也可以用其它密度小于环空中钻井液的流体填充。其中 SRD 的主要功能是保持空气不进入隔水管,并在井眼流体和隔水管内海水之间提供一个机械的隔离,将隔水管内的海水与井眼隔开,并使返回的钻井液改变方向进入固相处理装置。图 1-2 SMD 深水钻井系统图 1-3 SMD 井控设备我国海洋石油开发正从近海、浅海向深水逐步发展，深水开发中的油气勘探和生产活动日益增多，海洋钻井作业的水深不断增加，与几年前相比，开采水深增加了一倍之多。未来油气田的平均储量规模将随水深(500-1500m)而大幅增加，超过 1000m 水深的油气田的平均储量规模将是浅水区域的两倍以上。据统计，全世界未发现的海上油气储量 54%埋藏在水深超过 1000m 的地层，中国油气前景亦寄希望于深水。我国南海有着丰富的油气资源，近期海洋石油对外招标区块水深均在 300-3000m。最近的勘探活动显示在南中国海水深约 1500m 处发现了油气资源。随着我国陆上油田开发进入后期及浅海油田开发的不断深入，向深水进军，向水深 500m 以上的深水区拓展，对我国的能源战略具有重要的意义。在我国深水石油开发过程中，深水钻井技术将是解决制约我国深水钻井发展问题的一个重要突破口。本文在引进、消化、吸收、创新的原则下，跟踪和学习国外先进的深水钻井技术，借鉴其成功经验，研究适合我国国情并具有自主知识产权的深水钻井技术，形成一整套指导我国深水石油开发的钻井技术体系并应用到我国的海洋石油工业，为深水勘探和开发提供技术支撑，对提高我国深水钻井技术水平具有重要的战略意义。从我国的实际发展水平来看,我国深水钻井基本上还处于准备、调研阶段。尽管随着我国能源战略思想的提出,一些深水钻井船正在建造之中,但由于缺乏深水钻井的经验,对深水钻井的许多相关技术和设备尚缺乏系统的了解与认识,仍需要在充分调研与分析国外深水钻井作业及相应的设备与技术的基础上,开展海底钻井液举升钻井系统以及关键部件的研究。本文所叙述的旋转分隔器(SRD)就是海底钻井液举升钻井系统的关键部件之一。故对其的研究对我国向深海的能源开发和提高我国深水钻井技术具有很大的意义。1.2研究目标及内容对国外开展的 SMD 技术进行技术跟踪，在调研与分析国外深水钻井用旋转分隔器应用背景及其工作原理和结构形式上，开展海底泥浆举升钻井系统中的旋转分隔器分析及其关键部件的设计方法，并用 PRO/E 建立了三维模型和用 ANSYS 软件对海底旋转分隔器的主要部件进行强度校核。 (1) 进行海底泥浆举升钻井的技术原理分析，对该技术在我国深海中使用的可行性进行研究。(2) 对 SMD 系统的主要设备进行工作原理和结构的初步设计分析。(3) 根据 SMD 系统的工作原理以及常规的钻井设备，研究 SRD 系统主要设备，分析部分关键设备的结构，工作原理以及控制方法。(4) 根据压力容器设计计算公式完成海底旋转分隔器的设计研究计算，使用Pro/E 软件完成海底旋转分隔器的三维建模和用 ANSYS 软件对海底旋转分隔器的主要部件进行强度校核。(5) 总结 SRD 的工作原理和设计原则，为 SRD 样机的实现提供理论基础。第二章 旋转分隔器（SRD）结构研究2.1 SRD结构及工作原理SRD 的主要功能是隔离环空里的钻井液和隔水管里的海水。它也可以分离钻井液到内部。在保持隔水管/环空密封的同时仍然允许钻杆旋转及互换。图 2-1示出海底旋转分隔器结构。图 2-1海底旋转分隔器结构 SRD 包括旋转总成外壳和带有法兰的壳体。旋转总成外壳通过挠性连接和其它部件紧密配合,壳体通过法兰与其它部件紧密配合。旋转总成外壳和壳体上有环布的槽。在每个槽里有可以收回定位器,定位器上带有锁块和止爪。液压传动装置用来操作定位器。定位器用液压驱动,但定位器也可以用其他方法驱动。套筒和可收缩心轴加在旋转总成外壳与壳体的孔体里。定位器通过锁块和止爪锁住套筒在壳体的合适位置,旋转总成外壳上的定位器用来固定心轴。心轴上面的密封环密封心轴和旋转总成外壳之间的间隙,下面的密封环密封心轴和套筒之间的间隙。轴承装置连在心轴的上面。轴承装置里有支持心轴在旋转总成外壳里旋转的轴承。封隔器连接在心轴的下面部分。封隔器和钻柱一起旋转并且当钻柱垂直移动时钻柱能够收回。工作时,心轴和套筒被带进壳体,心轴位于安装在钻柱上的下入工具上。当套筒位于止爪上时,操作液压驱动装置来推动定位器,通过锁块和止爪锁住套筒和心轴在合适位置。封隔器密封钻柱并允许钻柱下入到井内。在钻井过程中,旋转钻柱和封隔器之间的摩擦力提供足够的动力使心轴的下面部分旋转。当下面部分被旋转时,封隔器仅承受与钻柱垂直运动相关的摩擦力,有利于延长封隔器磨损寿命。当钻柱被提出井时,操作液压驱动装置释放定位器离开凹槽,以便于在钻柱上的装卸工具连接旋转心轴,并把旋转心轴拉出壳体。2.2 旋转分隔器的设计原则钻井液举升系统中的 SRD 的主要功能是在井筒钻井液和隔水管海水之间提供机械隔离，将隔水管内的海水与井筒隔开，并使钻井液改变方向进入固相处理装置，再进入海底泵。当保持隔水管/环空密封时，SRD 能够使钻杆旋转并且可以互换。因此根据海底旋转分隔器的工作性能和使用要求确定以下一些设计原则：(1) 产品应符合相关的标准和 API Specification 16A 要求的技术规范。(2)由于海底旋转分隔器是双梯度钻井系统的设备，不是常规钻井设备，因此应该尽量采用己有技术和设备元件设计出满足生产需求的海底旋转分隔器，采用国内外先进技术，借鉴现有的研究成果并符合有关标准要求。(3)根据给定的工艺设计条件，遵循现行规范标准，在确保安全的前提下，经济正确地选择材料，并进行结构、强(刚)度、密封设计。结构设计确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配、运输和维修等要求；强(刚)度设计确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，以确保容器安全可靠地运行；密封设计选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。(4)设计贯彻“可靠、安全、实用、经济”的原则。在满足海底旋转分隔器技术指标的前提下，提高海底旋转分隔器的可靠性，采用简单的结构型式，达到经济实用的目的。2.3旋转分隔器的设计方法根据海底旋转分隔器的工作原理，设计分析海底旋转分隔器的内部结构及各零部件组成。在传统设计方法的基础上，充分采用计算机三维建模、有限元分析等现代设计方法，将有限元法和传统的计算方法结合起来，实现计算机辅助设计与有限元分析相结合。采用先进的三维建模软件 Pro/E，进行关键零部件强度分析，对初步设计出的零件进行结构优化，提高设计质量，使设计周期缩短，尽快开发出性能先进的产品。2.4海底旋转分隔器结构及工作原理2.4.1海底旋转分隔器结构设计根据 SRD 的功能原理设计 SRD 主要由壳体，钻杆封隔器，套筒，轴承装置，心轴，轴承盖板板，卡箍，定位器，密封环，下入装置以及旋转总成外壳体等零部件组成(如图 2-4-1 所示)。其中钻杆封隔器，套筒，轴承装置和心轴随钻杆一起旋转，又称为旋转总成。图 2-4-1 海底旋转分隔器示意图旋转总成外壳通过挠性连接和隔水管适配器紧密配合，壳体通过法兰与其它部件紧密配合，而壳体与旋转总成外壳通过卡箍连接。旋转总成外壳有环布的槽。在每个槽里安装有定位器，定位器上带有锁块和止爪，用来锁定套筒和轴承盖板板，从而固定旋转总成的位置。定位器通过液压传动装置来操作。一般用液压驱动定位器，但也可以用其它方法驱动定位器。套筒和可收缩心轴位于旋转总成外壳和壳体的孔体里。壳体上的定位器通过锁块和止爪锁住套筒在壳体的合适位置，旋转总成外壳上的定位器用来固定心轴。心轴上面的密封装置密封心轴和轴承压盖之间的间隙，下面的密封装置密封心轴和套筒之间的间隙。安装心轴上的轴承装置支持心轴在旋转总成外壳里旋转。封隔器连在心轴的下面。封隔器和钻柱一起旋转并且当钻进停止时，钻柱能够收回。2.4.2工作原理钻进时，心轴和套筒被带进壳体，心轴安装在钻柱的下入装置上。当套筒下到止爪上时，液压驱动装置推动定位器，通过锁块和止爪锁住套筒和心轴。封隔器密封钻柱，下入装置下入到 SRD 中，同时钻柱切断下入装置上的销钉，然后下到井内。在钻井过程中，旋转钻柱和封隔器之间的摩擦力使心轴旋转。当心轴旋转时，封隔器仅仅承受与钻柱垂直运动相关的摩擦力，这样可以延长封隔器的寿命。当钻进停止钻柱被提出时，液压驱动装置释放定位器离开凹槽，钻柱上的装卸工具连接旋转心轴并把旋转心轴拉出壳体。2.4.3钻杆封隔器的设计及选用钻杆封隔器是 SRD 的密封元件，其作用是密封钻杆及方钻杆，防止井内涌出的高压油气流泄漏。钻柱从心轴通过，钻柱与胶芯之间的主要运动形式为相对滑动。工作时，钻杆封隔器大部分时间密封的是钻杆和方钻杆，当钻杆接头通过时，钻杆封隔器也应具有可靠的密封。在钻进过程中，SRD 能否有效封住钻柱与海底下井壁间环形空间，关键取决于密封胶芯的性能。作用于 SRD 的钻杆封隔器上的泥浆介质是由油、气、水、钻屑及高分子化合物组成的混合物，含有磨砺性细小颗粒，有时含有硫化氢、二氧化碳、天然气等井下伴生气，其 PH 值通常大于 10(一般为 10-13)。钻杆封隔器所承受的密封压力较高，从 0 到 129.5MPa 不等，一般控制在 0-129MPa，工作条件十分恶劣。一旦钻杆封隔器密封失效，产生泄漏，钻井过程将不得不停止。这就要求钻杆封隔器必须具有耐压值高、抗酸碱能力强、使用寿命长等特点。钻杆封隔器的外形、材料性能以及加工工艺等对海底旋转分隔器的使用性能十分重要。钻杆封隔器的外形与密封有直接的关系。因为钻杆封隔器依靠本身弹性变形的恢复和井下液体压力作用抱紧钻柱来密封环空，如果钻杆封隔器的外形不合适，则其本身弹性变形不能保证钻杆的密封。钻杆封隔器的材料、性能以及加工工艺则直接影响其使用寿命。钻杆封隔器金属支承筋加强、硫化成形，常规环形防喷器中的胶芯技术可以部分借鉴。由于国内的技术达不到使用要求，所以需要依靠国外先进技术，优选具有抗撕裂、抗氧化、抗腐蚀性能以及耐低温、高温性能的钻杆封隔器。钻杆封隔器结构设计中应注意的问题：(1)钻杆封隔器的内径比钻具外径小，以使得二者之间有一个过盈量而具有初始密封作用，但钻具过大，会使钻杆封隔器变形过大，磨损加剧，因而一种规格尺寸的钻杆封隔器只能密封相应尺寸的钻具。(2)钻杆封隔器的外廓呈柱锥状，在井筒环空上返泥浆压力的作用下产生自紧作用；泥浆压力越大，钻杆封隔器对钻杆的密封程度越强，同时在钻具运动时，磨损和破坏也越大。(3)泥浆压力作用在钻杆封隔器的外廓上，会使钻杆封隔器内侧以及外侧产生撕裂的可能。(4)要加强圆环形金属骨架与钻杆封隔器的连接，在设计时注意对金属骨架表面的处理和粘合剂的使用，并作严格的检验保证连接强度。(5)保证与钻杆封隔器相接触的内表面光滑平整，以减小磨损。根据上面需要注意的问题以及国内外相关产品的的设计制造，确定 SRD 的钻杆封隔器的结构如图 2-4-3 所示，其内镶嵌有圆环形金属骨架，采用 4 个对称布置的螺栓与旋转总成相连接。钻杆封隔器的密封面采用了圆面和四方面两段，不仅能密封四方方钻杆，而且能密封六方方钻杆，且具有压力越高密封越可靠的特点。图 2-4-3 海底旋转分隔器钻杆封隔器2.4.4轴承系统密封SRD 的轴承采用一对角接触球轴承，用来承受轴向力。轴承系统密封属于旋转轴的动、静密封。旋转轴不转动时，SRD 的轴承系统密封属于静密封，此时，在井下压力作用下，密封必须保证在高压下的可靠性，以防止井内泥浆、起泡剂等通过旋转轴进入轴承中，污染轴承中的润滑剂，从而导致轴承的早期失效；在钻井过程中，SRD 的轴承系统密封则属于动密封，此时，密封的作用主要是保证旋转轴在旋转过程中，井下岩屑或其它杂质在变压力作用下，不致通过旋转轴进入轴承系统中，防止轴承元件因磨料磨损而发生早期失效，影响钻井工作的正常进行。对高压旋转动密封，采用填料密封是常用的解决方法。通过压紧填料使之与旋转轴贴紧，形成密封。因填料与旋转轴表面同一部分连续接触，会产生相当大的摩擦和磨损，且散热较困难。此外，旋转轴的偏斜、偏心等因素对密封效果影响较明显。因此，在高压密封中必须采取部分特殊的结构，如外部冷却、使用密封环、自紧弹簧等。机械端面密封属于轴向密封，其中平衡型密封的端面比压完全不受密封介质压力升高的影响，因而用于高压密封，密封效果较好。但机械密封结构复杂，占用空间大，价格昂贵，且对密封副要求高，尤其是在密封含有磨砺性固体颗粒的介质(如钻井泥浆) 时，如果无冲洗液或防护密封以防止固体物质进入其密封面，将会产生严重磨损。另外，对振动较敏感，由冲击引起的强烈振动可以使密封摩擦面很快磨损。此外，还有非接触密封，如间隙密封、迷宫密封、粘液密封和磁流体密封等，通过在被密封的流体产生压力降来形成密封，允许产生一定的泄漏，不存在密封件与运动件之间的摩擦，无磨损，密封效果好，但密封的形成条件相对严格。Y 型、V 型密封圈也可用于旋转轴密封。Y 型密封圈与隔环交替布置，密封圈可借助泥浆压力自行封紧，唇部在泥浆压力的作用下始终抱紧旋转冲管外壁，即使在密封圈不断磨损的情况下，仍能依靠泥浆压力张开唇部而形成很好的密封。相比较而言，旋转轴唇形密封、O 形密封具有结构简单、占用空间少、密封性能可靠、摩擦损失小等优点，在许多设备中被广泛采用。但过去一般认为，它只适于做低压密封，机械密封、填料密封才能用于高压密封，其实这种看法不够全面。研究表明，基于多重回旋、波纹或密封表面起伏等概念而设计的旋转密封有助于提高密封效果，如倾斜安装的 O 形圈可作为高压旋转密封件。此类密封圈设计基于可预期的流体动力润滑机理。轴旋转时，它能产生高的流体动力速度分量，在密封界面形成一定厚度的润滑油膜，从而降低磨损， 提高密封元件寿命。但这种设计不适合于含有磨砺性介质的密封环境，由于轴与密封面之间存在相对转动和波形接触，磨砺性介质颗粒会大量进入密封界面，造成密封失效。2.4.5定位器的液压控制SRD 定位器液压控制如图2-4-5所示。 图2-4-5 SRD 定位器液压控制示意图2.5海底旋转分隔器理论技术海底旋转分隔器的结构形式确定之后，应用理论公式对其零部件进行设计计算。下面是对海底旋转分隔器几个重要部件的设计研究。（1）主要参数：海底旋转分隔器的主要参数如下 心轴通径：略大于或者等于钻柱直径，可参考钻柱尺寸制成系列。壳体主通径(即壳体和旋转总成外壳体内径，外径与隔水管适配器外径相同)：50.8 cm。侧通径(出口法兰外径)：35.56cm。设计工作压力：壳体承受压力主要为钻井液压力，动态 129MPa；静态 35MPa。转速：开钻 54-30 转/分，正常钻井 290-54 转/分。工作介质：空气、泡沫和各种钻井液。（2）壳体的设计计算 壳体是海底旋转分隔器的关键部件，在工作时内部承受高压泥浆，上部要与旋转总成外壳体相连，内部包绕套筒、心轴、钻杆封隔器等，侧面需开通孔以保证钻井液畅通循环。考虑生产操作和检修的需要，初步确定壳体的结构形式为：与非旋转分隔器组连接的底座为法兰形式，与旋转总成外壳相连的部分设计成长螺栓加固连接。壳体壁厚设计计算：壳体在工作过程中主要承受井内的高压泥浆，在设计时将其视为承受静压的异形压力容器，在设计壳体时其设计原则与压力容器基本一致。对于承受高压的壳体，其壁厚一般按下面的中径公式计算： D (3-1)S B = N ( K 0 1) + C 2式中SB-壳体的壁厚，mm 3PK0 -壳体的外径与内径之比， K 0 =DN-壳体的内径，mm;P -额定工作压力，MPa; 材料的许用应力,MPaC -考虑铸造偏差、工艺性和介质腐蚀等因素而附加的余量,mm。壳体底座法兰的设计计算：壳体的法兰是用来连接壳体的底座和非旋转分隔器组的，首先要保证连接可靠，能承受足够的压力，其次要求密封性好，以保证海底旋转分隔器在整个操作过程中不泄漏。在上面两个前提下，应考虑法兰结构简单和拆装方便等。法兰的设计步骤是：首先根据设计压力、操作温度以及介质性质选择法兰的类型。法兰类型确定之后，还要根据操作条件和对密封性能的要求，选择合适的密封面。其次是选择垫片。垫片载荷与垫片材料、型式及尺寸都有关系，要正确地选择垫片，必须对垫片的性能有一个比较全面的了解。第三是法兰螺栓数目，螺栓尺寸以及螺栓在法兰环上如何布置的设计。第四是法兰尺寸设计。因为，在法兰尺寸确定之前是无法进行应力分析与强度校核的。因此，必须根据经验初步设计出法兰各部分的尺寸。最后，根据法兰的基本尺寸对法兰进行受力分析与应力计算，并对法兰各部分进行强度校核，校核其是否满足相应的强度条件。若不满足强度条件，则必须对法兰的某些初始尺寸进行修正，然后重复进行计算，直至强度条件得到满足为止。 法兰类型和密封面的选择。壳体采用铸造加工出来，并且根据壳体的工作压力、操作温度以及介质性质确定底座法兰的结构形式为整体法兰，加工时与壳体一起铸出。同时为了保证法兰连接的紧密性，法兰的密封面选择凹凸面型密封面，这种密封面由一个凸面和一个凹面组成，垫片放在凹面内，垫片压紧时，因受凹面外侧的限制而不被挤出，密封性能比较好。垫片的选择。垫片是法兰连接的一个重要元件，它的性质和几何形状对密封性能影响很大。垫片材料是根据容器操作条件(介质种类，腐蚀性能，操作压力和温度等)选择的，它应当具有以下性能：质软而富有弹性；致密性好；不易受介质侵蚀破坏；耐热性、耐久性好；在禁固应力与介质压力作用下，无过度变形与损坏。压力容器法兰连接中常用的垫片材料有：橡胶、石棉橡胶板、石棉、塑料、有色金属、钢等。金属垫片的截面形状有圆形、椭圆形、矩形、八角形、缠绕式等，属于线接触密封，除齿形垫片外都具有一定的径向自紧作用。金属垫片的机械强度高，且耐高温，通常用于高温高压操作的场合。金属缠绕式垫片，是 08，15及1Cr9Ni9Ti 等钢带中间夹石棉或石棉橡胶层周向缠绕制成的。它的特点是金属绕层边缘有多道密封槽，增加密封阻力，石棉或石棉橡胶板层在压紧后能改善密封性能。其次，垫片对法兰压紧面表面缺陷的敏感性不大，垫片的弹性受温度变化的影响也不明显，能够部分地吸收机械振动。缠绕式垫片的强度和寿命较非金属垫片高，密封性能好，压紧力比金属垫片小，螺栓载荷相对来说较小。因此，根据海底旋转分隔器的工作要求选用金属缠绕式垫片作为法兰密封元件。法兰螺栓数目和螺栓尺寸的确定。关于法兰连接的螺栓载荷，我国钢制压力容器采用 ASME 规范的计算方法。该方法用 y 表示垫片的预紧密封比压，将垫片的工作密封比压与介质工作压力 p 之比定义为垫片系数，用 m 表示，并根据这两个密封设计参数计算所需要的螺栓载荷。预紧状态下需要的最小螺栓载荷 W1 等于预紧所需的最小垫片压紧力，按下式计算 W1 = 3.14DGby式中，DG 为垫片压紧力作用中心圆直径，mm；b 为垫片有效密封宽度，mm，根据法兰密封面型式及所选垫片确定；y 为预紧密封比压，MPa。操作状态下需要的最小螺栓载荷 W2 等于介质压力产生的轴向力与操作时需要的最小垫片压紧力之和，即 W2 = DG 2 P + 6.28 Dg bmp 4式中，m 为垫片系数；p 为工作压力，MPa。预紧时需要的最小螺栓截面积为W1A0 = b操作时需要的最小螺栓截面积为W1A1 = b式中， b 为常温下螺栓材料的许用应力，MPa； b 为设计温度下螺栓材料的许用应力，MPa。取 A1 和 A2 两者间的较大值为需要的螺栓面积 A0。然后，选定螺栓个数 n，即可根据 A0 确定螺栓直径。法兰强度计算。(1)法兰力矩的计算。作用于法兰的外力矩是作用于法兰的各轴向力对螺栓中心线取距后的总和。预紧时，外力矩只是垫片反力与其力臂的乘积，此时垫片反力即等于螺栓力 W，则W ( Db DG )M1 = 2考虑到实际螺栓的总截面积 Ab 大于需要的螺栓总截面积 A0，在预紧螺栓时有可能造成超载，故取螺栓力为Ab + A0W= b 2操作时，外力矩是由操作时的垫片反力以及介质静压力 p 所产生的轴向力形成的，即M 2 = Pl1 + P2l2 + P3l31式中，P1 为内压作用于内径截面上的轴向力，N；P2 为内压作用于法兰端面上的轴向力，N；G 为操作时垫片反力，N；l1、l2、l3 为力臂，mm。计算法兰应力时，取以下两者中的较大值为计算外力矩M = M2 f tM= M1 f f式中， f 、 f 分别为常温及设计温度下法兰材料的许用应力，MPa。(2)法兰应力的计算。作用在法兰上的轴向、径向、环向应力如图 2-5 所示。 b图 2-5 法兰上的应力作用图fMm = s12 D14 hl + 1 M 3r = 2Lh YM = Zh2式中， m 为法兰轴向应力，MPa； r 法兰径向应力，MPa； 为法兰环向应力，MPa；M 为法兰计算力矩，N.mm；f 为整体法兰颈部应力校正系数，即法兰颈部小端应力与大端应力的比值，决定于s1l与 Y 之比； s1 为法兰颈部大端有效厚 sl0度，mm；s 为法兰颈部小端有效厚度，mm；h 为法兰颈部高度 ， mm ； l0 为1 Vt3公称长度 ， l0 = D0 s ； 为 系 数 ， = 1 + F t ； 为系数，L+D1S0 U S0 2 D1S0hl + 1 h3FslL=+ ；l 为系数， l = ；F、V 为整体法兰系数，决定于 1 与 Y ；H Tdsl0l0为法兰厚度，mm；D 为系数， D = U2 l0 s ；T、U、Y、Z 为无因次系数。T、U、Y、Z 系数的数值按下列公式计算: V 1+ v k 2 1 + 4.605lg k 1 1 vT =3 1+ v 2 (k 1) 1 +k 1 v 1+ v k 2 1 + 4.605lg k 1 1 vU =3 2 (1 + v )( k 1) ( k 1) 3k 2 lg k Y= (1 v ) + 4.605 (1 + v ) k 2 1 ( k 1) k 2 +1Z= 2 k 1(3)法兰的强度条件。按照常规设计方法，法兰各部分应力均应小于许用应力。但从密封角度出发，如果出现屈服，则希望屈服发生在颈部而不是法兰环处。这样，颈部发生局部少量屈服不会对法兰环密封部位的变形产生较大影响而导致泄漏。颈部与法兰环中主要是弯曲应力，故通常取材料许用应力的 1.5 倍作为颈部的最大许用应力，而 r 、 仍控制为不大于许用应力。此外，颈部是与法兰环连成一体一起工作的，如果颈部发生屈服，则部分力矩因应力重新分配会转移到法兰环中，从而导致法兰环材料部分屈服，需要对锥颈和法兰环的应力平均值也必须加以限制。由此得强度条件为 m 1.5 f t f f f m +t2 f + m2 为了保证法兰的强度满足工作要求，则上述条件都须满足，否则应调整法兰厚度等尺寸或更换垫片。(3) 心轴的设计计算作为海底旋转分隔器的关键部件，在工作过程中，心轴随着钻柱、封隔器和橡胶密封胶芯一起旋转，并且承受较高的内压。心轴的壁厚尺寸非常重要，必须对其进行强度校核。对于中空旋转轴，其计算公式为M 2 + (T )d = 21.68 13 1 P1式中d 为轴的直径，mm；M 为轴在计算截面上所受弯矩，N.mm；T 为轴在计算截面上所受扭矩，N.mm； 为根据扭应力变化性质而定的校正系数，扭应力对称 1 0.7 ；扭应力不变时循环变化时， =1；扭应力脉动循环变化时， = 0 1 0.65 ； 为轴的许用弯曲应力，MPa； 为心轴内径与外径之比。1P +1 =心轴所受压力很高，需简化为承受内压的圆柱形筒体，其最小壁厚可按第三强度理论计算 2 ( D0 / Di ) r = ( D0 / Di ) 1式中， D0 为心轴外径，mm； Di 为心轴内径，mm；p 为设计压力，MPa； 为纵向焊缝系数。(4) 旋转总成外壳体的设计计算旋转总成外壳体在工作过程中保持静止。设计时主要考虑承受内压、轴承定位拆装等问题，并且在保证总体抗压强度的前提下确保旋转总成外壳体与卡箍接触面不出现因抗挤压强度不足而导致压溃的问题。(5) 卡箍连接的设计计算旋转总成外壳体与壳体的连接采用卡箍连接。国外在压力管道及小直径容器方面应用卡箍连接很多。它与传统的法兰连接相比较， 具有两大优点：结构紧凑，易于清洗。卡箍连接由两个高颈环和两个半圆卡箍组成， 由四个螺栓连接固定，安装完后外表面整齐，没有局部沟槽，清洗方便， 很适合对洁净度有要求的的场合。拆卸方便，卡箍连接只要四个螺栓连接。(6) 轴承的设计计算当 SRD 正常工作时，推力轴承所承受的轴向力可用以下公式近似计算 pdFa = 4 (D Dg 2 ) 式中，Fa 为推力轴承所承受的轴向力，MPa；Pd 为 SRD 动密封压力，MPa；Do 为旋转总成套筒体与支承座座封处下部外径，mm；Dg 为钻杆外径，mm。轴承寿命校核公式 106 C Lh = 60n P 式中， Lh 为轴承寿命，小时；n 为轴承转速，转/分；C 为轴承额定动载荷，N；P 为轴承当量动载荷，N；为寿命指数，球轴承=3，滚子轴承=3/10。第3章 旋转分隔器（SRD）三维建模3.1 Pro/e 简介Pro/e 是美国 PTC 公司于 5615 年推出的参数化建模软件，历经十几年的发展和完善，已经有了 54 多个升级版本，并且功能也延伸到 CAM 及 CAE 领域，成为多功能的 3D 软件，广泛应用于机械、电子、航空航天、产品设计、模具设计等各个行业。Pro/e 功能强大，融合了零件设计、大型组件装配、模具开发、加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、自动测量、机构仿真设计、有限元分析、数据库管理、电缆布线，以及印刷线路板设计等功能于一体。其中最擅长的是实体造型、加工以及大型组件装配、管理和模具结构设计，这些方面的应用在全国都得到普及并且拥有极大的优势。本文所涉及到的 SRD 三维建模主要是各个部件的实体建模，然后进行装配。3.2旋转分隔器（SRD）的三维建模根据海洋钻井设备中钻具的尺寸大小，采用软件 Pro/E 建立 SRD 的三维实体模型，并进行结构装配和干涉检验。SRD 主要零件壳体、套筒、心轴、旋转总成外壳、轴承和钻杆封隔器的三维实体图及尺寸如图 3-1 至图 3-6 所示。图 3-1 壳体 图 3-2 套筒 图 3-3 心轴 图 3-4 旋转总成外壳图 3-5 轴承 图 3-6 钻杆封隔器为了检验 SRD 各部件在装配时是否出现结构干涉，各部件结构设计是否合理，避免零件生产完成后在组装过程中出现问题，造成不必要的浪费，在设计中采用 Pro/E 软件将各个零件组装起来，并对其进行干涉检查。在装配时，按照零部件之间的位置关系，先局部组装，再整体组合完成主要零部件的装配。在整个装配过程中没有发现零件之间有干涉等异常情况，说明该设计方案基本可行。SRD的装配图如图 3-7 所示。图 3-7 SRD 装配图第4章 旋转分隔器（SRD）有限元分析以上是按照传统方法对海底旋转分隔器的设计计算，虽然在结构设计方面合理，但在实际工作中必须满足强度要求才能满足生产要求。因此，必须对设计的初步结构进行静力学分析，使海底旋转分隔器各零部件的强度满足工作要求。为此，本章采用有限元法和有限元分析软件 ANSYS 对旋转分隔器的主要受力部件进行力学分析计算。4. 1有限元法浅有限元法又称有限单元法，实质上是一种数值计算方法，其首先将实际的结构划分为一系列的离散单元(这些单元之间通过公共节点连接到一起)，然后对这些单元的组合体进行分析。通常的结构有限单元分析过程包括如下的具体步骤：1. 结构离散化；2. 单元特性分析；3. 结构分析；4. 引入边界条件；5. 求解线性方程组；6. 后处理与计算结果的评价。4.2 ANSYS软件及分析步骤ANSYS 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体，以有限元分析为基础的大型通用 CAE 软件。一般地，一个完整的 ANSYS 结构分析过程包括下面一些本操作步骤：1. 前处理；2. 施加载荷、设置求解参数并求解；3.后处理。旋转分隔器的关键零件前面已经采用 PRO/E 软件建模，因此采用 ANSYS 软件前处理时可以直接导入 ANSYS 中进行网格划分，然后施加载荷计算。第5章 结论与展望5.1结论本文对用于深水钻井的 SMD 系统中的关键部件旋转分隔器进行了较为系统的研究，主要研究进展如下：(1) 完成海底泥浆举升钻井的技术原理分析并进行了 SMD 技术在我国深水中的可行性研究，对 SMD 系统的主要设备进行原理和控制方法的设计分析。重点分