毕业设计（论文）-偏心井口结构设计.doc

前言前言随着中国的经济发展越来越快，能源问题越来越重要。目前最主要的能源是石油与天然气，它的不可再生性导致我们要高效且持续性的开采利用能源，因而我们有必要采用更先进的设备来进行开采，从而提高石油、天然气的产量和利用率。近几年来，国际石油开发投资每年超过2000亿美元，最高时达到4000多亿美元。我国对石油石化的投资也是逐年提高，如20052008年的年投资额分别为4,048亿元、5,195亿元、6,300亿元和8,964亿元，年增长率分别为21%、28%、22%和27%。四年平均投资达到6,127亿元，其中石油勘探开发投资占1/3，炼油化工投资占2/3，这对我行业的发展提高了强大的支撑。偏心井口是抽油井（指有杆泵采油井）进行环空测试的专用井口。其主要功能是利用该井口将井筒内的油管柱移靠在套管内壁一侧，使油管柱两侧的间隙集中于一侧，扩大下井仪器起下的通道，减少起下井仪器的困难，利用该井的“可转动”特性，排除电缆（或钢丝）和下井仪器在环空起下过程中随时都可发生的遇阻、遇卡和缠绕油管柱的故障，确保环空起下工艺及环空测试的成功。所以，偏心井口是开展环空测试工作的前提，是环空测试技术成败的关键。1958年，环空测试技术由前苏联巴什基利亚石油科学研究院率先提出，并进行了研究和试验，但进展缓慢，直到70年代才开始应用于现场。其主要原因是应用了固定式偏心井口，无法排除起下下井仪器过程中的“阻、卡、缠”故障，使电缆（或钢丝）套在油管柱上及将下井仪器掉入井底的事故率高达25%30%。在1976年，江汉油田研制成功可转动偏心井口（单转动偏心井口），使环空起下下井仪器过程中的“阻、卡、缠”故障得以利排除。经过的现场应用表明，可转动偏心井口设计思想正确、结构合理、功能齐全、环空起下下井仪器的事故率低于2%。目前，已在我国各油田得到推广应用，年测井万余井次，已成为我国油田动态监测的重要组成部分。希望本文的某些观点能对偏心井口的研究产生积极意义1-2。第 1 页 （共 49 页）1选题背景1选题背景1.1国内外井口装置现状和发展趋势采油(气)井口装置是用来开关、控制和引导气流、悬挂油管、密封生产套管和油管之间环形空间以及创造测试及井下作业条件的装置，是控制自喷井井口压力和原油天然气流量的承压设备，是控制油气井生产的重要地面设施。这种设施应具有适应性广，安全可靠，操作性能良好，互换性强， 耐腐蚀，耐磨损和寿命长等方面的技术指标1-2。(一)国内井口装置发展现状 井口装置已是我国的成熟产品。具有结构紧凑、重量轻、性能好的特点,目前国内做的比较好的公司有江苏宏泰石化机械有限公司,其主要生产油田用采油 (气)井口装置、套管头、节流(压井)管汇、钻采配件、高（中）压阀门。该公司生产的井口装置类型有注水井口, 热采井口, 偏心井口,采油(气)井口。1注水井口,该系列井口装置由底法兰、上法兰、油管头、闸阀、小四通、卡箍、截止阀等零部件及仪表组成，也可根据用户要求配备油嘴套或流量计等部件，是陆上油田注水工程必备装置，具有正反注水，正反洗井、注水测试等功能。 主要特点： (1)主要承压件和法兰皆采用锻钢件, 并经无损探伤，确保安全 ; (2)结构简单、质量轻、工作可靠; (3)安装、拆卸方便。 2热采井口KR热采井口装置由蒸气采油树和油管头组成，油管四通下部与底法兰相接，上部与采油树连接。其采用当今世界上最常用的平行闸板结构，阀体、阀盖、阀板、阀杆等均选用抗高温蠕变性能良好的材料制造，因此整个阀门能承受380的高温，在高温，高压下，阀门开启、关闭灵活不产生变形，非金属密封件采用耐高温材料制造在380温度中使用密封性能良好2-3。3偏心井口环流式偏心井口是抽油机井环空测试的专用井口装置，主要是由四通、法兰、油壬、测试闸阀、轴承油管挂、密封圈、短节、导锥等部件组成。测试孔和油管围绕中心转动，可以改变测试孔方位，解除仪器起降过程中遇阻、卡及缠油管等故障。 4采油(气)井口该系列井口装置由底法兰、上法兰、油管头、闸阀、针阀、小四通、截止阀等零部件及仪表组成，主要用于控制生产井口压力和调节油（气）井口流量；也可以用于酸化压力、注水、测试等特殊作业。主要特点：(1)全部承压件和法兰皆采用优质合金钢锻件，并经无损探伤，确保安全；(2)闸板、阀座和针阀的阀针，皆采用堆（喷）焊硬质合金； (3)主要零件经特殊热处理，具有良好的抗硫性能；(4)密封元件采用聚四氟乙烯、氟橡胶等抗硫材料(5)结构简单、质量轻、工作可靠。(二)国外井口装置发展现状 当前，国外许多公司都在不断开发并完善整体采油树及电潜泵井口装置,生产有双通径的整体式采油树、单油管电潜泵井口装置及双油管井口装置,还能根据油(气)田的井内滞留流体和工况来生产陆上及海洋平台用的井口设备及水下井口装置。目前主要生产国家有英国、美国、意大利等十几个国家,美国的产品技术和生产能力都处于世界领先地位。著名的制造厂商有Cameron、F.M.C、Vetco、Gray等公司2-3。1.2偏心井口的用途及分类1.2.1用途正常情况下，偏心井口可与同样井口作抽油井采油使用。装上偏心井口便可通过偏心孔下测试仪进行作业。偏心井口是开展环空测试工作的前提，是环空测试技术成败的关键2-3。1.2.2分类a. 固定式偏心井口固定式偏心井口是环空测试技术中应用最早的测试井口。1976 年以前, 世界各国都应用这种井口 开展环空起下下井仪器的工艺试验。 口螺栓将它安装在抽油井套管头上之后,井口上的测试孔及井筒内油管柱的位置则被固定, 在油井，生产和环空测试1-接横向出油管；2- 井口法兰钢圈；3-套管； 4-油管柱；5-井口下法兰；6-测试孔；7-井口上法兰；8-偏心油管柱；9-出油立管及三通图1 固定式偏心井口结构示意过程中不可变动, 所以称“固定式偏 心井口”,在一个与套管头法兰有相同螺栓孔眼尺寸的法兰盘上焊一个距法兰中心有偏心距)距离的管接箍, 再用井口螺栓将它安装 在套管头上,这样就构成了固定式偏心井口。由上可知固定式偏心井口的优点是结构简单、加工使用方便、成本低；用偏心距为L的油管接箍将井筒内的油管柱移靠在套管内壁的一侧，使油套管环形空间的断面由圆环形改变为(月牙形) ，扩大了下井仪器起下的通道，减少了起下和研制小直径下井仪器的困难”。最大的技术缺陷是当下井仪器及电缆或钢丝, 在“月牙形”空间遇阻、遇卡以及发生缠绕时无法排除。为此，前苏联在安装固定式偏心井口之前都要应用与下井仪器有相同直径、长度和质量的假仪器，在井上进行多次重复的起下下井仪器的工艺试验，选择一条顺利起下下井仪器的方位，工作量很大。即使如此，也很难保证不再发生故障。一旦发生“阻、卡、缠”， 仍无排除的好方法，致使事故率仍居高不下5-8。b . 单转动偏心井口1976年研制成功的可转动（单转动）偏心井口是在固定式偏心井口的结构上增加了专有的“可转动”结构。即应用了偏心距为L的圆柱形油管挂，使井筒内的油管柱紧靠在套管内壁。同时，又在圆柱形偏心油管挂的下部安装了一副与套管同心的单向推力球轴承，使偏心油管挂可以围绕套管中心轴线转动。由此可见，该井口具有固定式偏心井口的“偏心“功能，同时又具有“可转动”排除环空起下工艺中所发生的“阻、卡、缠”故障的功能。转动偏心油管挂井筒中的油管柱及油、套管环形空间的( 月牙形) 断面,将以L为半径围绕套管中心轴线与油管同步转动,发生(阻卡)故障的下井仪器则相对静止不动,使故障因此而得以排除.另外,在转动油管柱时,还可以将相对静止不动的下井仪器从“月牙形”断面的狭窄部位硬挤过去,从而使电缆或钢丝,缠绕油管的故障排除。因此,单转动偏心井口解决了环空起下工艺中排除故障的重大技术难题,是整套环空测试技术的重大突破。1-接横向出油管；2.5-密封胶圈；3-井口上法兰；4-单向推力球轴承；6-法兰钢圈；7-油管；8-套管；9-井口下法兰；10-法兰钢圈盖；11 -偏心油管挂；12- 测试孔；13-出油立管；14-活动接头；15-出油三通图2 单转动偏心井口结构示意c . 改进型单转动偏心井口a) 由于偏心距L的存在,虽然在出油立管上安装上了”活动接头”可以在不拆除地面管线的条件下转动偏心油管挂,但地面管线却要求在转动油管挂的过程中发生最大值为2L的位移。这不仅使转动油管十分费力，而且还时常出现将地面管线拉松渗漏的事故。b）由于有位于偏心油管挂上部的存在，在安装测试防喷装置进行带压管挂的转动小于在放压测试时，油管柱的转动小于360。在放压测试时，虽然可以转动油管柱多圈，但很不方便。 c）在油井作业时，地面出油管线必须拆除，作业完毕后还须再联接，不便作业施工。1986年大庆油田研制成功大庆A型偏心井口环流式单转动偏心井口，消除了改进型单转动偏心井口的缺陷。油井地面管线移置偏心井口油管挂的外壳保护套上1-接横向出油管；2.6密封胶圈；3井口上法兰；4单向推力球轴承5法兰钢圈盖；7油管；8套管；9井口下法兰；10法兰钢圈；11防护套；12偏心油管挂；13-测试孔；14出油立管；15活动接头图3 改进型单转动偏心井口结构示意井筒内流体从柱状偏心油管挂的中部横孔流出，经油管挂的环形槽而进入地面管线。这样转动油管地面管线不再被拉动油井作业时也不必再拆除。再则，由于地面管线移到地表面，井口高度可因此而降低，偏心油管挂可无障碍地转动任意角度。因此不仅有利于油田的冬防保温和加大冲程强化采油，而且有利于环空测试。c . 双转动偏心井口- 1-密封胶圈；2油管；3套管；4井口下法兰；5法兰钢圈；6-单向推力球轴承；7-外壳防护套；8-下件（偏心油管挂）；9-单向推力球轴承；10上件；11井口上法兰；12测试孔；13-出油立管。图4 双转动偏心井口结构示意单转动偏心井口（包括改进型和环流式）的油管挂，只能围绕套管中心轴线转动，在用转动方法排除电缆或钢丝缠绕油管柱时，只能采用“硬挤法”转动油管挂及井筒中的油管柱，将井筒内相对静止的下井仪器从“月牙形”断面的狭窄部位硬挤过去，进而排除电缆或钢丝的缠绕或者应用砍电缆小钩法。砍断电缆或钢丝，用小钩将它从观察孔中拉出，再转动偏心油管挂和油管柱，排除缠绕后再用小钩将电缆或钢丝拉出测试孔，取出下井仪器或者应用作业机吊起井口及井筒内的油管柱，取出下井仪器。应用砍电缆小钩法和抬吊井口法时，油井必须停产，有时还须压井，不仅操作麻烦，而且经济损失严重。即使应用硬挤法，还存在损伤下井仪器。电缆和挤断钢丝之危险。为此，在大庆油田研制环流式偏心井口的同时，江汉油田也研制成功最有利于排除电缆或钢丝缠绕油管故障的双转动偏心井口。双转动偏心井口是改进型单转动偏心井口的发展，其结构特点是将单转动偏心井口的油管挂分解为上下2件。上件为偏心油管挂，它与套管中心轴线有一偏心距L但它的下面却安装一副与油管挂同心的单向推力球轴承，使偏心油管挂及其悬挂的油管柱可以围绕油管柱的中心轴线转动自转。显然，自转可以很方便地排除电缆或钢丝的缠绕。下件托着偏心油管挂及其与它同心的单向推力球轴承，下件的下部也装有一副与套管同心的单向推力球轴承，将上件与下件合并一起转动公转，则可以改变“月牙形”断面在井筒内的相对位置，从而排除下井仪器的遇阻和遇卡。因此，双转动偏心井口可以很方便地排除环空测试中的“阻、卡、缠”故障。d . 多功能可转动偏心井口90年代初，大庆和大港油田还分别研制有多功能可转动偏心井口。大庆油田的多功能偏心井口带有不压井的作业机件和锥管式套管头结构，可进行不压井作业和压裂施工。大港油田的多功能偏心井口，设计了具有油管和套管通道的锥座式油管头，可用于自喷采油井、有杆泵抽油井、电潜泵和螺杆泵生产井以及注水井。多功能偏心井口用处多，但结构比较复杂。在应用其中一种功能时，其余功能“待业”。在进行功能转换时，一般均需停产作业。所以，在现场上只得到了有限的应用。适用于现场应用的偏心井口必须具备良好的“偏心”和“可转动”两大基本结构和功能。为确保“可转动”特性不因使用环境的恶劣而受到影响，应在材质和加工上提高机件的防锈蚀性能3-4。综上所述，本文选择改进型单转动偏心井口，它既避免了固定式偏心井口当下井仪器及电缆或钢丝, 在“月牙形”空间遇阻、遇卡以及发生缠绕的问题，还解决了双转动偏心井口和多功能可转动偏心井口的结构复杂的难题。1.3油管头的设计、制造和检验的相关标准1.油管头设计制造执行中华人民共和国天然气行业标准 SY/T5127-2002井口装置和采油树规范和美国石油学会出版的API spec 6A 第十九版井口装置和采油树设备规范。2.在进行油管头检验时,执行中华人民共和国天然气行业标准 SY/T5127-2002井口装置和采油树规范和美国石油学会出版的API spec 6A 第十九版井口装置和采油树设备规范。产品规范等级PSL说明(API 6A规范)：具体包括：浇铸规范、热加工规范、熔炼规范、铸造规范、材料评定试验（拉伸试验、硬度实验）、尺寸要求等。（详见API 6A第五章）性能级别（API 6A）表1 采油井口的已知技术参数名称数值油管直径62mm套管121.7mm耐压5 MPa规范级别PSL2温度级别S-U材料级别FF性能级别PR1其它说明酸性介质，直孔，悬挂单油管性能要求对在运输状态下的产品具有特定性与唯一性。应按第4章和第10章的要求设计所有产品，在压力和温度范围以内，并采用符合表3中材料等级的试验液体。其它要求包括承载能力、循环周期和操作力或力矩。有二级质量要求等级：PR1和PR24-5。表2 温度级别温度分级运行范围最小最大最小最大KLNPRSTUV-60-46-46-29室温-18温6082121121-75-50-50-20室温00035180180140180室温140180250250材料级别：对于材料等级DD、EE、FF和HH，制造商应满足NACE MR 0175/ISO 15156对于材料处理和性能(如硬度)的要求。选择材料等级和针对具体情况的具体材料，是买主的主要职责。材料等级DD、EE、FF和HH应包括以psi为单位的H2S最大允许分压力，做为牌号和标记的部分。最大允许分压力应如NACE MR 0175/IS0 15156所定义的，在设备组件的限制部件的指定API温度等级上。例如，FF-1.5”表示在1. 5 psi的H2S最大允许分压力处评定的FF材料等级。在NACE MR 4175/IS0 15156对分压力未规定H2S限制的场合，应该用NL标记(即“DD-NL ) 5-6。本国际标准的用户应认识到，大量其它因素影响对由腐蚀气体导致断裂的耐受程度，对于这些因素，NACE MR U175/ISO 15156中给出某些限制。这些限制包括，但不限于：PH；温度；氧化物浓度；元素硫。表3 材料要求材料等级最低材料要求本体、盖、端部、和出口接头压力控制零件、杆和心轴吊挂套AA一般运行BB一般运行CC一般运行DD酸性运行EE酸性运行FF酸性运行HH酸性运行碳钢或低碳合金钢碳钢或低碳合金钢不锈钢碳钢或低碳合金钢碳钢或低碳合金钢不锈钢CRA碳钢或低碳合金钢不锈钢不锈钢碳钢或低碳合金钢不锈钢不锈钢CRA1.4油管头的结构设计1.4.1指导思想和技术路线大多数油田都要经过一个自喷采油的阶段，而自喷采油是一种费用较低，经济效益较大的采油方式。由于自喷采油是利用井深自身地层的能量将原油举升到地面。所 以在油井的井口处就需要有一种能够承受井低压力的设备装置，就称为井口装置。 它是由套管头、油管头和采油树组成。使用于有自喷能力的油井以控制井口的压 力和原油的流量。另外还可以保证井口日常工作的顺利进行10-12。1.4.2油管头的结构油管头是两端带法兰的装置或短节，安装在最上部套管头的上法兰上用于悬挂下入井中的油管，通过油管短节以丝扣与油管悬挂器(萝卜头)连接在一起，并坐在顶丝法兰盘上，密封油、套管环行空间的井口部件。并可与套管头及附件组成用于油管压裂、环形空间压裂以及混合压裂的压裂井口装置。油管头的功能是:悬挂油管柱，密封油管柱与油层套管柱之间的环形空间(双油管油管头还需密封两根油管柱之间的环形空间)，控制和调节油管柱与套管柱之间的压力变化，承受油管柱内的压力和承受油管柱、采油(气)树以及其它装置的负荷，为套管头和采油树提供过渡连接。此外，它还可用于修井和其它工艺作业。1.4.3方案论证井口装置(油管头)的设计采用的是有关部门制定的国家标准其中规定了井口装置的形式、通径、工作和试验压力系列，以及尺寸，从而大大缩减了采油树的形式并统一了它的部件。一般规定采油树的形式分为两类:以采用三通为 基础的采油树和以采用四通为基础的采油树。 四通为基础的采油树上有备用阀的存在，所以其工作可靠性较高，可实现不停产 更换零部件或维修采油树。而以三通为基础的采油树不具备上述特点，故本设计采用的是以四通为基础的采油树1-5。1.5基本参数1.5.1原始数据及要求耐压5MPa，油管62，套管121 可转动1.5.2基本参数的确定a、油管的分类及选择油管分为平式油管(NU)、加厚油管(EU)和整体接头油管。平式油管是指管端不经过加厚而直接车螺纹并带上接箍。加厚油管是指两管端经过外加厚以后，再车螺纹并带上接箍。整体接头油管是指一端经过内加厚车外螺纹，另一端经过外加厚车内螺纹，直接连接不带接箍。API：它是英文American Petroleum Institute的缩写，中文意思为美国石油学会。注：英制与米制换算值如下1英寸(in)=25.4毫米(mm)1英尺(ft)=12英寸(in)=0.3048米(m)1平方英寸(sp.in)=645.16平方毫米(mm2)1磅(lb)=0.45359千克(kg)表4 A P I油 管 规 格 及 尺 寸公称尺寸（in）不加厚外径（mm）不加厚内径（mm）加厚外径 （mm）加厚内径（mm）不加厚接箍外径（mm）加厚接箍外径（mm）2 3/8 60.350.365.950.373782 7/873.062.078.662.089.5933 1/288.975.995.2575.9107114.5C、指导老师给的油管内径62mm，从上表API油管规格及尺寸可以初步查得选取公称尺寸为2 7/8 mm的油管。但是就加厚和不加厚问题我们仍需做一个选择。下面我们就加厚和不加厚做一个讨论：外加厚油管采用锥管圆螺纹，通过接头加厚，实现联接和密封，是美国石油协会发布的基本螺纹扣型之一。其牙型为三角形、圆顶圆底，牙形角为60，螺纹锥度为1:16，牙形角平分线与轴线垂直。当螺纹旋紧后，靠内外螺纹的牙侧面过盈配合密封，具有加工容易、与螺纹脂配合具有一定密封性、有一定的连接强度、现场维护和使用较简单、价格便宜的优点，已经成功应用80余年，在石油工业的发展史上具有不可磨灭的贡献。但是随着石油工业的发展，地质条件日益苛刻，外加厚油管螺纹的一些不足之处日益显现，逐渐不能适应特殊地层的要求9-10。一、外加厚油管的特点 1、通过接头镦粗增强了连接强度 在不改变螺纹形状的前提下,接头通过镦粗工艺使接头尺寸增加，提高了连接强度，满足下深要求。 以88.96.45P110EUE油管图6 油管螺纹连接示意图为例，管体直径为3.5in，加厚部位外径增大至3.75in。根据API 5C3公式（30）计算：管体屈服强度PY为1267KN。如果油管采用不加厚方式，根据API 5C3公式（45）计算螺纹连接强度Pj为891KN。采用外加厚方式根据公式（45）油管连接强度为1560 KN。即通过外加厚方式使得油管的连接强度大幅度增加，甚至优于管体的连接强度。 2、通过与螺纹脂的配合实现了密封 外加厚油管齿顶与牙底间隙存在一个0.076mm间隙，上紧螺纹时，牙顶间隙为充满螺纹脂，螺纹脂固化之后堵塞泄露通道，从而实现密封效果。如图1所示二、外加厚油管的不足之处1、加工效率低，工厂产能浪费严重 外加厚油管虽然增加了油管的连接强度，但是实现油管的外加厚必须通过墩粗+二次热处理工艺实现，效率极低，而且一旦螺纹加工不合格必须重新进行墩粗根据天钢及宝钢的统计数据墩粗+热处理所需要的时间及造成的成本增加。所以导致外加厚油管成本一直居高不下。 图7 油管螺纹接头在拉伸载荷下受力示意图2、拉伸载荷下易发生滑脱失效 接头上扣后，由于内、外螺纹之间的干涉，螺纹的承载面与导向面上分别受到力FL和FS的作用。当接头受到轴向拉伸载荷后，导向面上的力FS减小，承载面上的力FL增大；同时FS和FL也会由于泊松效应而略微减小。当拉伸载荷继续增大时，内外螺纹的导向面逐渐分离，FS变为0，仅承载面受力。当拉伸载荷增大到一定程度后，逐步可以克服内、外螺纹承载面之间的摩擦力,这时承载面之间就会发生相对滑动,进而发生滑脱失效。3、不能满足较高压力下的气密封要求 外加厚油管螺纹由于存在0.076mm的间隙，存在结构不完整和气密性不足等问题，只能在一些常见井况内使用，对于越来越复杂的地质环境和井况:如深井、超深井、高压气井、稠油热采井、定向井、水平井、重腐蚀井况方面则显得力不从心，时有泄漏等事故发生。 4、上卸扣性能不好，抗粘扣能力较差如图所示由于上扣后应力分布不均容易引起螺纹粘扣，内外螺纹在第1 有效螺纹处接触应力最大，局部的最大应力可达到中间齿面应力的4 倍甚至更多，而接触应力是引起螺纹粘螺纹的根本原因，在上卸螺纹过程中，这一位置的齿面最容易粘扣。5、短节等附件加工困难 由于外加厚油管镦粗工艺、数量及长度等方面的限制，无法实现工厂规模化生产，或者即使生产也代价高昂。委托小厂进行加工，由于分公司抗硫油管占绝对数量，小的生产企业无法生产抗硫化氢的金属材料，即使生产由于技术及装备原因无法保证抗硫性能，存在极大的安全隐患。因此抗硫油管短节呈现订货难，价格高，成本大、周期长的特点。 6、油管订货周期长，价格居高不下 由于外加厚油管加厚工艺的影响，导致油管生产周期长，价格居高不下，对于抗硫油管影响更大，据工厂不完全统计加厚工艺大约导致成本增加8001000元/吨。综上所述，我们选择油管类型为选取公称尺寸为2 7/8 mm、不加厚外径73mm和不加厚内径62mm的油管。1.5.3大四通的最大通经套管原始数据内径121表5 套管规格及尺寸 外径mm（in）接箍外径（mm）内径（mm）通径（mm）139.7（5 1/2）153.7124.3121.1121.4118.2所以本次毕业设计选取的是外径139.7（5 1/2）in ，接箍外径153.7mm通径118.2mm的套管。2、主要零部件设计计算2.1油管头2.1.1大四通1)材料 材料选用ZG35GrMo（合金铸钢），铸造成型，粗加工后，调制处理使得HB223241; 其机械性能为： 强度极限 屈服极限第 49 页 （共 49 页）2主要零部件设计计算2) 直圆筒部分的壁厚由于 得 所以，取 且5则(1)直圆筒部分的壁厚计算壁厚，.(2) 式中腐蚀余量代入上式得=故，取设计壁厚油管重量：式中，W-每米长的油管的重量 K-比例系数，主要考虑到现场有苏制、API、国内三种油管。即 2.2油管头结构强度计算选题背景API Spec. 6 A规范把它定为一个主要部件，技术上把油管头作为承压容器类的壳体来要求。2.2.1油管头壳体初步计算一般按在内压作用下在厚壁管上的应力求解公式进行。下图是厚壁管的应力分析方法：drssdsrsr 图8 厚壁分析方法2.2.2厚壁和薄壁的判断准则一般根据容器外径与内径的比值大小加以区分。者为薄壁容器，超过这个范围者为厚壁容器。外径，内径在高压采油采气井口装置中容器的壁厚较厚，外径和内径之比一般都大于1.1。使用这些公式时，要对用计算方法得到的壳体截面的形状和尺寸作一些必要的修正，并采用经验公式验算。2主要零部件设计计算2.2.3计算公式的选择1、日本公司的力容器的壁厚计算公式： -（3）腐蚀裕量，焊缝系数（焊接接头系数）2、美国公司压力容器的壁厚计算公式： -（4）外径，内径 许用应力， P额定工作压力，从以上两个公式（日本和美国）可以看出他们在计算上是一致的，差别仅在前一个计算公式比后一个计算公式多加了以个腐蚀裕量，所以用前一个公式设计计算的壁厚要比后一个计算公式设计的壁厚要厚。3、公式重要参数说明a焊接接头系数焊接接头系数是指对应焊接接头强度与母材强度之比值。用以反映由于焊接材料、焊接缺陷和焊接残余应力等因素使焊接接头强度被削弱的程度，是焊接接头力 学性能的综合反映。表6 焊接接头系数焊接接头型式检验要求焊接接头系数备注双面焊的对接焊缝100%无伤探伤局部无损探伤1.00.85单面焊的对接焊缝100%无伤探伤局部无损探伤0.90.8在焊接过程中沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板b腐蚀裕量目前我国尚没有一套有关各种腐蚀介质在不同条件下对各种材料的腐蚀速率数据，因此，工程上大多数情况下仍是凭经验来确定其腐蚀余量的。许多国内外的工程公司或设计院通常都将腐蚀余量分为如下四级15-18：无腐蚀余量。对一般的不锈钢管道多取该值；1.6mm腐蚀余量。对于腐蚀不严重的碳素钢和铬钼钢多取该值；3.2mm腐蚀余量。对于腐蚀比较严重的碳素钢和铬钼钢管道多取该值；加强级(大于3.2mn)腐蚀余量。对于有固体颗粒冲刷等特殊情况下的管道，根据实际情况确定其具体值。压力容器腐蚀裕量的选取，按HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定第7.0.3条进行。表7 筒体、封头的腐蚀裕量腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速率(mm/a)0.050.050.130.130.250.25腐蚀裕量(mm)0123腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定。 = kS * B -（5）kS，为腐蚀速率(mm/a ，查材料腐蚀手册或由试验确定。B为容器的设计寿命，通常为10-15年。由选用材料为ZG35GrMo，查表可得屈服极限，查表=121.4mm，P=5MPa，可得出=139.7mm,由公式得出壁厚为9mm，内外径纸币为1.151.1，为厚壁。2.2.4法兰设计API6A规范包括三种形式的端部和出口法兰：6B型、6BX型和扇形法兰。由API6A中的表10.1可选择法兰类型。 法兰类型选择如下：API法兰的额定工作压力和规格范围1234法兰尺寸范围额定工作压力6B型6BX型双管扇形psi（Mpa）in(mm)in（mm）in（mm）2.000（13.8）221(52540)2630(680762)_3.000（20.7）220(52527)2630(680762)_2主要零部件设计计算5.000（34.5）211(52279)1321(346540)144（3510310）10.000（69.0）_1121(46540)_15.000（103.4）_1118(46476)_20.000（138.0）_1113(46346)_表8 法兰工作压力和规格范围 由此表可知应选择6B型法兰如下：图9 6B型法兰再由规定选择尺寸图10 法兰尺寸选择由此表可以确定法兰尺寸为法兰外径380mm，螺栓孔中心圆直径为320mm，双头螺柱为M30，法兰厚度为48mm。2.2.4钢圈（垫片）作用力学性能及其选择垫片的作用就是把能产生塑性变形并具有一定强度的材料置于两个法兰面之间，当螺栓预紧后，垫片受力产生塑性变形，填补由于法兰面凹凸不平而在它们之间造成的间隙，以阻止流体泄露，达到密封的目的。为达上述目的，须在垫片上施加一定的压紧力，这个压紧力与垫片的有效接触面积之比值，称“比压力”，用符号“y（kg/cm2）”表示。它只与垫片的形状和材料有关。只有当垫片上的压紧力降低到一定数值时，泄露才会发生。这是作用在垫片单位有效接触面积上的压紧力，称“最小残余压紧力”（kg/cm）。最小残余压紧力与内压的2主要零部件设计计算比值是垫片的另一个力学性能，称之为“垫片系数”，用符号“m”表示。对于不同形状和材料的垫片之比压力和垫片系数的数值在标准中可以查到。根据以上分析，可以初步估算垫片宽度的公式，即可得到以下公式13-14： -（6）式中：y垫片只比压力，公斤/厘米2； m垫片系数，无因次量； P内压，公斤/厘米2； DGW垫片外径，厘米； DGN垫片内径，厘米。表9 钢圈系数表垫片材料垫片系数m比压力y（MPa）简图压紧面形状金属环铁或软钢蒙乃尔或4%6%铬钢不锈钢5.506.006.50124.1150.3179.36注:本表所列垫片的m、y值及适用的压紧面形状，均属推荐性资料，应根据成熟的使用经验谨慎确定。有了上述比值，根据垫片标准和法兰面尺寸再选定垫片内径DGN，即可算得垫片之外径DGW。于是，得到垫片宽度： -（7）采用的垫片宽度可略大于上述数值。既能保证密封不泄露，有能保证在螺栓预紧力作用下垫片不被压碎。 钢圈也可根据上图来选择，钢垫圈槽也可根据API6A中的规定来选择图11 钢圈的选择2.3.2 O形密封圈的选用1.O型密封圈廉价，可用于低成本介质中简单，整体式沟槽设计降低零件和设计费用设计紧凑，零件外形较小安装极为简单，减少了差错适合于解决许多密封问题，如静密封、动密封、单作用或双作用密封有很多化合物可供选择，并与大多数流体具有兼容性（压力超过5MPa时，建议使用挡圈）。2.材质丁腈胶NBR橡塑复合材料RP和氟胶FKM。3使用范围O形圈被用作为一种主要密封元件，作为滑履密封和刮尘圈的斌能元件，它覆盖了很大的使用场合。几乎没有任何工业不使用 O 形圈。O 形圈在静密封场合中，显示了突出的作用。然而，在动态的适当场合中，O 形圈也常被应用；但它受到密封处的速度和压力的限制。1密封机理主要零部件设计计算图12 O型密封圈密封机理O形密封圈是一种自动双向作用密封元件。O形圈是在模具里硫化成型的；O型圈具有圆截面环状的特征。O型圈尺寸是由其内径和其断面直径决定的。安装时其径向和轴向方面的预压缩赋与O形密封圈自身的初始密封能力。它随系统压力的提高而增大。性能参数静态密封动态密封工作压力无挡圈时，最高压力可达20MPa;有挡圈时，最高压力可达40MPa;用特殊挡圈时，最高可达 200MPa.无挡圈时，最高可达 5MPa；有挡圈时，较高压力。运动速度最大往复速度可达 0.5m/s，最大旋转速度可达 2.0m/s。温度一般场合：-30+110；特殊橡胶：-60+250；旋转场合：-30+80介质见橡胶密封件原料特性表表10 O型密封圈2O形密封圈选择应考虑的因素工作介质和工作条件在具体选取O形圈材料时，首先要考虑与工作介质的相容性。还须综合考虑其密封处的压力、温度、连续工作时间、运行周期等工作条件。若用在旋转场合，须考虑由于摩擦热引起的温升。不同的密封件材料，其物理性能和化学性能都不一样，见橡胶密封件原料特性表 。密封形式按负载类型可分为静密封和动密封； 按密封用途可分为孔用密封、 轴用密封和旋转轴密封；按其安装形式又可分为径向安装和轴向安装。径向安装时，对于轴用密封，应使O形圈内径和被密封直径间的偏差尽可能地小；对于孔用密封，应使其内径等于或略小于沟槽的直径。O形圈材料硬度是评定密封性能最重要的指标。O形圈的硬度决定了O形圈的压缩量和沟槽最大允许挤出间隙。由于邵氏A70腈密封都能满足大部分的使用条件，故如对密封材料不作特殊说明，提供邵氏A70的丁腈橡胶。我们今天所选择的O型密封圈，满足耐压5MPa条件，并且属于外压用，所以根据前面已经得出的油管头的尺寸我们可以查表得到：图13 O型密封圈由上表，我们选择d=135cm，允许公差为cm同理可以得到另外一个密封圈尺寸为cm16-17。主要零部件设计计算2.3.4轴承的选择选用轴承时,首先是选择轴承类型。下面归纳出合理选择轴承类型所应考虑的主要因素。（一）.轴承的载荷轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。根据载荷的大小选择轴承类型时，由于滚子轴承中主要元件间是线接触，宜用于承受较大的载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中则主要为点接触，宜用于承受较轻的或中等的载荷，故在载荷较小时，应优先选用球轴承。根据载荷的方向选择轴承类型时，对于纯轴向载荷，一般选用推力轴承。较小的纯轴向载荷可选用推力球轴承；较大的纯轴向载荷可选用推力滚子轴承。对于纯径向载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。当轴承在承受径向载荷R的同时，还有不大的轴向载荷A时，可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。所以本次毕业设计选择的是单向推力球轴承。（二）轴承的转速在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响。轴承样本中列入了各种类型、各种尺寸轴承的极限转速nlim值。这个转速是指载荷不太大（P0.1C，C为基本额定动载荷），冷却条件正常，且为0级公差轴承时的最大允许转速。但是，由于极限转速主要是受工作时温升的限制，因此，不能认为样本中的极限转速是一个绝对不可超越的界限。如果轴承的工作转速超过极限转速时，可采取下述第5条提出的措施。从工作转速对轴承的要求看，可以确定以下几点： 1）球轴承与滚子轴承相比较，有较高的极限转速，故在高速时应优先选用球轴承。 2）在内径相同的条件下，外径越小，则滚动体就越轻小，运转时滚动体加在外圈滚道上的离心惯性力也就越小，因而也就更适于在更高的转速下工作。放在高速时，宜选用超轻、特轻及轻系列的轴承。重及特重系列的轴承，只用于低速重载的场合。如用一个轻系列轴承而承载能力达不到要求时，可考虑采用宽系列的轴承，或者把两个轻系列的轴承并装在一起使用。 3）保持架的材料与结构对轴承转速影响极大。实体保持架比冲压保持架允许更一些的转速。 4）推力轴承的权限转速均很低。当工作转速高时，若轴向载荷不十分大，可以采用角接触球轮承承受纯轴向力。 5）若工作转速略超过样本中规定的极限转速，可以用提高轴承的公差等级，或者适当地加大轴承的径向游隙，选用循环润滑或油雾润滑，加强对循环油的冷却等措施来改善轴承的高速性能。若工作转速超过极限转速较多，应选用特制的高速滚动轴承。 （三）轴承的调心性能 当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或因轴受力而弯曲或倾斜时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜。这时，应采用有一定调心性能的调心球轴承或调心滚子轴承。这类轴承在内外圈轴线有不大的相对偏斜时仍能正常工作。圆柱滚于轴承和滚针轴承对轴承的偏斜最为敏感，这类轴承在偏斜状态下的承载能力可能低于球轴承。因此在轴的刚度和轴承座孔的支承刚度较低时，应尽量避免使用这类轴承。 （四）轴承的安装和拆卸 便于装拆，也是在选择轴承类型时应考虑的一个因素。在轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时，应优先选用内外圈可分离的轴承（如 N0000、NA0000、30000等）。当轴在长轴上安装时，为了便于装拆，可以选用其内圈孔为1：12的圆锥孔（用以安装在紧定衬套上）的轴承16-18。1、单向推力球轴承2主要零部件设计计算图14 单向推力球轴承我们从上表可以选得单向推力球轴承的型号为51128，d=140，D=180，T=31。2.4转动油管接箍2.4.1转动油管接箍的结构基本参数的选择图15 油管接箍油管接箍是油田钻井工具的一种，主要用于油管的连接。油管接箍主要解决了现有接箍因应力集中轻易产生疲惫断裂的问题。油管接箍结构是：油管端头与接箍体内壁以锥形螺纹方式连接，接箍体的端头与油管以同螺纹同螺距平型螺纹方式连接。具有缓解单一锥螺纹连接油管外螺纹根部应力集中的特点，不易产生疲惫断裂，连接效果好。有效防止油井管柱断脱事故发生。接箍分为油管接箍和套管接箍。钢级常用的有J55,K55,N80,L80,P110 等。根据导师指定油管尺寸我们可以根据下表直接选取油管接箍的尺寸表11 A P I油 管 规 格 及 尺 寸公称尺寸（in）不加厚外径（mm）不加厚内径（mm）加厚外径 （mm）加厚内径（mm）不加厚接箍外径（mm）加厚接箍外径（mm）2 3/8 60.350.365.950.373782 7/873.062.078.662.089.5933 1/288.975.995.2575.9107114.5在前面我们已经说明了为什么选不加厚接箍外径89.5mm，在此不做赘述。表12 平式油管接箍尺寸代号油管外径接箍外径接箍最小长度单重，kg接箍料推荐尺寸(外径壁厚)1.90048.2655.8895.250.5655.982-3/860.3273.02107.951.2873112-7/873.0288.90130.182.3488.912.53-1/288.90107.95142.883.71108154101.60120.65146.054.35120.715.54-1/2114.30132.08155.584.8913215从表中我们可以选出尺寸代号为2-7/8、接箍外径为88.9mm、单重为2.34、接箍料推荐尺寸(外径壁厚) 88.912.5mm的平式油管接箍18。2.4.2转动油管接箍材料的选择API标准有F25H40J55K55DEC75N80C95P10P110等等，本地一般表层套管用J55，油层套管用N80，有高压层用P110，或者井比较深，上部用P110。油套管钢级共有H40，J55，K55，M65，N80，L80，C90，T95，C95，P110，Q125 二十个不同钢级，类型的油套管，为区分不同的钢级强度，螺纹类型，分别用不同色标和符号代表油，套管的钢级和螺纹。色标和英文字母后面的二为或三位数字表示油，套管的钢级的最低屈服强度，如J55表示其最低屈服强度为55000磅/英寸2（379Mpa）最高为80000磅/英寸2 （552Mpa），P110最低屈服强度为110000磅/英寸2（758Mpa）2主要零部件设计计算最高为140000磅/英寸2（965Mpa）。H，J，K，N代表一般强度油套管，C，L，M，T代表限定屈服强度油套管，具有一定的抗硫腐蚀性能。钢级牌号热处理工艺J55油管37Mn5平式油管：热轧代替正火加厚油管：加厚以后全长正火N80-1油管36Mn2V平式油管：热轧代替正火加厚油管：加厚以后全长正火N80-Q油管30Mn5全长调质L80-1油管30Mn5全长调质P110油管25CrMnMo全长调质J55接箍37Mn5热轧在线