（机械工程专业论文）钻井用离心机的设计研究.pdf

摘要 离心机是工业生产中常用的分离机械，它具有很多优点，可以得到干燥度较高的 固相和纯度较高的液相，同时还具有节省劳动力、降低劳动强度、改善劳动条件和环 境等优点，离心机的处理量比较大、操作比较方便同时所需空间比较小。本论文设计 的是钻井液离心机，它可以有效地控制钻井液的密度和粘度、提高钻井液的性能、提 高化学药品的重复利用率、提高钻井机械的钻速、保护油田的地层结构、减少钻井液 污染等等，能够获得显著的经济效益符合可持续发展的要求，因此本设计具有实际的 意义。 传统的钻井用离心机存在处理量比较低、分离因数比较小、除砂效果不理想、整 机振动比较大、轴承磨损严重等等一系列的问题。本论文在进行设计时着重克服了目 前使用的离心机普遍存在的一些问题：针对离心机排渣不及时的问题设计了冲洗装置； 采用进口轴承确保离心机的使用寿命；设计了减小动不平衡的新型转鼓形式；选用了 比较稳定的减振器等等措施。 本论文根据公司的要求，同时结合相关的公式推导，确定了离心机的主要参数。 并且对主要的工作部件比如转鼓和螺旋输送器进行了强度校核，运用m a t l a b 编程软件 计算了与液池深度有函数关系的一些主要参数，运用c a d 软件绘制了离心机的装配图 同时拆分了零件图，运用s o l i d w o r k s 软件构建了离心机的整体三维模型。为了使设计 的离心机便于实际的加工制造，在后期的设计过程中，着重考虑了离心机的加工工艺、 各部件的配合关系并且进行了动平衡实验，确保设计的离心机安全可行。能够满足生 产的需要。 关键词：转鼓，螺旋输送器，轴承，皮带轮，结构设计，动平衡 d e s i g na n dr e s e a r c ho fc e n t r i f u g a lm a c h i n e u s e df o rd r i l l i n g c u ix i u j u n ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz e n g l i a n g a b s t r a c t 1 1 1 ec e n t r i f u g a lm a c h i n ei sa l li nc o m m o nu s ed i s c o n n e o tm a c h i n e r yi nt h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o n i th a sal o to fm e r i t s ，f o re x a m p l ei tc a nd r i v ed 巧h i g h e rs o l i dp h a s eo fo n e d e g r e ea n dp u r i t yh i g h e rl i q u i dp h a s e ，e c o n o m i c a lw o r kf o r c e ，l o w e rl a b o u ri n t e n s i t y ， i m p r o v el a b o rc o n d i t i o na n de n v i r o n m e n ta n de t c b e s i d e s a l lt h o s et h ec e n t r i f u g a lc a l l h a n d l eq u a n t i t yal i t t l eb i tg r e a t l y , t h eo p e r a t i o no fi ti sm o r ec o n v e n i e n t , t h es p a c en e e d e di s m u c hs m a l l e r t h i st h e s i sd e s i g no fi ti sah e a d w a yl i q u i dt ol e a v es c h e m i n g ，i tc a na v a i l a b l y c o n t r o lt h ed e n s i t ya n dv i s c o s i t yo fh e a d w a yl i q u i d ，r a i s et h ep e r f o r m a n c eo fh e a d w a y l i q u i d ，r a i s et h er e p e a t e du t i l i z a t i o nr a t i oo fc h e m i c a l s ，r a i s em e c h a n i c a lr a t eo fd r i l l i n go f h e a d w a y , p r o t e c tt h eg e o l o g i cs t r a t as t r u c t u r eo fo i lf i e l da n dr e d u c eah e a d w a yl i q u i ds t a i n e t e 1 1 1 ee c o n o m i cb e n e f i tt h a tb es h o w nb yi tm e e t st h er e q u e s tt h a tc a ns u s t a i nas h a p e ， t h e r e f o r et h i sd e s i g nh a sp h y s i c a lm e a n i n g t h et r a d i t i o n a lh e a d w a yi se x i s t e dt oh a n d l eq u a n t i t yw i t l lt h ec e n t r i f u g a lm a c h i n e l o w e r , t h es e p a r a t ef a c t o ri sm u c hs m a l l e r , i na d d i t i o nt ot h es a n de f f e c td i s r e g a r dt h i n k s ，t h e w h o l e m a c h i n ev i b r a t e sal i t t l eb i tg r e a t l y , t h eb e a r i n gw e a ra w a yt h eq u e s t i o no fs e r i o u se t c a l lt h i sas e r i e so fq u e s t i o ne f f e c t st h eu s ep e r f o r m a n c eo fc e n t r i f u g a lm a c h i n e s o m e q u e s t i o n st h a tt h i st h e s i se m p h a s i z e dt oo v e r c o m ei st h ec e n t r i f u g a lm a c h i n et h a tu s e s c u r r e n t l yt ow i d e s p r e a d l ye x i s t sw h i l ec a r r y i n go i lad e s i g n ：d e s i g n e dt o t h ec e n t r i f u g a l m a c h i n er o wd i r ta n t is e a s o n a b l eq u e s t i o nt op r i n td e v i c e ，a d o p tt oi m p o r tt h es e r v i c el i f e t h a tt h eb e a t i n ge n s u r e sc e n t r i f u g a lm a c h i n e ，d e s i g n e dt ol e tu pt h en e v i ，m o d e lo fm o v i n g t h eu n b a l a n c er e v o l u t i o nd r u mf o r m ，c h o s et or e d u c et of l a pt h em a c h i n ee t c m e a s u r et h a n t h eh a r d t l l i st h e s i sc o m b i n e sr e l a t e df o r m u l at od e d u c ea tt h es a m et i m ea c c o r d i n gt ot h e r e q u e s to fc o m p a n ya n dr e c o g n i z e dt h em a i np a r a m e t e ro fc e n t r i f u g a lm a c h i n e a n df o r e x a m p l es c r e w e dd r u ma n ds c r e wt ot r a n s p o r tam a c h i n et oc a r r yo np i ti nt h ei n t e n s i t y n s c h o o lt ot h em a i no p e r a t ep a r t s ，m a k eu s eo fm a t l a bp l a i td i s t a n c et h es o i t w a l e c o m p u t i n g e dt oc o n t a i ns o m em a i np a r a m e t e r so ff u n c t i o nr e l a t i o nw i t hl i q u i db a t hd e p t h , m a d eu s eo ft h ea s s e m b l i n gd r a w i n gt h a tt h ec a ds o f t w a r ed r e wc e n t r i f u g a lm a c h i n et o d i s m a n t l et od i v i d ep a r td r a w i n ga tt h es a m et i m ea n dm a d eu s eo ft h ew h o l e3 dp a t t e r nt h a t t h es o l i d w o r k ss o f t w a r es e tu pc e n t r i f u g a lm a c h i n e f o rm a k i n ge a s yt oa n dp h y s i c a l t r a n s f o r mo ft h ec e n t r i f u g a lm a c h i n eo fd e s i g nm a k e ，a tb e h i n de x p e c to fi nt h ed e s i g n p r o c e s s ，e m p h a s i z et h et e a mw o r kr e l a t i o no ft h et r a n s f o r mc r a f to fc o n s i d e r i n gt h e c e n t r i f u g a lm a c h i n e ，e a c hp a r t sa n dc a r d e do nt om o v e as y m m e t e r ye x p e r i m e n t ，e n s u r et h a t t h ec e n t r i f u g a lm a c h i n es a f e t yo fd e s i g nc a ng o s a t i s f yam a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n t k e yw o r d ：s c r e wt h ed r u m ，t h es c r e wt r a n s p o r t sam a c h i n e ，b e a r i n g , b e l tp u l l e y , t h e s t r u c t u r ed e s i g n sa n dm o v es y m m e t e r y i i i 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文的选题的目的及其意义 本论文研究设计的是钻井液离心机，它是根据恒源机械厂提出的要求所设计的应 用于油田的离心机。 在日常的工业生产中，经常需要对悬浊液进行固液分离，一般来说是为了达到如 下目的：( 1 ) 回收混合液中的有用的固相，除去其中的无用的液相；( 2 ) 回收混合 液中的有用液相，去除其中无用的固相；( 3 ) 同时回收混合液中的有用的固相和液相； ( 4 ) 同时去除混合液中的固相和液相( 如对污泥进行脱水) 。实现固一液分离的常用 的方式主要有：离心分离、重力沉降、纱网过滤等等【1 1 。其中离心分离是利用离心力 来实现固一液、液一液、及其固一液一液分离的方法。离心机就是一种能够实现离心 分离的操作机械。 离心机是工业中经常用到的进行离心分离的机械，由于它优越的性能，所以用途 非常广泛。离心机主要用于浓缩、分离、脱水、澄清、净化及固体颗粒分级等工艺过 程，相对于其它分离机械，它能得到高纯度的液相和含湿量较低的固相，具有密封性 好、自动遥控、体积小、连续运行、节省劳力、操作安全可靠和占地面积小等众多优 点。离心机是随着各种工业部门的发展而相应发展起来的，离心机自发明以来有了很 大的发展，各种功能的离心机类型繁多，各有特色。目前的离心机主要向着系列化、 自动化、高参数化的方向发展。伴随着离心机的发展出现了各种组合形式的转鼓，各 行各业专用的离心机取得了广泛的发展与运用。随着现代社会对环境的保护要求，对 工业排放的废水、废气、废渣的处理提高了要求。卧式螺旋卸料离心机、三足式下部 卸料沉降离心机、蝶式分离机等三种形式的离心机由于能够较大程度的满足各种要求 获得了快速的发展【l 】。 虽然随着工业的发展，各种离心机的类型、结构及使用等诸多方面取得了迅速的 发展。但是通过实际调研可知，离心机的在理论研究方面落后于实践使用是一个一直 存在的问题。通过查阅国内外相关资料可知，离心机当前在理论研究方面取得的研究 成果，仅仅是对实验的结果进行说明的，在对离心机的工作性能、设计计算、类型选 l 第一章绪论 择等各方面，还是需要理论与实际的工作实践经验的结合。产生这种现象的原因是多 方面的，经过分析可知主要原因有：( 1 ) 离心机在进行分离的过程中，分离介质和工 作环境具有多样性和复杂性( 比如某些分离介质的的物理和化学性能可能会不断的发 生变化) 、由于固体颗粒的不同的形状和大小以及运动的复杂性所产生的数学问题， 运用目前已有的理论知识很难解决；( 2 ) 若要在不干扰混合液运动的前提下，了解固 体颗粒和分离液在离心力场中运动的实际情况，需要借助比较科学的测试手段，运用 先进的设备进行观察，但是由于受到实际情况的制约，不能进行准确的观察致使离心 机的发展受到一定程度的限制【1 1 。随着现代化工业的不断发展，科学技术的不断提高， 使用离心机的情况越来越多，离心机的发展前景是非常广阔的。根据要求，本论文主 要研究的是钻井用离心机的设计研究。 随着石油化工行业的不断发展，钻井液离心机的应用也越来越广泛，它的目的是 对钻井液进行固液分离，同时回收钻进液中的有用的固体颗粒，进行化学物质的重复 利用，降低成本。目前在油田使用的分离机械中，钻井液离心机与旋流分离器是使用 最多的分离机械，它们的的区别在于：首先是分离原理的不同，旋流分离器内的离心 力场是根据钻井液的旋转运动建立的，而离心机内的离心力场是靠离心机滚筒的旋转 来产生的；其次钻井液中的固相颗粒越大，在钻井过程中产生的危害就越大，由于离 心机内的离心加速度比旋流器大的多，它能分离出更加细小的固相颗粒，有利于钻井 队进行钻井工作。一般在油田的实际使用的过程中，离心机作为旋流器的下一级使用， 先用振动筛对钻井液进行大颗粒的分离，再使用旋流器进行二次分离，最后使用离心 机进行小颗粒的分离。 - 钻井液离心机之所以在油田上得到广泛的运用，除了与旋流分离器相比有很大的 优点，并且相对于其它的分离设备，钻井液离心机还具有如下一些独特的优点： ( 1 ) 钻井液离心机对不同的钻井工艺适应性较强，同时处理能力较强，可以分离 出钻井液中较小的固体颗粒。它还可以用来控制钻井液的密度、粘度、降低钻井液中 的固相含量、能够分离出钻井液中的有害固相或回收化学物质、对旋流器流出的钻井 液进行二次回收，以包证钻井液的优良性能，提高钻井速度。 ( 2 ) 钻井液离心机分离物料的范围比较大，通过查阅资料可知，离心机一般能分 离的固相颗粒的直径范围为o 0 0 5 m m - 2 m m ，即使固相颗粒的大小不均匀时也能够照 常分离，这是一般的离心机所不能实现的。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 由于特殊的工作环境，钻井液离心机能够实现远程的自动化控制，离心机的 一些性能参数，比如转速、进料量、润滑油的油温等参数均可通过远程进行控制，可 以保证离心机在最好的工作状态下使用，并且可以实现每个操作程序的自动连续运行， 因而提高了操作离心机的安全性。 1 2 国内外的研究现状和发展趋势 1 2 1 钻井液离心机的研究现状 通过阅读资料可知，国外对离心机的研究起步比较早，因此研究和生产公司也比 较多。主要的生产制造厂商是法国、西德、美国和日本的十几家大公司。这些大的制 造公司都有比较完善的产品类型，同时重点研究专用离心机，形成系列化的产品便于 大规模的生产制造，因此这些公司生产的离心机在国内外市场上具有很强的竞争力。 国外生产离心机比较著名的生产厂商主要有：德国r o t t w e 公司、美国s h a p l e s s 公司、 法国g u i n a r d 公司、瑞典a l f a 公司等【8 1 ，国外对离心机研究的重点是实现离心机操作 的自动化、优化机体的内部结构、进行动力学理论的研究等方面。 中、高速离心机的发展开始于6 0 年代中期，美国的d e e r i c k 、s w a o c 、b a r n t d 等 几家公司都有自己的特定产品【4 - 6 1 。中、高速离心机与低速离心机的工作原理是相同的， 区别是前者通过一定的方法使用转鼓与输送器产生较高的转速差，在较大的离心力的 作用下能够进行较小颗粒的分离，相对与旋流器来说使用效率比较高，可以达到8 0 - 8 5 。通过调研目前的离心机，对于加重钻井液，能回收6 1 a r n 9 1 a m 粒度范围内的重晶 石，对于非加重钻井液，分离颗粒的直径随转速和钻井液性能的变化性能有所不同。 国内钻井液离心机的发展与国外相比一直以来都比较落后，为适应现代化工业生 产的要求，目前处理钻井液用的离心机的朝着大处理量大排量的方向发展。中原石油 管理局钻采院与上海化工机械厂在1 9 9 2 年底研制出了国内第一台大处理量的螺旋式 沉降离心机( 仿s w a c o 公司的5 1 8 离心机，处理量为5 0m 3 l a ) ，并通过了国家相关部门 的鉴定。胜利石油管理局的钻井工艺研究院于1 9 8 5 年在国内首次模仿制造了美国 s w a c o 公司的液压离心机，并且在1 9 8 9 年前后与钻井队合作将仿制的离心机改进为电 驱动形式，在1 9 9 2 年开始对大处理量的离心机进行研究设计，通过改进使离心机的处 理量达到6 01 1 1 3 h ，分离粒度在l o t t m 左右。对处理钻井液用的离心机进行研究改进的 3 第一章绪论 。 还有华北油田、长庆油田及辽河油田等大型油田。天津大学的谭蔚教授，运用压力容 器行业的分析应力的评定成果，提出了评定钻井液离心机转鼓的强度准则。 1 2 2 钻井液离心机存在的问题 虽然目前钻井液离心机随着石油化工业的发展取得了较大的发展，但是由于在实 际的使用过程中，钻井液的密度、固相含量、地层成分等各种因素不断变化，因此对 离心机的发展提出了很较高的要求。经过对离心机实际使用情况的调研得知，钻井液 离心机在使用过程中存在以下缺陷： ( 1 ) 除砂效果不理想：通过实际调研可知，目前在油田上使用的一般是分离因数 比较小的离心机，井队上使用的离心机分离因数小于7 5 0 ，分离效果比较差，除砂效 果不是很理想； ( 2 ) 振动过大：由于离心机是大型高速回转类机械，而且在使用过程中，不断向 离心机中注入钻井液，造成离心机在工作过程中整机震动很大，同时伴有很大的响声， 通过调研发现在使用过程后，转鼓内的残留的钻井液经常清洗不干净，并且留有部分 沉渣，导致离心机的动平衡遭到破坏。由于不断加入的钻井液在离心机内随着转鼓高 速旋转，使得转鼓运转的动平衡不断遭到破坏。 ( 3 ) 轴承的温度高：由于离心机是高速旋转的大型回转类机械，在使用过程中需 要保证足够的供油量，以保证离心机的正常运转，通过调研发现离心机在实际使用过 程中，经常处于缺油的状态下工作，造成了轴承的温度过高；并且离心机在工作过程 中被分离出来的沉渣，随着转鼓高速旋转，造成轴承的磨损这也是使轴承温度较高的 原因。 ( 4 ) 排渣困难：由于进液量比较大，并且离心机在工作过程中高速运转，使得进 入离心机的钻井液被快速分离成固相颗粒和液体，被分离的固相颗粒来不及排出机外； 其次是离心机在工作过程由于转速较大，进液量较大，经常造成过载保护装置失效， 使得被分离出来的固相颗粒不能被排出机外。 ( 5 ) 耦合器的易熔塞熔化：在工作中经常出现耦合器出状况的情况，经过检查可 知，一般都是由于易熔塞熔化引起耦合器失效导致的，由于进液量过大或者钻井液的 浓度过高，导致离心机过载，为了保护离心机耦合器的易熔塞熔化；迫使离心机停止 工作。通过调研分析可知，导致耦合器的易熔塞熔化还有其它原因，比如出渣口的堵 4 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 塞、液力耦合器内的工作油量过大或不足、耦合器的选型的不恰当还有就是离心机的 主轴发生故障等原因。 1 2 3 钻井用离心机的研究趋势 从钻井液离心机应用于石油钻井领域开始，相关的理论研究与应用在有油田和钻 井工作中一直都受到重视。随着开采油田和钻井技术条件不断提高，钻井液离心机的 创新和设计也有了进一步的发展，来满足油田钻井领域不断提高的技术要求。 通过查阅国内外的文献资料及其对油田上离心机的实际使用情况进行调研可知， 目前国内外钻井液离心机主要是朝着大处理量、大排量的方向发展。这是由于油田开 采技术不断发展并且对钻井液的重复利用问题提出了更高的要求。通过查阅先关资料 可知中高速离心机的发展于上世纪6 0 年代，美国的d e e r i c k 、s w a o c 、b a r n t d 等几家 大型制造商都有自己的系列产品。根据调研目前在钻井队上使用的一般是非加重钻井 液，为了适应处理非加重钻井液的需要，我国钻井液离心机的研究方向也是大处理量 的离心机，胜利油田的钻井院通过对国外离心机的结构进行改进，同时对其处理量进 行放大设计，研制了处理量为6 0m 3 h 的钻井液离心机，根据调查在油田上使用过程 中取得了良好的效果。离心机的发展趋势不仅要求大处理量还要求高的分离因数，分 离因数越高则分离效果越好，能够分离的固相颗粒的直径越小，越能满足实际使用的 要求。 在理论研究方面，许多学者致力对固液分离机理进行研究，目地是能够提出比较 准确的理论指导离心机的设计计算、优化机体的结构并且对其结果进行比较准确的推 测。随着现代工业文明的发展和人类对环境以及可持续发展战略的重视，分离效果是 否较好、振动是否较小、噪声是否较低等因素成为离心机能否被客户接受的重要条件， 这就需要离心机具有良好的动态性能，动态特性一般指临界转速、不平衡响应和稳定 性等特性，离心机的参数优化选择是改善离心机动态特性的重要环节。 目前离心机主要朝着两个方向发展：一是改善加工工艺的水平：包括开发用于螺旋 叶片的高强度耐磨材料、研究新型差速器、改善密封结构和润滑形式、改进整机的动 平衡性能、研究固体颗粒的输送过程、确定固液分离的具体过程等几个主要的因素， 从而使离心机在功率和进料量确定的前提下，确保离心机可以获得最大的分离因数； 二是深入研究离心机内部各个参数之间存在的函数关系，确保理论的研究与实际的使 s 第一章绪论 用相结合，包括研究流体的运动过程、建立固液分离的数学模型、研究固相粒子的运 动和受力情况等方向。通过查阅相关资料可知，现阶段离心机的理论研究与实际使用 存在较大差距，宏观理论的研究比较成熟，但是粒子的微观运动和固液分离的具体过 程还没有比较确定的理论，对于钻井用离心机来说，它的理论研究与产品开发不能满 足日益扩大的实际使用的要求【刀。由于目前能查阅的相关的理论研究方面的资料很少， 为了使设计的离心机能够满足理论与实际使用的有求，本论文在设计研究过程中，根 据已有的公式和相关理论做了大量的公式推导。 1 3 课题研究内容及拟解决的关键问题 1 3 1 课题研究的内容 本课题研究是钻井用离心机，它是钻井队的常用的进行固液分离的操作机械，作 用是对钻井液进行固液分离，同时回收钻井液中的有用的化学物质。本课题的研究的 主要内容是对现有的离心机进行改进设计。由于本论文是作为企业的项目，主要的性 能参数以及要达到的要求是由厂家提供的，针对企业提出的要求，进行离心机的设计 改进。本次设计的主要特点是进行大处理量、大分离因数的钻井液离心机的设计。根 据要求本次设计主要完成的内容如下： ( 1 ) 设计钻井用离心机的整体结构，并对其分离能力、处理能力进行详细的计算 说明，同时对离心机的重要的部件进行强度校核； ( 2 ) 对钻井用离心机的生产能力和所需功率进行详细的分析计算； ( 3 ) 根据得到的功率计算数值，选择相应的电机、供液系统及其其它以功率为主 要参数的部件； ( 4 ) 运用s o l i d w o r k s 软件绘制钻井用离心机各个部件的三维造型图，同时设计 离心机整体的三维模型图； ( 5 ) 运用c a d 软件，绘制离心机的各个零件图，同时确立了离心机的整体装配图。 本论文主要进行的重点是离心机主要工作部件即转鼓和螺旋输送器的设计计算。 由于本论文是针对企业的项目，因此要求设计的离心机不仅能满足一般的设计的要求， 更重要的是能满足现场实际的使用。设计的过程中要求严格按照设计手册的具体要求 进行计算，同时根据厂家提出的要求不断的进行修改验算，使设计的结构不仅单个零 6 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 件能够满足各项性能要求，同时各个零件能够满足加工工艺的配合。 1 3 2 课题拟解决的关键问题 在设计过程中，需要解决的关键问题包括以下方面： ( 1 ) 钻井用离心机重要的工作部件转鼓的创新改进： ( 2 ) 提高钻井用离心机整体结构的加工工艺； ( 3 ) 运用m a t l a b 软件进行编程计算。 本设计完成的主要工作是钻井用离心机整体结构的设计计算，同时综合考虑现场 实际使用的需要。本论文在设计的过程中主要参数的确定，其中一些主要参数的确定 是由厂家提出的，其余的参数的设计是根据相应的公式同时根据要满足的设计条件计 算求得的。本论文运用c a d 绘图软件绘制了离心机的主题装配图，并且考虑加工工艺 拆分了零件图，同时为了使设计的离心机的装配关系更加形象的展现出来，运用 s o l i d w o r k s 软件绘制了整机的三维模型。 1 4 课题拟采取的技术路线 ( 1 ) 查阅国内外相关的资料，对目前使用的钻井用离心机进行研究进而提出改进 意见； ( 2 ) 离心机主要的工作部件转鼓和螺旋输送器的设计计算； ( 3 ) 通过对重要工作部件的受力分析结果，对离心机的重要部件采取二些改进设 计； ( 4 ) 在对各个部件进行分析与设计的基础上，运用c a d 制图软件绘制离心机的整 体装配图，综合考虑加工工艺的要求绘制离心机的各个零件图； ( 5 ) 通过对钻井用离心机的整体研究，运用s o li d w o r k s 建模软件设计离心机的 整机结构，并且根据整体结构对离心机实际的实际布置进行设计。 1 5 本设计的创新性和可行性 本设计为油田专用的钻井用离心机，由于目前的钻井液离心机在使用过程中存在 很多缺陷：比如转鼓的转速比较低、钻井液的处理量比较小、某些重要的零部件容易磨 损( 其中最主要的轴承的磨损) ，这些存在的问题导致离心机的实际使用过程中不能满 7 第一章绪论 。 一 足钻井队的使用要求。其次由于存在动平衡的问题，使得离心机在实际使用的过程中， 振动比较大，严重时影响离心机的正常工作。因此针对此种种情况对离心机输送器的 螺旋叶片进行了耐磨处理，选用性能比较好的轴承来满足实际使用的需要。通过对油 田上实际使用的离心机进行调研，对离心机的转鼓进行了一些改进【1 0 。1 1 】，经过改进可 以有效的减小离心机由于动不平衡引起的振动【明，使离心机在比较安全的情况下进行 工作。 1 6 预期成果 由于本论文是针对企业的实际使用设计，要求通过本论文的设计研究，使设计制 造出来的离心机能够满足实际生产能力的要求、使用性能、寿命都能够达到钻井队实 际生产的需要，这就对离心机的设计提出了更高的要求。这样的话要求设计的离心机 的整机结构不仅能够满足配合的要求，同时要求对离心机的重要工作部件进行反复的 校核计算，对离心机中的某些部件的选取要综合考虑多方面的因素。在设计过程中， 有些零部件的选择可能满足理论的要求，但在实际使用时可能满足不了现场生产的要 求，这时就需要对离心机的不满足要求的部件重新进行设计选择，同时考虑加工工艺， 需要对绘制出来的图纸进行几次反复的校核检查，直到能够满足实际生产的要求为止。 8 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 2 1 离心机的分类 第二章钻井用离心机的简介 根据离心机的工作原理分析，离心分离的过程可以分为两大类过程即离心过滤和 离心沉降，与这两种过程相对应的离心机类型为过滤式离心机和沉降式离心机。 离心机的过滤过程若从广义的角度理解一般主要包括加料、过滤、冲洗、出液、 卸渣等。在狭义的层面上理解，离心分离过程可以看做分离滤渣和压紧滤渣两个物理 阶段，其中滤渣的分离过程与生产生活中的过滤没有区别，区别在于推动力的不同， 滤渣压紧的过程与平时所说的压紧存在原理上的根本不同0 1 。 离心沉降的过程同样主要分为两个物理阶段即固体颗粒的沉降与密集沉渣层的形 成。其中固体颗粒在沉降过程中可以运用固体在流体中运动的规律，密集沉渣层的形 成符合土壤力学的基本规律1 9 。再往下划分，离心沉降本身又可以分为离心分离和离 心沉降两个过程。 离心机的分类形式有很多种，根据不同的分类标准可以分为不同的类型。比如可 以根据以下标准进行分类：分离原理、操作方法、机构形式、操作目的、卸料方式、 分离因数等等。大体上的分类如下图所示，本次设计的是卧式沉降卸料离心机。 图2 - l 离心机的分类 f i g 2 - 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fc e n t r i f u g a lm a c h i n e 9 第二章钻井用离心机的简介 2 2 离心机工作原理的介绍 2 2 1 工作原理的介绍 在科学研究和实际的生产过程中常用的离心沉降的方法一般有以下三种：( 1 ) 离 心机中先装入一定量的的分离液，在离心机的分离过程中不再向其中加入钻井液也不 向外排出分离液和沉渣，比如试管离心机；( 2 ) 在离心分离的过程中不断加入和排出 分离液，沉积在离心机内部的沉渣在离心机停止工作时排出机外，比如间歇式沉降离 心机、管式高速离心机均属于此种类型；( 3 ) 在分离过程中一直不断的向离心机中加 入分离液，同时及时排出分离液和沉渣，比如螺旋沉降离心机，本设计采用的也是此 种类型的离心机【1 7 2 1 1 。 离心机是运用离心力对液一固、液一液一固、液一液等非均相混合物进行分离操作 的机械。离心机的工作特点是：在分离的过程中被分离的混合物不需进行任何化学反应， 是一种仅通过机械方法即可对固、液两相实现分离的机榭”1 。离心分离的目的有： ( 1 ) 回收有价值的固相；( 2 ) 回收有价值的液相；( 3 ) 固相和液相都回收；( 4 ) 固相和 液相都排掉。 离心机主要是运用离心力进行工作，通过转鼓和螺旋输送器的不同转速，实现对 钻井液的固液分离，同时回收钻井液中的有用的固体颗粒【引。 离心机的转鼓两端支撑在机壳的大轴承上，螺旋输送器的两端支撑在转鼓内部的 轴承上，螺旋输送器的叶片与转鼓内壁之间留有一定的间隙，用来排出液体和分离出 来的固体颗粒。螺旋输送器和转鼓之间通过差速器形成一定的转速差，这是形成离心 力的原因，是离心机能够实现分离的前提。当钻井液由进料管进入离心机中后，在离 心力的作用下钻井液中的固体颗粒被甩到转鼓壁上，由于螺旋叶片与转鼓存在的相对 运动，在螺旋叶片的推力作用下，沉降在转鼓内壁上的沉渣沿着转鼓内壁向前运动直 到排渣口排出，一般采用在转鼓的大端盖上开设有若干溢流口，被分离出来的澄清液 从溢流口排出，整体的示意图如下图所示。 1 0 中囝石油丈学( 华东) 硕十学位论文 图2 - 2 离心机结构示意图 f i g 2 - 2 t h es t r u c t u r eo fc e n t r i f u g a lm a c h i n e - 逸鼢 2 2 2 主要的传动部件 离心机主要由主机、供液系统、控制系统三大部分组成。主机主要由主驱动电机、 液力耦合器、主( 辅) 皮带传动装置、辅驱动电机、行星齿轮变速箱、转鼓、螺旋输 送器以及机架等构成。主机部分的传动关系为：主驱动电机经液力耦合器、主皮带轮 传动装置带动转鼓旋转。辅驱动电机经辅皮带轮传送装置、行星齿轮变速箱带动转鼓 内的螺旋输送器旋转。转鼓是离心机的核心工作部件，固液分离在此进行。转鼓一般 采用一段圆柱简体和一段圆锥形简体组成的柱锥形式碑章鼓的小端有固相颗粒排出口， 大端有净化后的澄清液排出的溢流口。螺旋输送器安装在转鼓的内部，它主要由简体 以及镶嵌在简体上的螺旋叶片组成，小端有进液口，钻井液由此进入滚筒内部，离心 机工作时转鼓和螺旋输送器的旋转方向相同，但转鼓的转速比螺旋输送器稍快一些。 因此从转鼓的角度来看，输送器是朝着相反的方向旋转的。正是由于转鼓和螺旋输送 器的不同转速，钻井液从螺旋输送器上的进料口输送到转鼓的内部，输送器旋转所产 生的离心力把钻井液中的固相颗粒甩到转鼓内壁上，输送器的叶片把贴在转鼓壁上的 固相刮下来，推到排出口，排出机外。 差速器是离心机重要的工作部件，离心机上使用的差速器一般采用行星齿轮的形 式。行星齿轮变速装置主要由太阳轮、行星轮、系朴和内齿圈组成。行星轮安装在系 杆上，太阳轮绕固定的轴线旋转。当太阳轮带动行星轮旋转时，行星轮有两种运动形 式：一方面它围绕自己的轴线自转，另一方面又围绕太阳轮的轴心公转。公转速度即 为系杆的旋转速度。当内齿圈也绕固定的轴线旋转时，系杆的旋转速度与各个齿轮的 齿数和内齿圈的运动有关。改变太阳轮或者内齿圈的转速和方向，系杆的转速也会随 l l 第二章钻井用离心机的简介 叠蕊庄轴毽蜘：下摭鲫承毳 缳寥稻聋尝辩盼r | f 荨弃勰托镭罗管 叶 一一州浚门 图2 - 3 离心机传动示意图 f i g 2 - 3t h ed r i v er e l a t i o no fc e n t r i f u g a lm a c h i n e 启动滚筒的时候一般受到惯性力矩的影响，启动力矩过大，从启动到达到正常转 速的时间较长，电动机会因此而过热。为了避免过热而引起主驱动电机的损坏，一般 在离心机中使用液力耦合器，液力耦合器又称为液力连轴接，它是一种依靠液体来接 收和传递动力的装置，主要由输入轴、泵轮、涡轮、壳体和输出轴等组成。一般泵轮 与输入轴相连；涡轮、壳体与输出轴相连。泵轮和涡轮都有辐射装分布的叶片，泵轮 的作用与离心泵相同，泵轮旋转时，液体从中获得能量，从中心流向边缘，使有能量 的液体冲击涡轮，迫使涡轮旋转，从而完成动力的传递。主驱动电机带动泵轮旋转， 涡轮经输出轴、皮带传动装置带动转鼓工作。由于动力传递是依靠液体来完成的，壬 动轴和被动轴之间没有直接的联系，因此传动比较柔和，同时电动机直接驱动的是泵 轮，而不是转鼓，因此电动机不受转鼓惯性力的直接影响，电机启动后能很快达到正 常的工作转速，从而减轻了电动机发生的过热现象。 液体在运动时会摩擦生热，为了散热，耦合器外壳上铸有散热片，为了安全，液 力耦合器上一般还装有易熔塞，当转鼓因启动困难使油温过高时，易熔赛溶化，工作 油排出，动力装置被切断，从而保证了设备安全，离心机的供液装置一般由电动机、 变速箱、螺杆泵、进液管、进水管、排液管和控制箱等部件组成。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 3 微观介绍 一般来说，离心沉降的分离过程就是使分离液中的固相颗粒被分离出来，固相颗 粒的沉降过程一般分为以下两种情况： ( 1 ) 当固相的浓度超过一定的极限值，并且固相颗粒的大小分布比较均匀，那么 在沉降过程中可能出现集体沉降现象，即在沉降的固相和分离的澄清液之间出现明显 的界限。 ( 2 ) 当固相的浓度低于沉降的极限值时，由于大、小固体颗粒的沉降速度各不相 同，在被分离出来的固相和液相之间不会出现明显的界限。这种情况称为自由沉降现 象。 固体颗粒在流体中运动要受到介质的阻力作用，当颗粒在重力场中运动时，分析 如下：在运动的开始阶段粒子处于加速状态，粒子所受的阻力随着其速度的增大而增 大，当粒子所受的阻力与其重力相等时，此时粒子达到最大速度，称为重力沉降的最 终速度。因此对于型号确定的离心机，它的分离效果是已以定的，不可能无限增大【2 5 - 3 0 】。 同时固体颗粒的形状和浓度也会对沉降速度产生一定的影响。固体颗粒在流体中 运动时，它所受到的阻力与它的横截面积和表面积有关。一般来说对于体积相同的粒 子来说，球形颗粒的表面积和横截面积最小，因此在液体中所受的阻力也最i x非球 形的粒子所受的阻力较大并且受力比较复杂，沉降速度也比较慢。因此在进行计算时， 对于非球形颗粒采用其当量直径进行计算。通过实验分析，当分离液的固相浓度到达 一定数值后，会出现阻滞沉降现象，即固体颗粒的沉降速度小于其自由沉降速度，并 且随着浓度的增加而快速降低【1 6 1 。 在一定的离心力场作用下，当固体颗粒小到一定的尺寸从而不能被离心分离时， 称为此离心力场的离心沉降分离的极限。这个时候的固体颗粒的尺寸称为粒子的极限 粒子直径，极限粒子直径是相对于一定的离心力来说的，离心力越大则对应的粒子直 径越小。因此我们在进行离心机的设计计算时，一般需要确定一定的分离直径，即能 够被分离出来的最小的粒子的直径，对于本次设计，我们计算时，离心机所能分离的 最小的粒子直径是1 0 微米。 一 2 3 离心机的组成 钻井液离心机主要用于控制钻井液的密度、粘度、降低钻井液的固相含量【3 1 ，同 时清除钻井液中的有害的固相颗粒或者是回收钻井液中的重晶石，并且对旋流分离器 1 3 第一二章钻井用离心机的简介 进行二次回收利用以保证钻井液的优良性能，同时可以提高钻井的速度，在钻井工程 中有很大的作用【1 引。 经过离心机处理后的钻井液不仅能够控制其密度、粘度，同时可以使其中的含砂 量大大降低，从而减轻了设备的磨损，提高了设备的使用寿命，可以收到明显的经济 效益和社会效益【2 1 。其中合理的设计、较大的处理量、简单的操作、方便的维护、配 件供应的齐全是设计的离心机能够被广泛使用的重要保证，因此在设计过程中需注意 上述要求。 钻井液离心机主要由主电机、耦合器、差速器、滚筒总成、小爬犁上盖、小爬犁 底座、小爬犁箱体、辅电机、防爆型离心机控制装置和大底座以及其它辅助设备等部 分组成，大体的结构示意图如下所示。 图2 - 4 离心机示意图 f i g 2 - 4t h ed i a g r a m m a t i cd r a w i n go fc e n t r i f u g a lm a c h i n e 转鼓总成主要由柱滚筒、锥滚筒、大小端法兰轴和输送器等部件组成。柱锥滚筒 通过两端的大、小法兰轴与输送器同心的安装在小爬犁两端的轴承座上；差速器输出 花键轴，通过花键轴与输送器的花键套联接。机壳通过连接法兰与转鼓总成的大端法 兰轴连接传动，通过调整差速器输入轴的转速和主皮带轮的转速，可以得到不同的转 速差。转鼓的大端法兰轴的法兰上设计有可以调节液池深度的溢流板，通过调节溢流 挡板可以改变溢流孔的遮挡面积，从而控制沉降区的大小，因此可以改变离心机的分 离效果。 输送器主要由柱锥形简体、隔板、连接板、焊接而成的螺旋叶片、内尾法兰轴、 花键套和花键轴等部件组成。螺旋叶片均匀的焊接在简体上，一般为了增加螺旋叶片 的耐磨性和使用寿命，采用在叶片的上表面周围镶嵌一些硬质合金块的方法，同时在 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 筒体的锥段上开一些圆孔，在圆筒的周围喷焊耐磨的硬质合金，花键套在筒体柱段上 和花键轴相联接。 一般情况下离心机采用渐开线行星齿轮差速器，它由两级行星齿轮传动组成。太 阳轮、行星轮的表面一般都需要进行表面硬化处理，使其获得较高的承载能力，并且 在差速器的输入轴端安装有扭矩过载保护安全销，当输送器的推料扭矩过载时，为了 保护离心机不被损坏，安全销被切断。在重新启动离心机之前，需要拆下轴端盖，换 上新的安全销。 电控箱采用电器连锁装置来控制主、辅电机，启动时，必须先启动辅电机，大约 在2 0 秒后再启动主电机；停机时，先按下停止按钮，在主电机停止运行后，大约3 0 秒左右，电器连锁装置自动切断辅电机电源，辅电机停止运行。一般在离心机上还装 有专门的供浆防爆断路器，只有在主电机启动后，防爆器切断电路才能启动供浆泵电 机，从而方便的控制供浆泵的开启。 2 4 影响离心机分离的主要因素 1 分离因数 离心机是利用离心力进行分离工作的，钻井液在离心力场中要