（机械工程专业论文）钢质连续抽油杆的研究与应用.pdf

摘要 介绍了钢质连续抽油杆的性能、特点，通过比较说明了钢质连续抽油杆相对于普通 抽油杆的优越性。通过分析钢质连续抽油杆的国内外发展现状，并结合其在油田现场的 应用情况，认为钢质连续抽油杆有着广阔的发展前景。通过查阅国内外相关的文献资料， 以及到全国的各地油田、相关设备的生产厂家进行调研，研究制订了钢质连续抽油杆生 产的技术路线及工艺过程，并对生产钢质连续抽油杆的专用设备进行了分析和设计。结 合钢质连续抽油杆的现场试验与应用，认为钢质连续抽油杆故障率低，能有效提高油井 的产量，降低修井作业与检泵费用，降低能耗，节约电费。对钢质连续抽油杆的生产进 行了经济效益分析，认为钢质连续抽油杆的开发成功及应用具有十分明显的经济效益和 社会效益。对目前存在的问题和需要改善的方面进行了研究和分析。 关键词：铜质连续抽油杆，研制，应用 t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so ft h ec o n t i n u o u ss t e e ls u c k e rr o d c h e n gp e n g ( 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 x ux i n g p i n ga n dw um i a o f a a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o n t i n u o u ss t e e ls u c k e rr o d ，a n di l l u s t r a t e s i t ss u p e r i o r i t i e s ，c o m p a r i n gt h eo p e r a t i o no fw e l l sw i t hc o n v e n t i o n a ls u c k e rr o dw i t ht h a to f w e l l sw i t hc o n t i n u o u ss u c k e rr o d t h ep a p e ra l s oi n v e s t i g a t e st h ea c t u a l i t i e so ft h ec o n t i n u o u s s t e e ls u c k e rr o db o t hh e r ea n da b r o a da n di t sa c t u a la p p l i c a t i o n si nt h eo i lf i e l d i ti sb e l i e v e d t h a tt h ec o n t i n u o u ss t e e ls u c k e rr o dw i l lh a v eaw i d ep r o s p e c t t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gi nt h eo i l f i e l d sa n dr e f e r r i n gt ot h ed o c u m e n t sa n dd a t ab o t hh e r ea n da b r o a d ，w es e tu pt h et e c h n i c a l p r o c e s s e sa n dd e s i g nt h es p e c i a le q u i p m e n t sf o rt h em a n u f a c t u r e so ft h es t e e lc o n t i n u o u s s u c k e rr o d s t h r o u g ht h et e s ta n da p p l i c a t i o n so ft h ec o n t i n u o u ss t e e ls u c k e rr o d ，w eb e l i e v e t h a ti to f f e rd i s t i n c tp r o d u c t i o ne n h a n c e m e n ta n dc o s ts a v i n g sa d v a n t a g e st or o ds t r i n g a p p l i c a t i o n s t h ep a p e ra l s oa n a l y z e st h ee c o n o m i cb e n e f i t so fm a n u f a c t u r eo f t h ec o n t i n u o u s s t e e ls u c k e rr o d i ti sb e l i e v e dt h a tt h e s u c c e s s f u ld e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so ft h e c o n t i n u o u ss t e e ls u c k e rr o dh a v eo b v i o u se c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：c o n t i n u o u ss t e e ls u c k e rr o d ，r e s e a r c h , a p p l i c a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名。簿 日期2 。印年7 2 月2 口日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：如。7 年r 2 月2 。e 1 日期。印年，月y 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究目的和意义 有杆采油是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一直占主导 地位的人工举升方式。在我国各油田的生产井中，大约有8 0 是使用有杆抽油技术采油 的。目前，胜利油田和我国其它陆上油田一样，已进入开发后期，开采难度越来越大。 例如胜利油区低渗透油藏的探明储量约占油区总探明储量的1 3 ，低渗透油藏油层普遍 埋藏较深，埋深大于3 0 0 0 m 的储量占5 8 2 【”。目前，生产中常用的普通抽油杆为d 级 抽油杆，难以解决石油开采中出现的各种问题【2 卅： ( i ) 近几年来，钻井工业不断采用新技术和新方法：如打定向井、水平井等。虽 然这些井的优点很多，但也给采油工业带来了难题。用常规有杆采油系统开发这些油井 时，与直井采油相比，这些井中的抽油杆在工作时和油管的摩擦及磨损将会加剧： ( 2 ) 据统计，我国开采的稠油井已有1 2 0 0 0 多口，它们有的是用蒸汽热驱采油， 有的则使用常规方法开采，大多数油井存在因油稠面常规钢制抽油杆下行困难的问题， 造成井下泵不能充满、泵效低等问题，这主要是由于常规钢制抽油杆接箍的活塞效应加 大了杆柱的下行阻力： ( 3 ) 我国东部及西部油田的大多数油层埋藏较深，特别是处于开采后期的油井， 为了保证产量，往往需要加大泵挂深度。但由于受到抽油杆强度和重量的限制或抽油机 负荷的限制，这种办法难以实现； ( 4 ) 用传统的有杆采油设备开采粘度较大的原油时，普遍存在着泵不能充满、泵 效低的问题，为此，螺杆泵得到了广泛应用。但用普通的接箍连接的钢制抽油杆或空心 抽油杆驱动螺杆泵会出现许多问题，如接箍与油管的摩擦问题等： ( 5 ) 普通的钢抽油杆每根长约8 米，下入井中时，用接箍将杆一根一根接起来， 工作人员费时费力：将抽油杆从井中起出时，又要将抽油杆一根一根卸开，费时费力， 工作环境差，工作效率很低。 以上这些也是世界各国在石油开发中普遍遇到的难题。为了解决以上问题，世界各 国的石油工程技术人员提出了许多方法。钢质连续抽油杆是解决以上问题的最佳方法之 一d 第一章前言 1 2 钢质连续抽油杆的特点 钢质连续抽油杆的基本原理是将原来的用螺纹接箍连接的杆柱，去掉了螺纹和接 箍，改为将3 0 0 米长的抽油杆用闪光对焊，组焊成等强度的2 0 0 0 3 0 0 0 米长的一根连续 的抽油杆柱，这样就彻底解决了因螺纹和接箍原因所造成的失效。减轻了杆柱的重量， 减少了原油从井底到地面的流动阻力，因此减少了能源消耗：降低了油秆与油管的磨损； 在相同的管柱里可下入较大的杆柱从而可以加大下泵的深度5 1 。与此同时简化了抽油杆 的生产工艺，节约了钢材。 1 2 1 选用优质合金钢 钢质连续抽油杆用钢为：4 1 2 0 m 和1 5 3 6 m ，其中以4 1 2 0 m 为主【6 1 。这两种钢都不是标 准牌号用钢，是根据钢质连续抽油杆的特点及服役条件，专门为之设计的，采用先进的 冶炼方法和制造工艺使其具有较高的强度、韧性和良好可焊性【刀，从而满足疑难井的恶 劣环境的要求。 1 2 r 2 先进的制造工艺 抽油杆的失效形式主要是疲劳失效。抽油杆疲劳强度直接决定其疲劳寿命，目前， 提高疲劳强度方法主要有：感应淬火；形变热处理；细化晶粒；抛丸强化； 滚压；渗c ，渗n ，c 、n 共渗引。 钢质连续抽油杆的生产工艺流程为： 吨垂卜_ 咂亟垂卜坦 由钢质连续抽油杆的生产工艺可以看出：钢质连续抽油秆的生产除渗c ，渗n ，c 、 n 共渗外，几乎采用了所有可以提高疲劳强度的方法，这对提高钢质连续抽油杆的疲劳 寿命大有好处。 1 3 钢质连续抽油杆的优越性 与普通抽油杆相比，连续杆具有优越的使用性能： ( 1 ) 可大幅度降低抽油杆失效频率 普通抽油杆连接部分( 接箍、螺纹接头、锻造部分和锻造加热过渡区) 的失效数占 总失效数的6 5 8 0 e 6 1 ，而钢质连续抽油杆取消了连接件，从而可以大大减少抽油杆的 失效频率。连续杆的抗拉强度较常规杆高1 0 6 1 2 2 倍，破断拉力较常规杆高1 0 5 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 2 1 倍 9 - - 。物理性能好。 ( 2 ) 可减少抽油杆与油管的磨损 抽油杆杆柱和油管摩擦造成的磨损与相互间的垂直压力、承压面积、相互接触的长 度和时间有关。连续抽油杆能够减少磨损，是因为它具有一个半径为6 3 5 m m 的圆弧截 面，在横截面上，与现有的任何油管都是两点接触，而普通抽油杆的接箍与油管则是一 点接触。这样，每7 6 m 长的连续杆与油管就有1 5 2 m 的接触长度，而普通抽油杆接箍 与油管的接触长度仅为1 0 0 1 1 2 r a m ，两者的承压面积之比为1 5 0 ：l 【6 】。承压面积的增大 使磨损大大减少，尤其是弯井、斜井和定向井，效果更为显著。 ( 3 ) 可降低抽油杆的工作应力 由于连续杆没有了接箍和丝扣，并根据每口井的井况设计成锥形，可比同样长度的 普通杆重量轻8 1 0 【1 ”。 ( 4 ) 可提高泵效，增加油井产量 抽油泵柱塞的有效行程计算公式为也】； s = 船一警c 寺+ 旁 m ， 其中：s 为柱塞有效行程，m ；k 为系数；s 为光杆冲程，m ；。j 为作用于柱塞全 截面上高度为动液面深度的液柱静载荷，n ；e 为钢的弹性模量，取值2 1 1 0 p a ；l ， 为每一级抽油杆柱长度，m ：五为每一级抽油杆的横截面积( 卢1 ，2 ，) ，m 2 ；l 为抽油 杆柱总长，m ；万为油管壁的横截面积，m 2 。 由于钢质连续抽油杆的横截面积比普通抽油杆的大，根据式( 1 - 1 ) 可以看出，在其 他参数相同时，抽油杆的横截面积越大，则柱塞的有效行程也越大。因此，钢质连续抽 油杆的使用能提高泵效。从而增加油井产量。 ( 5 ) 可提高作业速度、减轻劳动强度 每口井用一根连续抽油杆柱，利用连续杆作业车，其下井和提升速度为2 5 3 0 m 分钟，与普通抽油杆相比，其速度提高3 倍以上，劳动强度降低9 0 。 ( 6 ) 可降低减速箱扭矩 由于连续抽油杆柱较普通抽油杆柱轻，因此可减轻抽油机减速箱扭矩1 0 8 1 。 ( 7 ) 可减少结蜡 普通抽油杆杆体上结蜡很少，而在接箍周围由于产生压力降，随之而来的气体析出， 第一章前言 使这个区域发生局部冷却而结蜡，而连续杆没有接箍，表面喷镀了涂料，因而减少了结 蜡1 1 3 1 。 1 4 国内外发展现状 钢质连续抽油杆是加拿大c o r o d 公司6 0 年代开发的具有半椭圆截面和圆截面的抽 油杆，截止2 0 0 1 年5 月，加拿大c o r o d 制造有限公司是世界上唯一能够生产钢质连续 抽油杆的公司。该公司于1 9 6 5 年开始研制连续抽油杆，1 9 6 8 年研制成功。到1 9 8 6 年， 连续抽油杆已在加拿大、美国、原苏联和委内瑞拉的2 6 0 0 口抽油井中使用，最长的连 续抽油杆达3 5 0 0 米，使用效果良好【l l 】。 八十年代中期，大庆油田曾引进c o r o d 连续抽油杆及作业设备，但由于当时受到配 套技术跟不上、运输受限、控制原油成本等诸多因素的制约，未能推广应用。1 9 9 9 年， 美国哈斯基( h u s k y ) 公司在中原油田承包濮城油田的一个试验区块三十口井，它们在 十七口油井中应用钢质连续抽油杆进行开采，但由于一些非技术方面的原因，c o r o d 公 司撤回了作业设备，致使该产品没有进一步推广。2 0 0 0 年6 月，胜利油田机械公司收购 了大庆油田引进的c o r o d 连续抽油杆和作业设备，在胜采、东辛、桩西、滨南等几个采 油厂试用，最大下泵深度达3 0 0 0 米，实现了深抽，提高了单井产量，能够解决一些斜 井、水平并、偏磨井、深井等疑难井的机采问题，取得了良好的使用效果。 由于钢质连续抽油杆具有很光明的市场前景，但从国外进口，需要巨额的外汇，还 受原材料等条件的制约，为了打破国外的技术垄断，拥有自己的知识产权，2 0 0 0 年，工 程机械总厂和胜利油田机械公司等达成协议，合资共同研制钢质连续抽油杆，自主开发 该项新工艺、新技术。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章研究开发过程 通过查阅大量国内外相关的文献资料，还到全国的许多油田、相关设备的生产厂家 进行了调研，在此基础上，确定了生产目标和生产工艺。 2 1 技术路线与制造工艺概述 实现这项目的技术路线是：研究制造连续抽油杆各项工艺及实现这些工艺的专用 设备；设计建造一套连续抽油杆的下井作业设备。 其制造工艺主要是：用直径2 5 - 3 0 毫米，长度为3 0 0 4 0 0 米的盘圆，经除锈，校直， 进入对焊机，将原料杆经对焊机焊接到一定长度，然后进入轧制成型机，该机包括轧制 前的电感应加热，再进入滚子成型机上轧制成椭圆杆，再经感应加热，淬火，再加热回 火；连续抽油杆经储存框后再进入喷丸机，表面处理后再经涂油机涂油。最后按照用户 要求将不同直径的杆以规定长度焊接在一起，经过超声探伤和磁粉探测后存于杆框中并 加标记 2 2 国外钢质连续抽油杆制造工艺情况分析 加拿大c o r o d 公司是以前世界上唯一生产钢质连续抽油杆的公司。其生产线分为 三条线，即焊接生产线、热处理生产线、杆柱组装生产线。 i 焊接生产线 将原材料卷盘放在支架上，通过开卷机和校直机将原材料拉直，使其恢复弹性，然 后进行漏磁探伤。如果发现材料有缺陷，将有缺陷的部分切掉，再用闪光对焊机将断开 的材料杆对焊起来，接着通过牵引机将拉直的杆盘到大的储存盘上。盘完一卷原材料卷 盘后，在支架上再放上一盘原材料卷盘，开卷并校直，用闪光对焊机把新卷盘上的圆钢 头与上一卷盘的圆钢尾焊接起来，并用超声波检测其焊缝质量，然后把焊接起来的圆钢 卷到储存盘上。焊接生产线流程图如下图2 - 1 所示。 图2 - 1c o r o d 焊接流程图 f i 9 2 - 1c o r o d sw e l d i n gf l o wd i a g r a m i i 热处理生产线 热处理生产线流程图如图2 2 所示： 5 第二章研究开发过程 一感应加热回火h 空净h 抛丸强化卜1 援拉牵；oh 防腐h 收卷i 厂 广 广 厂 厂 广1 图2 - 2c o r o d 热处理流程图 v i 9 2 - 2c o r o d st h e r m a lt r e a t m e n tf l o wd i a g r a m 圆钢经喷丸清理后，通过给料机传入第一号感应加热机组进行加热，随之滚压成半 椭园形，然后喷水淬火，并送入第二号感应加热机组进行加热回火，空冷后，进行喷丸 强化，经拉拔牵引后喷防腐层，再卷到圆盘上。 i i i 杆柱组装线 杆柱组装线工艺流程图如图2 3 所示： 不同规格的钢质连续抽油杆，通过导向牵引机，利用闪光焊机将一种规格的钢杆和 另一种规格的钢杆焊接起来，并对焊缝进行局部热处理，用超声波进行检查，然后通过 给料机喷涂防腐层，最后卷到圆盘上，这样就制造出一条连续抽油杆。 堕 圣田 图2 - 3c o r o d 杆柱组装流程图 f i 9 2 3c o r o d s r o da s s e m b l yf l o wd i a g r a m 2 3 设计的工艺方案 根据c o r o d 公司连续抽油杆生产线工艺流程，结合我国实际情况及工厂情况，与国 外有几点不同： ( 1 ) 国外的原材料轧钢水平高，其原材料没有探伤，我国轧钢水平较国外尚有距 离。因此，对原材料最好进行探伤。 ( 2 ) 国外闪光对焊自动化程度、工艺成熟。我国专业化自动闪光焊机制造水平不 是太高，连续抽油杆按品种多、焊接工艺难度高、焊接质量要求高，最好先上一台对焊 机。焊接工艺成熟后再上第二台。 ( 3 ) 原材料开卷焊接生产和杆柱组装线的生产速度较快，这两条生产线合并后也 能满足需要，能减少台对焊机和一台探伤仪。因为对焊机和探伤仪均为专用设备，最 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 好一台一台的上较为稳妥。 签于以上原因，结合实际，确定连续抽油杆的生产线工艺流程如下： i 焊接生产线 图2 4 焊接生产线 f i 9 2 4w e l d i n ga s s e m b l yl i n e i i 热处理生产线： i 兰兰墨兰h 竺兰竺h 竺苎竺兰里h 兰竺h 竺竺兰兰卜 r _ 1r 1r r _ 1r 4 圈 图2 _ 5 熟处理生产线 f i 9 2 - 5t h e r m a lt r e a t m e n ta s s e m b l yl i n e 其工艺流程特点： 原材料焊接线与杆柱组装线合并，则闪光焊机和探伤仪各节省一台，投资少。这 种专用的设备，先以单机投入比较稳妥，以后工艺成熟后再投入。 原材料焊接线与杆柱组装线中的探伤对原材料和被组装的连续杆均探伤，而且由 一台探伤仪来完成，只需要换探头即可，这样投资少，使用率高，能够满足探伤的工艺 需求。 该流程合理，工艺性能好，容易实现工序集中的自动化生产。 7 第三章工艺研制内容及技术关键 第三章工艺研制内容及技术关键 3 1 技术关键与难点 连续抽油杆项目的主要技术创新在于：改变了用螺纹接头和接箍相连的传统，使抽 油杆由短的单根变为一整根，从而带来一系列的技术创新；如抽油杆的制造工艺及专用 设备运输，下井方式等的改革。 为使单根抽油杆下入井中，必须设计新型的下井作业设备；该设备采用液压机械夹 持及提升连续抽油杆，并把它送入井眼中。 把连续抽油杆下端与井下抽油泵和加重杆相连接，上端与抽油光杆相连接，以及要 下到有一定要求的深度，使连续抽油杆达到要求的长度，是下连续抽油杆必须解决的又 一个难题。为此必须设计一台能运移的活动焊接车，而且限于条件只能采取接触焊，能 在井场把连续抽油杆与抽油短杆和接头相焊接，以便于把定长度的连续抽油杆与光杆及 抽油泵相连接。 如何运输长达3 0 0 0 米左右的连续抽油杼也是一个难点，为能在公路上行驶，设计 了直径达5 8 米的拦框，整根的连续抽油杆装于其中，并将其装在拖车上，运输时由主 车拖动送到井场。 由于国内无专业设备和生产厂家，本项目必须自行建厂并设计制造专用设备。 制造工艺为：准备工序一开卷校直除锈电弧对焊储存。( 可储 存8 0 0 1 0 0 0 米的储存框) 成型及热处理工序：除尘除锈电感应加热轧制成型电感应加热水 淬火加热回火喷丸检验涂油存储。 杆柱组装工序：本工序是为用户依照下井杆柱设计，把不同直径的连续抽油杆，组 装焊接到一起，形成等强度的抽油杆柱。主要包括：焊接探伤检验存储。 根据以上工序要求设计相应的机械设备。 该项目的关键技术和需进一步解决问题： ( 1 ) 如何制造连续抽油杆。包括选材、加工工艺、为实现工艺而研制设备和检测 仪器。 ( 2 ) 如何使连续抽油杆下入井中。必须研制特殊的、用于连续抽油杆起下作业的 专用设备，并完善连续抽油杆的操作规程。 ( 3 ) 如何运输长达8 0 0 3 0 0 0 米的连续抽油杆。为此，必须研制专用运输工具。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 3 2 产品采用标准 连续抽油杆的机械性能各参数执行g b 7 2 2 9 8 7 标准。而其制造质量则执行企业标 准q s j g 0 1 2 0 0 0 。 3 3 原材料选择 据资料介绍，国外钢质连续抽油杆用的材料有四种，美国钢号分别为：1 5 3 6 m 、 4 1 2 0 m 、4 1 3 0 m 、u l t r a l 5 0 ，其化学成份如表3 - 1 所示： 表3 1 各种钢的化学成份 t a b l e 3 - 1c h e m i c a lc o m p o n e n to f t h es t e e l 钶号 影存 1 5 3 6 m4 1 2 0 h 14 1 3 0 mu 1 t r a l 5 0 c0 2 8 - 0 3 20 1 8 - 0 2 30 2 3 0 2 8 o 2 1 0 2 7 m n1 1 0 一l | 3 00 4 0 - 0 6 00 4 0 一o 6 01 4 0 - 1 6 0 p0 0 1 5o 0 1 50 0 1 50 0 0 8 so 0 l o 0 1 o 0 10 0 0 5 s i0 1 5 - 0 3 5o 1 5 0 ，3 5o 1 5 一o 3 50 1 0 n io 2 50 1 5 - 0 2 50 1 5 0 2 50 2 0 一o 3 5 c r0 2 51 8 0 - 2 0 0 1 8 0 一2 0 0 1 8 0 - 2 0 0 m oo 0 50 2 0 - 0 3 00 2 0 一0 3 0 a to 0 2 一o 0 50 0 2 - 0 0 5o 0 2 0 0 50 0 1 5 0 0 5 c u0 3 50 3 5o 3 50 3 0 0 4 0 取实物化学成份分析如表3 - 2 所示： 表3 - 2 化学成份分析 t a b l e 3 - 2 a n n l y s i so f t h ec h e m i c a lc o m p o n e n t 规格 杉辫 5 #6 #8 # c0 2 2o 2 2o 2 1 m n0 4 8o 4 60 4 5 p0 0 1 5o 0 1 60 0 1 6 s0 0 0 90 0 0 50 0 0 5 s i0 2 0 70 1 7 1o 1 7 1 n i0 0 4 10 1 8 80 1 8 9 c r1 8 21 8 81 9 0 m oo 1 9o 1 7o 。1 7 a 10 2 0 30 2 2 80 2 2 7 c u0 0 2 70 0 2 l0 0 2 0 从上表化学分析的结果可以看出，这三种规格连续杆的原材料均应为4 1 2 0 m 。 9 第三章工艺研制内容及技术关键 采用我国抽油杆制造用钢2 0 c r m o 材料与4 1 2 0 m 材料，用连续抽油秆作业车焊机在 同等条件下做焊接试验，2 0 c r m o 材料不能满足焊接力学性能要求，而进口的4 1 2 0 m 材 料能满足焊接力学性能要求。根据检索到的有关资料介绍，4 1 2 0 m 材料是加拿大c o r o d 公司经过焊接性能试验优选出来的制造钢质连续杆的较为理想的钢种。因此，项目组决 定直接采用该材料并委托上海宝钢进行研制。 3 4 连续抽油杆力学性能及焊接性能要求 钢质连续抽油杆均经过了淬火与回火热处理，要求杆体及焊接后其力学性能达到表 3 - 3 所示指标。 表3 - - 3 力学性能指标 t a b l e 3 - 3m e c h a n i c sp e r f o r m a n c ei n d e x 屈服强度抗拉强度伸长率 等级材料试验标准 m p am p a d 级合金钢6 9 07 9 02 0a s t m e 8 - 6 1 t 特殊 合金钢7 9 08 9 51 8a s t m e 8 6 l t 用途 d 级合金钢6 2 0 7 9 3 9 6 5 1 0s y t 5 0 2 9 1 9 9 5 h l 级合金钢 3 5 连续抽油杆的规格 钢质连续抽油杆另一个优点是杆柱截面的变化可以通过改变轧辊来实现。这样杆的 尺寸变化就比较多，因而基本上可以实现等强度设计。在实际使用中，根据采油技术 手册 1 4 1 。研制了钢质连续抽油杆杆柱设计软件，通过分析，确定了合理的钢质连续抽 油杆规格，如表3 - 4 所示。 表3 4 抽油杆规格 t a b l e 3 4s t a n d a r do f t h es u c k e rr o d 名义尺寸单位质最 截面积( 最小)最大直径最小直径 型号 平方毫 mi n c h磅英尺 千克米平方英寸英寸 毫米英寸毫米 米 8 2 8 61 8 1 63 3 85 0 2 | 0 9 9 46 4 21 5 7 04 6 20 7 4 51 8 9 i 7 2 7 01 7 1 63 0 14 4 9 10 8 8 65 7 21 4 3 03 5 6 l0 7 4 51 8 9 1i 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 续表3 _ 4 名义尺寸单位质量截面积( 最小)最大直径最小直径 型号 平方毫 珊皿i n c h磅英尺千克米平方英寸 英寸毫米英寸毫米 米 62 5 41 2 6 73 9 80 7 8 55 0 71 2 6 03 2 30 7 4 01 8 8 5 2 3 81 5 1 62 3 53 5 00 6 9 04 4 51 1 1 52 9 70 7 3 01 & 5 42 2 2 7 8 2 0 4 3 0 4 o 6 0 13 8 81 0 0 5 2 5 50 7 0 01 7 8 l 32 0 6 1 3 1 6 1 7 6 2 6 3 l0 5 1 83 3 40 9 4 02 4 10 6 5 01 6 5 21 9 0 3 4 1 5 02 2 0 4 4 1 2 8 50 8 7 02 2 10 。6 0 01 5 2 i r 72 8 o 1 7 6 4 3 2 54 ，8 3 |o 9 5 3 6 1 51 1 0 0 2 8 o | 1 1 0 02 8 0 i r 62 5 4l 2 6 73 9 8o 7 8 65 0 71 0 0 02 5 4 |1 0 0 02 5 4 i r 52 3 8 1 5 1 62 1 93 2 60 6 4 34 1 50 9 3 82 3 80 9 3 82 3 8 r 42 2 2 7 8 2 0 4 3 0 50 6 0 l3 8 80 8 7 02 2 2；0 8 7 02 2 2 r 32 0 6 1 3 1 6 1 7 62 6 3o 5 1 83 3 4o 8 l o2 0 6 0 8 1 02 0 6 3 。6 生产加工的速度 按一条生产线生产能力3 0 万米年来进行设计，每天生产8 小时，一个月生产2 0 天，确定了钢质连续抽油杆的生产速度： 开卷机的开卷速度为：1 5 米分。 轧机的轧制速度为：1 3 米分。 第四章生产设备的选型及研制 第四章生产设备的选型及研制 为了生产出工艺技术方案中确定的合格的钢质连续抽油杆产品，对主要的生产设备 进行了选型及研制。 4 1 开卷机 从钢厂进的原材料是卷成小盘的圆钢杆，杆产生了严重的塑性变形，没有弹性。为 了使杆恢复弹性，必须先将杆从盘中拉出。因此，根据盘钢的尺寸和开卷力的大小，研 制了开卷机。 4 1 1 确定传动方案 ( 1 ) 机械传动型式的选择 机械传动装置按传递原理分为来两大类： 啮合传动：是靠传动元件的齿强制啮合而进行传动的，例如，齿轮传动、蜗杆 传动和链传动等。其优点是传动可靠、传动比恒定、尺寸小或适中、传递功率大、速度 范围较广、寿命较长、效率高等。但制造设备和技术要求较高，且运行时噪音较大( 蜗 杆传动较小) 。 摩擦传动：是靠传动元件相互之间的摩擦力进行传动的，例如，带传动、摩擦 轮传动等。其优点是结构简单、容易加工制造、工作平稳、噪音小、有较好的吸振、缓 冲合过载保护能力，而且价格便宜，可应用于大中心距传动。但传动比不恒定，尺寸较 大，传递功率和速度范围小，寿命短，作用于轴、轴承的载荷大【15 1 。 在具体的设计中同时满足所有要求是非常困难的。所以根据综合考虑连续抽油杆开 卷牵引机的工作特性、动力运动传递特性以及经济性问题，其机械传动型式选择齿轮啮 合传动。 ( 2 ) 运动简图的拟定 运动简图是用一些简单的机构、构件及运动副的符号表示机器运动特征及运动链的 图形。可以表示机器的原动机、传动装置、工作机之间的结构、运动和力的传动关系【1 6 1 。 运动简图是设计整个系统各零部件的依据，它直接影响机器的整个设计过程【l r j 。 其连续抽油杆开卷牵引机的运动简图如下( 见图4 - 1 ) 【1 引。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 广i ，_ 一 之荭b 一了二_ t ， 萨亏劳每号 飞甘一乇十= 卜 k 、 1 电机 4 高速对齿轮 7 中间轴i l j 1 0 输出轴 1 3 牵引杠罐舱 2 联轴嚣3 高速轴i 5 中问轴j i6 中间对齿轮 8 低适时锥齿轮9 或速嚣糟律 1 1 万向联轴嚣1 2 ，牵引杠机体 1 4 连续抽油杆 图 l 连续抽油杆开卷机运动简图 f i 9 4 - 1 m o v e m e n ts k e t c ho ft h ec o n t i n u o u ss u c k e rr o d sb e n d i n gr o l l 4 1 2 开卷牵引机特性参数分析 ( 1 ) 工作机最大转速和减速器输出转速 根据工作机最大开卷速度= o 2 5 m s = 2 5 0 嘲s 以及设计中取牵弓j 滚轮直径 p 牵引滚轮= 3 2 0 m m ( 以牵引滚轮内弧直径计算) 。 则可得： 垦掣。缈矧滚轮： ( 4 1 ) m 由式( 4 一i ) 可得 牵滚轮= 1 5 6 2 5 r a d s 则有： 力牵。渡轮= c a 一l r x6 0 = 警= 1 4 9 2r m i n 由于选用球笼式同步万向联轴器( g b 7 5 4 9 - 8 7 ) ，属同步转速型，不会改变传递的角速度，所以： 7 彳输出= h 牵引渡轮= 1 4 9 2 r m i n ( 2 ) 开卷牵引连续抽油杆时所需的拉力 由已知条件：连续抽油杆最大直径d 一= 0 0 2 8 m ：连续抽油杆的材料2 0 c r m o , 连续 抽油杆的密度p = 7 8 t m 3 ；滚轮与连续抽油杆之间的摩擦系数( 属于干摩擦) = o 1 5 ； 9 2 l o n k g ；卷于卷盘上的连续抽油杆长度以每卷以，= 1 0 0 0 m 计算以及图中估值r 和r ， 1 3 第四章生产设备的选型及研制 其受力分析图如下( 见图4 - 2 ) 。 图4 2 牵引连续抽油杆所受拉力分析图 f i g 牝a n a l y t i c a ls k e t c ho f t h ep u l l i n gf o r c et od r a gt h ec o n t i n u o u ss u c k e rr o d 如图上图所示，开卷牵引连续抽油杆时的简要受力分析，由于力矩平衡则有： t r = 守= 幽r ：g ；鱼，尸g a r ，u 将上述已知各参数代入( 4 - 2 ) 和( 4 - 3 ) 则可得 t = 1 5 9 8 4 4k n ( 3 ) 连续抽油杼被牵引时受力分析 ( 4 - 2 ) ( 4 - 3 ) 由于在开卷牵引连续抽油杆时是靠牵引机滚轮与抽油杆之间的摩擦力而进行牵弓 开卷的。所以，在开卷牵引连续抽油杆时，其抽油杆受力图如下( 见图4 3 ) 。 i 、 1 n ，| 二二j 一二= = 一 + l 一 - - - - _ 一 一 r一 t，、 图4 - 3 牵引连续抽油杆受力分析图 f i 9 4 3b e a r i n gf o r c ea n a l y t i c a ls k e t c ho f t h ec o n t i n u o u ss u c k e rr o dw h e nd r a g g e d 由于忽略连续抽油杆在开卷牵引机段的自重，则有： l = n 2 = n 3 = n 4 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 所以，列平衡方程； 由式( 4 4 ) 和( 4 5 ) 则可得： f = e = e = e = 只 4 f = t f = g n ( 4 - 4 ) ( 4 5 ) f ：三：1 5 9 8 4 4 ：3 9 9 6 1k n ：3 9 9 6 1n 44 j v ；一f ；3 9 9 6 _ 塑，1 ；2 6 6 4 0 6n ( 其中：o 1 5 ) “0 1 5 。 ( 4 ) 连续抽油杆与牵引轮摩擦力对轴产生的扭矩 连续抽油杆开卷牵引是靠牵引机滚轮与抽油杆之间产生的摩擦力来进行的，所以该 摩擦力将对开卷牵引机主动轴产生一反作用的摩擦力矩( 摩擦扭矩) 1 9 1 。 其连续抽油杆开卷牵引机滚轮受力图如下所示( 见图4 4 ) 。 ，j 、； _ 等f 、飞= 匕乡。7 图4 - 4 滚轮受力分析图 f i 9 4 - 4b e a r i n gf o r c ea r a l y t i c a ls k e t c ho ft h eg y r ow h e e l 如图所示，则有： = f r 荦滚轮= 3 9 9 6 1 o 1 6 = 6 3 9 3 8n m ， 所以，可得减速器输出轴的主要参数： = 6 3 9 3 8 n m ”输= 1 4 9 2 r r a i n 4 1 3 电机容量确定和选用 电机容量的确定与其发热有关，而发热又与工作情况有关。对于长期连续运转，载 荷稳定或变化较小，在常温下工作的电机，可按电机的额定功率等于或略大于电机的实 1 5 第四章生产设备的选型及研制 际输出功率考虑，并从有关手册选择电机的型号【15 1 。 ( 1 ) 电机类型和结构形式的选择 在电机的选用中，如无特殊要求，一般选用y 系列三相交流异步电机，y 系列电机 属于一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电机。该系列电机具有高效、节能、噪 声小、振动小、运行安全可靠的特点，安装尺寸和功率等级符合国际标准( i e c ) 。 所以，在连续抽油杆开卷牵引机的设计中选用y 系列交流异步电机。 ( 2 ) 工作机所需的输入功率 由整体方案示意图可知：工作机的输入功率即等于减速器输出功率( 该处计入了万 向联轴器的效率，即将减速器输出轴后的部分全看作工作机来进行计算) 。则有： 只2 石丽t n ( 4 - 6 ) 由式( 4 6 ) 可得： 只：塑墅鱼型兰丝：1 1 4 9k w ( 单输入轴)” 9 5 5 0 x 0 8 6 9 其中：p 。一工作机所需输入功率( k w ) 5 玑一工作机效率。 ，7 。= 玎万向轴x ，7 辛由承x7 7 车引轮处= 0 9 7 5 x o 9 9 x o 9 0 = o 8 6 9 ( 3 ) 电机的输出功率 由于连续抽油杆开卷牵引机系统由一电机带动两减速器进行工作， 理，则有： 只：丝 l l t 由式( 4 7 ) 可得： 艺= 等= 2 6 6 s “w 其中：局一电机输出功率( k w ) ； 玩一传动装置总效率。 刁。= 叩刍承玎圆锥齿轮8 级刁；柱齿轮8 级叩联轴器 1 6 由功率叠加原 ( 4 7 ) 中国石油大学( 华东) _ t 程硕上学位论文 = o 9 9 4 0 9 6 0 9 7 2 0 9 9 5 = 0 8 6 3 ( 4 ) 电机型号和功率的选择 选择电机型号时应满足条件： 易k p a ( 4 - 8 ) 由式( 4 8 ) 可得： 屹k p a = 1 o 2 6 6 3 = 2 6 6 3 k w 其中：匕一电机额定功率( k w ) ： k 一过载系数。系统条件是以载荷最大计算，k = 1 0 。 根据上述计算并查阅相关手册，选择y 系列( i p 4 4 ) 封闭式三相交流电机，其各参数 如表4 一l 所示【2 0 l ： 表4 一l 电机主要性能参数 t a b 4 - 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f t h ee l e c t r i c a lm o t o r 额定转速同步电压电流 效率功率 型号功率转速 因数 ( k w )( r m i n )( r m i n )( v )( a )( ) ( c o s p ) y 2 5 0 m - 83 07 3 07 5 03 8 06 3 09 0 5 o 8 0 4 1 4 传动装置总传动比及各级传动比分配 ( 1 ) 总传动比的计算 若电机满载转速为。，工作机转速为，则总传动比为： i ：鱼：里：旦：4 8 9 3 。 以 ，z 输出 1 4 9 2 在总传动比一定的情况下，如何合理地分配传动比，是关系到机器传动系统设计好 坏的一个极其重要的问题。如果分配给各级传动的传动比值太小，则传动级数增多，使 传动装置整体尺寸和重量增大，材料消耗和加工费用也相应增多；若分配给各级传动的 传动比值太大，将会对传动装置的工作性能及润滑等方面带来一系列的问题。因此，分 配传动比时应该在综合考虑的情况下进行，力求满足各项要求 1 卯。 所以，由于该设计总传动比较大，经综合考虑采用三级减速器。 ( 2 ) 总传动比的般分配原则 各级传动的传动比不应超过其传动比允许的最大值，且最好在推荐范围内选取。 应使各级传动获得较小的外廓尺寸和较小的重量。 1 7 第四章生产设备的选型及研制 在两级或多级的齿轮减速器中，使各级传动大齿轮的浸油深度大致相等，以便于 实现统一的浸油润滑。 尽量使各传动零件安装方便。 总传动比的分配还应该考虑载荷性质。 综上所述，在进行传动的分配时，应力求满足各项要求，以使机器的性能更加优越。 ( 3 ) 总传动比的分配 设连续抽油杆开卷牵引机减速器高速级、中间级、低速级的传动比分别为i 、 ，则传动比分配计算如下： 低速对锥齿轮传动比 由传动比分原则，当分配圆锥一圆柱齿轮减速器的传动比时，因考虑圆锥齿轮越大 制造越困难t 越是提高制造成本。因而通常取圆锥齿轮的传动比i b h * 0 2 5 i ，且最好 i + b h 3 2 0 】。 由于o 2 5 i 3 ，所以取i b h = 3 。即 = 3 高速对和中间对圆柱斜齿轮传动比 三级圆柱齿轮减速器的传动比可以采用二级减速器的分配原则，当按照齿轮接触强 度相等的条件进行转动比的分配时，应取高速级的传动比： f ，= 筹( c 1 - 5 ) ( 4 - 9 ) 其中：扛4 8 9 3 ：1 6 3 1 由式( 4 9 ) 可得： f ，：! 型：些! 型“4 6 i 5 之1 6 3 1 1 。毒24 4 舶4 8 。9 3 。书石s 所以各级传动比分别为：i = 4 4 6 、i m = 3 6 6 、i ，= 3 。 4 1 5 传动装置运动和动力参数计算 在进行传动零件的设计计算