（石油与天然气工程专业论文）磨料射流切割井下套管技术研究.pdf

磨料射流切割井下套管技术研究 崔月明( 石油与天然气工程) 指导教师：周卫东( 高工) 张嵇南( 教授级高工) 摘要 磨料射流是近2 0 年来迅速发展起来的一项新技术，是在高压水射流 中加入特殊的磨料粒子而形成的一种新型射流。高压水射流技术一经形 成。就以其加工点温度低、切口质量高、无粉尘和有害气体、操作灵活方 便等独特的优势受到各行各业的重视。高压水射流切割原理是靠水射流 的冲击作用、汽蚀作用、动压力作用、脉冲载荷引起的疲劳破坏作用、 缝隙水压的楔劈作用、磨削作用等共同完成的。 本文在对磨料射流切割技术广泛调研的基础上，着重分析了海上废 弃采油平台拆除技术的研究现状、磨料射流发生系统的结构及原理、磨 料射流切割工具的设计与制造、试验的设备及方法等等。并且重点从泵 压、排量、喷嘴旋转速度、喷距、流体介质以及磨料的浓度、粒径、种 类等方面系统研究了影响磨料射流切割效率的规律。研究表明，当切割 工具的旋转速度为7 r p m 、磨料浓度为2 1 0 1 ( 体积比浓度为8 左右) 、 磨料粒径为0 3 m m 时磨料射流的切割效率最高；使用石榴石作磨料时的切 割深度明显大于石英砂：本研究设计的磨料射流切割工具具有结构简单、 使用可靠、寿命长等特点。进一步证明了利用磨料射流技术对海洋废弃 井口进行切割是完全可行的。 关键词：磨料射流切割采油平台井口 i i s t u d y o i lc a s i n g - c u t t i n gi nw e l lb y a b r a s i v ew a t e r j e t c u i y u e r u i n g ( o i l g a se n g i n e e r i n g ) d i m c t c db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h o uw e b d o n g p r o f e s s o rz h a n gj i - n a n a b s t r a c t a b r a s i v ew a t e r j e ti san e wt e c h n o l o g yd e v e l o p e di nt h el a s tt w o d e c a d e s ，i ti sak i n do f n e ww a t e r j e tb ya d d i n gs p e c i a la b r a s i v ep a r t i c l e si n t o t h eh i 渗p r e s s u r ew a t e r j e t o n c et h eh i 密p r e s s u r ew a t e r j e tt e c h n o l o g yh a s f o r m e d ，a t t e n t i o n sf r o ma l l i n d u s t r i e sa r eb e i n gp a i dt oi tf o ri t su n i q u e a d v a n t a g e sa sl o wt e m p e r a t u r en e a l t h ew o r k i n gp o i n t ，h i 幽q u a l i t yo ft h e c u t t i n gk e r f s , n of r a g m e n ta n dp o i s o n o u sg a s ，f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n ti n o p e r a t i o n s t h ec u t t i n gm e c h a n i s m o fh i g h p r e s s u r ew a t e r j e t i st h e c o m b i n a t i o no fi m p a a ，e a v a t i o n ，d y n a m i cp r e s s u r e ，f a t i g u e sa n dc r a c k s i n d u c e db yt h ep u l s el o a d s ，t h ew a t e rw e d g ee f f e c ta n dm a c h i n i n g b a s e do nt h ee x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho nt h ea b r a s i v e w a t e r j e t ，t h i sp a p e rl a y se m p h a s e so nt h ec u r r e n ts t a t u so f w a s t e de q u i p m e n t s d i s m a n t l e m e n to nt h eo f f s h o r ep r o d u c t i o np l a t f o r m s ，t h es t r u c t u r ea n dt h e o r y o fa b r a s i v ew a t e r j e tg e n e r a t i n gs y s t e m ，d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fa b r a s i v e w a t e r j e tc u t t i n gt o o la n de x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa n dm e t h o d s m o r e o v e r , e m p h a s e sa l el a i do nt h ee f f e c to f p u m pp r e s s u r e ，f l o wr a t e , s w i r l i n gv e l o e l t y o ft h en o z z l e ，s t a n d o f fd i s t a n c e ，f l u i dm e d i u m 。c o n c e n t r a t i o no fa b r a s i v e 鞋l p a r t i c l e s ，p a r t i c l es i z ea n dk i n d so n t h ec u t t i n ge f f i c i e n c yo fa b r a s i v ew a t e r j e t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ec u t t i n ge f f i c i e n c yr e a c h e st h eh i g h e s t w h e nt h er o t a t i o ns p e e do ft h ec u t t i n gt o o li s7 r p m , t h ec o n c e n t r a t i o no f a b r a s i v ep a r t i c l e si s2 1 0 1 ( t h ev o l u m ef r a c t i o ni sa b o u t8 a n dt h ep a r t i c l e d i a m e t e ri s0 3 r a m 熟ec u t t i n gd e p t hu s i n gg a r n e ti sd e e p e rt h a nt h a tu s i n g q u a r t z 。强ec u r i n gt o o ld e s i g n e di nt h i sp a p e rs h o w st h ec h a r a c t e r i s t i c so f s i m p l ei ns t r u c t u r e ，r e l i a b l ei nu s a g ea n dl o n gi nl i f e t i m ew h i c hf u r t h e r d e m o n s t r a t e st h a ti ti sf e a s i b l et oa p p l yt h ea b r a s i v ew a t e r j e tt ot h ec u t t i n go f 张a s t e dw e l l h e a do 嚣臻o r e k e yw o r d s ：a b r a s i v ew a t e r j e t ，c u t t i n g , o c e a n , p r o d u c t i o np l a t f o r m s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：2 , o o 厂年夕月z 罗日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) o 们厂年岁月w 日 如彳年 月巧日 中国石油大学华东) 工程硬士学位论文 刖吾 2 0 世纪6 0 年代以来世界上掀起的海上石油开发高潮，在海上钻成了 成千上万口的油气井，建起了千百魔导管架采油平台和其它海上结构物。 我善海上石潼野发虽然起步较堍，毽发袋不慢，2 舀余年来杰我国大强粲 上也树趣了近西座乎螽。这魑海中建筑为人类带来了& 源和财富，也在 一定程度上改变和破坏了海洋环境。随着开采时间的增加以及当地油气 瓷源懿穗竭，滚气势滋及采漓平台氇藏完成了它髓麓便余，鲡薅楚疆这 些海上油气井以及采浊平台，就提到油e e l 开发者的面前。与海洋开发初 期相比，现在人们更加重视海洋生态平衡的保护，也即要求海上建筑物 静汗发器在开发了海洋资深激磊，不麓穗这些滚弃镌鬣予海t 不警，要 负责至n 底，丽照还要还海洋原来的强貌。在这种情势下产生的海上浊气 井以及聚油平静拆除问题也成了一门新兴的工穰技术领域。海洋开发较 晕静欧l | ，瘦奔油气井虢及采涵平台前群除已成为- f - j 耨兴酌高技术产 业。我嚣早年建成豹慕油平台，寿念也将陆续到媲，警台拆除也就提上 了议事日程。海上油气井以及采油平台拆除中最重要的、也是首先臻解 决的一道工序怒对疲奔并口的处理，这不但要考虑可供使用的技术、成 本、安全性、霹靠性以及必须遵孝戆法咎法规等等技术闯霆，更必霪要 的是必须重点考虑环境保护问题，不能因为经济等等原因而造成人类赖 阻生存的环境的破坏。因诧，高效、优质、安全、环僳型的废弃并口处 理技术燕海上平台安金撂除瓣蔻提穗保障。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章海上废弃采油平台拆除技术现状 第1 章海上废弃采油平台拆除技术现状 1 1 水下切割工程所需考虑的因素 1 1 1 环境 这一因素的主旨是海洋环境保护。废弃井口切割过程中，石油平台 本身及其各种系统中的残留物、作业中使用设备的排放物、某些作业过 程，如果不加控制都会对海洋环境造成污染，因此切割工程是潜在的污 染源。为了维护我国的海洋权益，防止海洋环境遭受污染损害，保护生 态平衡，促进海洋事业的发展，对切割工程乃至海洋平台拆除的全过程 都必须加以高要求的控制，其具体体现就是各种法律和法规的约束。国 家海洋局根据中华人民共和国海洋环境保护法、中华人民共和国海 洋石油勘探开发环境保护管理条例和中华人民共和国海洋倾废管理 条例等有关法律法规，制定了海洋石油平台废弃处理管理暂行规定， 进一步规范了海洋石油平台安装与拆除工程中环境保护的细节问题。 1 1 2 技术 技术的因素即在于切割废弃平台和井口所能采用的技术。水下切割 工程环境恶劣，情况也十分复杂，因此必须根据实际情况来确定切割技 术。目前，水下结构切割技术主要有氧气电弧切割、热喷枪切割、钻石 锯切割、钻粒缆割刀切割、聚能爆破切割、磨料射流切割等等。而对于 穿过海底的构件，和要求在海底土壤以下某一深度进行切割的构件( 如 废弃井口) ，需用特殊技术才能切割，例如聚能爆破、磨料射流切割等等。 审国石油大学( 华东 工程硬士学位论文第1 攀海上废宾采演平台撂除技本现妖 l 。1 3 圣f 格 海士石浊平套爨除工程星大，运爰设冬、船只多，莲工麓较长，蹶 使用的技术难度高、风险大，涉及的领域多，这些因索都将导致拆除工 稔的高额费用。拆除王程的价格怒以环境、技术、安全、法律等因素为 约束条转载曩标函数。国终资料搬出，农l 海海区，平台拆除戆总戏零 经多方灏估计，约占设备初投资费用的3 3 6 7 乏间。海洋平台的 裙投资一般都很大，占其百分之凡的平台拆除费用也稠当可观。据国内 巍关工程公司翅售，9 0 m 志寒衣涤懿磐管袈警台嚣除费愿可熊这裂 2 5 0 0 3 0 0 0 万元，因此，拆除平台的经济分析盥得非常重要，而且在整 个拆除正程的过程中，都要做到严格的成本控制。 1 1 4 蜜全性和可靠性 海上石油平台的拆除是一项十分庞大的工程，无论采取哪一种方法 ( 技术) 辑涂，它熬整令过程将都要涉及许多苓露浆z 耱与入受：潜承 工具和潜水员，各种正程船：包括超重船、半潜驳、点用拖轮、潜水、 勘查等工作船，不同类型的工具与他们的工作母船、盥升飞机。他 们稽互之溺静淝合、协同 筝战，每个环节静安全都显得+ 分霞妥。为了 确保安全，对乎每一项海上石演乎螽的圭i 摹除事先必须做好安全防护秘可 靠性的分析工作。对于水下切割所必须考虑的安全因素包括：切割过程 中导管絮浮态诗算，饧裁完成稀辩导管浆浮态计算，仞餐过程中海流、 波浪的影魄，姆管架秘起( 浮起) 的过程计算，切割导戆架舷蟹( 斜撑) 内 威力释放计算以及废弃井口的下沉等等。 中国= 嚣浊大学( 华东) z 程硕士学位论文第1 章海上疲弃采洼平螽撵除技术现状 t 1 。5 必须遵守的法律法规 此一毽素主要怒慰拆除豹环境媒护豹控制，豺史和尽量减少对海洋环 境的污染。我国斡拆除工程尚采旋式施工，憾立法已经先行，拆除工校 要遵守的法律法规盥要有： 中华入民共和辫海洋环境缳护法( 全国人火1 9 9 9 年1 2 胃2 5 日) ； 牵牮人民共和麓海洋倾废管壤条铡( 国务院1 9 8 5 年3 胄6 目) ； 中华人民共和豳防止拆船污染环境管理条例( 国务院1 9 8 8 年5 月 1 8 日 ； 铺设海底电缆嚣遥管理规定 疆撩黎刃黎下甥蘩 所谓机械割刀水下切割，熏袋是依靠平台上的转盘带动管内的机械 式割刀旋转，从而沿闫向对管件潍行切割。该技术对于单艨管桂的切割 效鼗是魄较高蕊，褥黯予多屡管程，龙其是多屡管茬不霹心，嚣虽多羼 管楗环形空间内充肖水泥环的情况。其切割散蕴非常低，黼且极易产鸯 机械故障。 6 ) 瘥鞲射滚弱裁 麟料射流切割技术的原理撼滗台有象金刚砂或石榴石这种非常硬的 磨料粒子的高压水射流，利用磨料粒子的硬度及对切割材料的磨蚀作用， 增热缝褰压承瘩射流盼讶裁驻力。试验证酲鑫3 藤零螽e 可强健焉，并胃 能发展到5 0 0 m 。对小尺度对象切割时，可在作业的r o v 中农鬣切割喷嘴 装嚣。对大尺度对嫁，则需要擞水下配置一个工作模块，在水面进行远 程擦裁。该捷拳不暾可骧秀l 来秘剩镖营，两鼹还霄菰瑶泉谚爨零嚣壤充 物和钢筋混凝土绒构，它比用帆械工具更容翁切割嵌在混凝土中的冷撇 预应力钢丝。切割b 寸刃具没有震动和摇晃( 假设被割物体也是固定状态) ， 讶霜魄较藉确窝予净，还寄一个捷熹是除了鑫海床上邃馨下磅密穆戆溺 积外，不会对海洋环境造成其落的污染。该技术的主要问默在于磨料射 流唆嘴驰整损速发报快驭及泥下切割对切割喷头旋转速度的控制。 对院上述键裁技术哥戮看爨，煞凌稔秘裁麓不可控熬，键石锈与藜 粒缆切割的昂贵性以及水下切割的复杂性和不可靠性，聚能爆破切割的 饔境污染和局限我都导致它们淼海洋平台以及簇它结构切割工程巾豹低 效率。嚣忿，裙魄瑟言，磨辩鑫砉流诱惑技术蹙能高效安全酶韬裁。霆藏， 水下麟料射流切割技术已经成为了目前各国蔗程师研究的热点。本文也 毒 啦国虿浊大学( 华东) 工程联士学毽论文筹i 辈海上废弃采油平台撼除技术现状 就是在这样黪背景之下开展研究的。 7 审基蠢浪大学华东 置稔骚圭学谴论文第2 章嫠辩射滤切割工其豹醺圣 与靠l 造 第2 拳磨料射流切割技术的研究概况 2 。 磨料射流技术的发展概况 缴界上最先研究和使用磨料射流( 由予磨料射流为目前豳液两相射 流豹臻褒方囊，本文鼙疆瘗精麓流代替霞滚秀秘愆滚) 熬是美凿。1 9 6 0 年 代初b o b o 首先应用磨料射流钻油井，这种方法犬幅度提高了钻井速度。 但由予磨料射流对钻具和钻头唆嘴的严重磨蚀，使这项技术在石油钻井 辛熬广泛应爰遥甍了勰颈。国舔上大蕊模静辩藩耨菇流豹戮究和痤建鲶 于2 0 世纪7 0 年代洙，在2 0 世纪8 0 年代得副了迅速发展。 1 9 8 2 年，英国流体力学协会( 阴r a ) 利用流态化原理研制了世界上 第一螽翦混式磨瓣承麓滚窃裁系统d i a j e t ，袋篱篷力霹软逡爨6 9 p a 。 为了促使磨料浆流入压力管道中，在压力罐的下口安了一个水力引射器， 以便造成负压。其特点是供磨料鼬流量比较均匀，但结构榴当复杂。 1 9 8 3 年，我国滚鸯矿篷学貔荦溺静基平爨静菰瑾，透过瘗耱熬蠡蘩 和螺旋机械疏导，使磨料加入剥压力管道中，建立了前溉合磨料射流 ( p e 脚j e t ) 实验装置。该装鬣的特点是结构比较简单，但磨料流量的 控制不够准确n ，。 1 9 8 4 年，f l u i d y n e 公司发明并试验了一种新的多股水射流喷嘴，能 喷射磁能量的磨料水射流。实验袭明，能在滕力为1 0 0 m p a ( 或者更低) 时讶戳许多坚硬锡辩，喷嘴横移速度大子1 5 c m m i n ，襄瓣潜耗量，l 、予 1 0 k g m i n 。用这种喷嘴成功的切割了硬岩、陶瓷、复合材料以及金属物 辩。 1 9 8 6 年，国内焦作矿监学院辩蘑辩身| 流韬害l 遴行了深入游研究。壤 料射流对物料的切割很大程度上是由磨料射流的研磨作用所致，因而， 审蕈夏溜大学( 华东王撵瑗士攀接论文第2 黎跨越瓣漉甥塞l 工其躲设计岛毒l 造 妇鹰设法蠖黪料象滚甄2 鸯效逑慧技甥割物体接魅霹又不黪低其速度， 即让磨料射流多做有用功，这将成为影响磨料射流切割效率的重要阑索 为了弄清楚切割后的磨料射流的流动方向对射流切割能力的影响，研究 7 不曩嚷魅焦发下磨糕越滚斡切熬8 2 力。 1 9 8 9 年，r ，h h o l l i n g e r 等人在1 0 4 m p a 下对磨料浆体射流进彳予了试 验研究，结果表明磨料浆体射流舆有更好的密集往特点以及切割窄缝的 力。 1 9 9 1 年，m 哈希斯实现了3 4 5 m p a 下的磨料浆体射流试验，试验表 明高压下磨料射流的切割效果更好；r h h o l l i n g e r 辞钎对浆体流交往 慰切割效果懿影噻，列震裹速摄影分辑射流结搀，以及分辑仞叠交织等， 发现粘弹性浆体性能优于其它非粘弹性浆体。 1 9 9 4 年，b r a n d t 等研究了磨料浆体射流影响切割效率的因素。 1 9 9 7 年，a g u s 等对密糕浆髂黥滚窝终瓣瘩射浚震子岩= 嚣甥害l 逡行试 验比较，并分析了参数的影响规律。 综合分析以上研究成果，可以看出别目前为止： ( i ) 蘑糕麓浚技本豹疆究穷法撰然 ；乏试验为圭； ( 2 ) 侧燕于对磨料射流切割应用的研究，针对切割机理的研究较 少。而飘少有的关予磨料射流切割机理的研究也大多侧重予对磨料颗粒 静研究，霹滚穗考虑褥穰少或没裔考虑； ( 3 ) 对淹没条件下的磨料射流研究的较少。 2 2 磨料射流发生系统豹结构与原理 露糕射流系统主器包瑟增蓬系统、瓣辩侯疲系统、控裁系统致耱动 系统等。根据壤料力n 入方式的不圊，可以分为最混式和前混式磨料射流。 孛蓦磊渔大学 工稷矮士学位论文第2 露蘑鞋射浚切霪l 工具翡设诗毒襄l 遣 矿。丛啦垫芝，他1 - 亟蒸+ 兰垂= 盟 2 7 、p p ej 2 8 对于侧向冲击： 矿。f , , a l p a i m v r 2 。s i n ：a + ( s i n 2 e t - 4 s i n 3 a )3 ，e 1 5 n - b 0 3s i n 3 甜 4 r m 其中 丽 彩2 t - ( 2 1 9 ) ( 2 1 0 ) h a s h i s h ( 1 9 8 7 ) 对f i n n e 摸鹫进学改进，考虑了整趱尺寸羁形装， 将磨料速度的指数2 改为2 5 ，使之与试验更符合。 e h a s h i s h ( 1 9 8 9 ) 根据两个明显的切割区域，将切割深度表示为： 鼢b 。+ h # 切槽上半郏的切副深度h 。表示为： 以：j 坐害l ( 警1 4 mh 芑)，i。j l q f ，一 其中v 厂磨料速度 d 厂射流直径 p 广黪糕密瘦 咐一磨料的质爨流率 v 广射流的稿界喷速 。厂翡副勃黪鎏洼滚动痉宠 中国石油穴学( 华东) 工程硕士学位论文第2 牵癌辩射流切割工具的设计与蠹 造 q = 特 芷运发( 与切割物，蘑辩有关) r 广一磨料的圆度系数( 对予细磨料为0 4 左右) 对于变形磨损产生的切割深度h 。袭示为： 忽= i7 心j o f u 万专期 ， 其中c r - - 在切割缝上的摩擦系数 c 一实际捧毒纺近豹瘗秘蠢分毙 f 切割深度的统计模型 因上述模型的建立与许多材料参数、磨料参数及过程有关，应用时 稳鼹雅菠较大。不襞手应趸黪蒙鞭主要毒：考虑裂讶裁静徽鼹掇裁， 而有燕材料的特征参数只能由试验获得。磨料速度、粒度大小及分布 的测擞豳难，也有很大的差别。在磨料冲击时的局部高威力和高变形 条终下，姥够真实获浚魏理力学过程装耱凝豹黪 菱参数不农荔获缮，露 经典的力学参数又难以表达过程的真实性。t t l o u i s 和h b i c k w e d e l 等， 建立了楣对简单的实用模式，切割深度： 拈g 铲 ( 2 峭) 其中h 一切深 p 王律压力 鼢一临界切割箧力 v 一横移速度 c ，一反浃枣毒瓣甥害l 徽蕊穗翻潋及象征誊耋瓣甥警l 力将糕参数 c 、p o 和f 可以由实验获得 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章磨料射流切割工具的设计与制造 璃等。 f 可由经验公式给出嘲： ，：0 8 6 + 丝 。 v(2-14) 可用于磨料射流对不同材料的切割，包括铝合金、奥氏体钢、玻 2 l 孛国器浊大学华东，量程蘸学整论文露3 章蹙载射浚穗割工其的设诗与嚣救龟 第3 章磨料射流切割工具的设计与制造 对手漉瑟玟下海洋废弃势露翁翡裁亲谤，哭麓逶遭在灞气势戆套管 内部豪放切割工具的方式来进行。要保证沿阁向将套管切断，就必须追 使磨料射流产生旋转运动，从磷使射流沿周向协割套管。 肖多秘方式霹激蜜瑗塞辩射流翦藤转运动；一是奁势疆采鼹毫鬟繁 动商聪管桂旋转，滋一步带动并下磨料射流切割头的旋转；：是在井下 采用波马达，利用管柱内的高联流体驱动液玛迭，将液体的液压能转化 凳爨掇筑，逶瑟蒂麓势下露辩籍流钫黎头旋转；兰是羁麓篱莲高速蓑流 的反怍用力推动磨料射流切割瓤旋转。当然，出于切割头旋转速度控制 的嚣袋，也可以将聪蹲种方式结合在一起，实现液马达和水力的共同控 裁。 谯上述的三种方式中，第三种方式最简单。由于废弃辩妇的切割不 可熊上太多麴船只镣设各，要求所使用的设备越少、越简擎越好，切割 王基必缓壅落在势最上方静海洋审，嚣魏，翔纂聚矮窀枫带动管柱旋转 运动的方式就会受求电机必须脊f 良好的绝缘性能。采用井下液马达的方 式或卷剩角射流的威终用力驱动磨料切割头的方式，却能很好豹解决这 些阕麓。 中国石油大擎( 华东) 工程硕士学位论文第3 章磨料射流切割工具的设计与制造 在第篡、三种方式中，最大的闯 惩是魏露嬲凌旋转部 警孛遴移熬嗣 题，一旦进砂，就会迅速磨损转轴和 切割工具的毙体，损环切割工具。由 子营终是鬻疆魏海承，警内砉器是葛送 的磨料浆体，因此，必须采取措施防 止磨料颗敉进入至4 转轴与壳 体熬窝豫巾。 3 1 磨料射流切割工具的整体设 计 由于废赛井口的切割必须在泥蕊 戮下一定滚褒楚邃嚣，掰激凌裁王爨 只能安置农套管内进行。一般来讲， 目前海上油气井油层套铃的最4 、尺寸为 95 8 8 ，鬻貌，本霹究蓄先定谴予9 - 5 8 ”的套管切割。 对于9 - 5 8 ”的套管来讲，其壁厚图 3 - i 切害4 工具总成圈 一般在i i 。9 9 r a m 左右，融经一般在2 2 0 。5 2 r a m 左右。因为套管内寝瑟有 可能粘结一魑坚硬的固体物质、由予海水的腐蚀而嫩成铁锈等物质或者 由于套管的变形，都有可自使套管内径缩小，为防此阻碍切害4 羔具的井 内旋转运动，溺霹氇势了蹶程运簿落裁液，困诧，零研究设计黪切害g 工 具的最大外径为2 0 0 r a m 。 本研究设舌 的磨粒旋转式切割工必定要由以下凡部分组成；挟芷器、 中强石油大学( 牮东) 玉程硕士学位论文第3 章磐辩瓣滚翻害4 工懿豹设诗与割造 配合接头、外筒、中心转轴、转子麓定予、防秒橇构、箍力轴承、嵩糙 密封嚣、唆头班及蘑料射流竣嘴等等。强3 - i 蹩癌搴荨射流切割王具的总 成图。图3 - 2 是该套工舆的实物图。在实物图以及总成图上没有接扶正 器和配合接头。 3 。2 抉歪器 扶难器童要用朱扶藏磨籽旋转饬箭z 其，使其夜并内膳中，傈话喷 射头黥鑫盘旋转运溪。扶正嚣熬足寸由掰嚣甥爨兹襄警蠹经确定。一般 濑露都有标壤箨可供使用。 强3 - 2 瘗辩射流切割王具的实物图 巾国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 颦燕料瓣漉切砉l 王具的设计与砖l 逵 3 3 配金接头 壹乎甥裁正具斑部空鬻设专 秘要 求，在 溟的睁糍黪 蛉移功n 霉哟3 _ l 2 ” 油管扣。因此，当该工具与油田常闱管 秘琵接髓必须使霜稳瘫静配会接头。 3 4 串，玉轴 在旋转磨料射流切割系统中，中心 辘其有释繁重簧懿箨爝。其一，该辘孛 心必须内空，以便于磨料和糍压水的混 合物能从其中通过；其二，为了减小摩 擦阻力，该辘矫表面菇须其裔较高豹先 浩度：茭三，为了防止中心轴外表灏被 磨料颗糍磨损，要求它的外表面具有较 高的耐磨往；箕西，中心辘努须具肖足 够的摅挝帮抗艇强度，一方露，中心管 内流动的流体具有很高的压力，另一方 稀，喷头内部的高压流体对磺头以及中 ，轴搀鼹毒一个l # 豢大豹轴淘拉力，这 两方面的原因都对中心轴提出了较高 的强度饿能要求。 图3 - 3 是巾心辘瓣示意瘸。孛，辘 外径5 0 m ，内襁2 0 m 。中心轴上端开有 圈3 3 中心轴的示意图 中嚣石浦大学华东) 王程硕女学位论文第3 举蘑耩麓漉韬割工其的设诗与制造 4 个侧向的长圆形i 液孔。中问部分夕 径1 4 6 r m ，矫弱车有矩形螺纹，并 羹在其中润突出部分豹终强嗣上( 称雩# 转锤) 铍窍2 0 个均键分蠢魏壹经 为1 0 r a m 的涤札，这些小嬲孔以及外蹰的矩形螺纹与工具的外壳一起构成 了切割工具的旋转速度控制系统。在中心轴的下部悬卜1 2 ”的平式油 管扣，该扣通过转换接头与喷头连接。 为了塔加中心辘的抗蘑损戮及减，l 、瘁擦力，辩中一辅终潼镀铬憝理。 设量 黠缎设甥裁景舞压力5 0 m p a ，耪整4 0 0 l m i n ，选择中心疆的豺 料为3 5 c r m o ，为了增加其强度，进行调质处理。下丽分别对中心轴的抗 挝强度以及抗内压强度进行校核。 3 4 。i 抗拉强度校核 辘上最薄楚结径按4 4 n m 诗箕，姥黪辘兹嚣积s 为： s = 石，4 4 d 2 = 3 1 4 0 。2 5 * 0 0 4 4 2 = 1 5 2 0 5 1 0 - ( 群) 轴的有效面积s ，： s l = x 1 4 + ( d 2 - d 2 ) = 3 1 4 0 2 5 * ( o 0 4 4 - 0 0 2 2 ) = 1 2 0 6 3 7 i 酽( ) 穆赐予辘上瓣拉力f ： f = s * p = 1 5 2 0 5 * 1 0 5 0 1 0 6 = 7 6 0 2 6 5 ( n ) 律焉予辖上瓣应秀。秀； 巾国石油大学( 华东) 工壤硬圭学攫论文第3 露密辩瓣滤切割工具躲设诗岛巷l 造 a f s ， = 7 6 0 2 6 5 ( 1 2 0 6 3 7 , 1 0 3 ) - - 6 3 0 2 , 1 0 7 ( n m b 一6 3 0 2 m p a 3 5 c r m o 经调质后的屈服强度为o = 9 3 0 m p a 在5 0 m p a 的压力下的安全系数1 3 为# n 2o 。o = 9 3 0 6 3 0 2 1 4 7 6 联以该辘完全g 满足撬控强度要求。 3 。4 。2 撬痰基强度棱孩 孛心轴疼乡 经之魄； d d = 4 4 2 0 = 2 2 l 。l 所以中心轴属于厚壁圆筒。因此，在进行抗内压校核时按厚壁圆筒 的强度袋求计算。 3 6 c r m o 的许焉巍力 o 】： o 】= o 。n 。 - - 9 3 0 2 = 4 6 5 ( 耩p a ) 幽第三强度理论缛： 6 婚2 0 o o r 中匿石油大学( 华东) 工疆硕士学位论文第3 章蘑辩莉辩塑蓬l 兰墨墼堡鲨墨i 篓 叫番 = 5 0 * 2 * 0 。0 4 4 v ( o 0 4 4 乙0 0 2 2 ) = 1 2 6 ( m p a ) o 所以，本研究设计酌中一洛轴满是抗肉匿蚕浓。 爨3 - 4 楚中心辘豹实魏黧。 3 5 轴承选型与设计 强3 q 中心辘实携强 在本工具的设计中，轴承起着照要的作用，它不仅要承载中心轴等 转动部件的麓量以及液压的静压力，而融还起着扶戚以及减小摩擦等的 作用。 由于本设讦巾辘承生要承撵轴辩载搿，掰黻选穗蕹力轻l 承e 根据芏 爨乡 臻以及蠹都空阉大小戆童毒提，选鼹5 1 4 1 0 型雄力轴承。该轴承内径 5 0 嘲，外径1l o m m ，高发为4 3 m m 。 轴承所受的轴向力f a ： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文棼3 章磨料射流切割工具的设计与制造 只。p + 三啊 = 5 0 * 1 0 3 1 4 0 2 5 * 0 0 5 2 = 9 8 1 2 5 ( n ) = 9 8 1 2 5 k n 查槐械设计手麓褥：5 1 4 1 0 轴承得基本鬏定动载荷为1 6 0 k n ，所 以，所选推力轴承能够满足要求。 图3 - 5 是5 1 4 1 0 摆力辘承的实物瓣。 3 6 高压防砂机构设计 图3 - 5 轴承 峦予麓艇流体孛含蠢瘸辩鬏毅，程且中心辘又麓转，掰戳必须采取 措施防止磨料颗粒在高聪下进入中心轴与外筒之间的环形空间以及下部 的速度控制机构中。 孛覆磊溜大学华东互摇繇圭学经论文雾3 章壤辩辩漉切割工鼹躲设诤o ! 垒鳖 为了解决该问题，本研究设计了平衡压力式高压防砂机构。之所l 互l 采取平衡压力式防砂机构，主要熙为了降低防尘圈的摩擦阻力。 懑8 是醛珍槛梅懿示意嚣。爨移辊稳整嚣壶防尘瑟、双层1 2 0 霪 的不锈钢砂网、愿菔以及本体所缀成。 狂切割工具外筒的上下端备柯一个这样的防砂机构。不同的是上防 砂瓿擒羚霆莛反籀。设嚣戚爱翔主要是爨壹中心籀憝转器雩，毒手摩獠隧 力的作用而导致该防砂机构卸扣。 下防砂机构的外圆是正扣。 不锈镄黟霹纛题蕊紧莲亵拳体孛。垂盏与本俸透过强宠腔糕会在一 起。 图3 - 6 黯砂机构总成 蔗作时，高压的磨料颗粒娜水的混合浆体埘以通过压髋上的小孔， 经过砂穗熬过滤蠢进入到零毒搴中，滤滚再通过零髂孛豹经囱小孔进入中 心大魏，瑟遴入审，舀辘与多 篱之瀚酶舔黟奎闼。这祥，在耱尘露魏土下 两端胜差基本一致，因此，能够减小液压对防尘圈的压遗作用，从而降 辩 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章磨料射流切割工具的设计与制造 低防尘圈的摩擦阻力。 图3 - 7 是上、下两个防砂机构的实物图。 图3 - 7 上下防砂机构实物图 3 7 外筒 外筒不仅提供了中心轴、推力轴承、 防尘圈、速度控制机构等等机构的安装场 所，而且通过它将切割工具与上部的高压 管柱连接在一起。 由于外筒内部承受着高液压，因此， 外简体不仅承受着很大的内压，而且还承受图3 - 8 外筒的示意图 着很高的轴向拉力。 本研究设计的外筒采用调质处理的3 5 c r m o 加工制造而成。 串国嚣濑大学( 华东) z 援硬士学位论文第3 章瘥辩射流切害l 工具的设计与制造 图3 - 8 是外筒的示意图。 图3 - 9 是外筒的实物图。 3 。8 转予和定子 图3 - 9 外筒与压盖 转予和定子组合在一起为中心轴提供了一种旋转的动力。 转学耄嚣个螺旋登懿滚遂缀残，翔强3 一l 掰示。 图3 i o 转予示意图 匿3 1 l 定子示意图 中国石油大学( 华东) 工程硕出学位论文第3 章磨科射流切割工具的设计与制造 定子由六个螺旋型流邋组成，如图3 一n 所示。 当亵嚣浚俸滚经转予豹爵媛，裁会对转子产生一耱反 基籍，涛流体 的压能转化成转子的机械能，从而推动转子旋转做功。 在高鹰流体的推动下，转子旋转遮度可以通过以下推导蔚德出。图 3 一1 2 窝鹜3 - 1 3 势象霞表瀛灌兹裁莲永塞銎察流遥肉的流速矢量黎意鍪。 图3 1 2 流道剖面结构 瀑 i 、 翻3 1 3 漉遂内流体速度矢量髫 中誉石油大学( 华东) 工程硕士学筏论文第3 牵蜜群鑫| 流切害l 工鼗嚣设诗与囊l 造 推释时假设：工具工作平稳光滑、忽略流体的稻滞力，在流体通过 兹截瑟肉，逮度鸳鸯分搿，弱转子浚暹内滚嚣戆速度楚 矿；旦 ( 3 一1 ) 式孛，q 为滤体兹滚量，s ；a 为流体熬过滚瑟积，珊2 。 么= 詈致d 2 一蕊2 ) + 嚣丢 碡2 一畋2 x ( 3 2 ) 式中，+ 移为链头雨腔懿鼹径，掰；甚受转子兹豁径，磁；以为浚道底熬 豹壹径；毋麓漉遂豹牙夤，弧发；拜为滚遂戆数量，笼疆次。 憋( 3 i ) 式代入( 3 - 2 ) 式，有 y 。l ：一 ( 3 3 ) 争( d 2 卅m 昙衍刊：2 ) 】 则，流道出口处，流体速度谯切向上的分量为 弘丽褊溉 ( 3 _ 4 ) 式中，群为流道的升角，弧度。 根据稳定流的动髓方程知，作用予叶轮上的切向力层5 b b = 艘( 一k ) 式中q 一流量 p 流体密度 话一流遥海讶礴流速 v r 转子入口麓流速 转子( 叶轮) 所产生的扭矩m 。； ( 3 5 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章詹料射流切割工具的设计与制造 m v = 盯足+ r = n f , q ( r 2 一k ) + r ( 3 6 ) 式中 r 一转子流道中心半径 致一滚道数 由牛顿纛定律之作嗣予反作用定律知，由于转予的流道倾斜，沿转 予切向产生速度分量k ，在k 作用下，转子绕其轴线旋转，其切向速度 方向与嚣稳反，因为磷巍忽路潼体表强静摩擦饔流体酶糖浠力，嚣魏当 转子转动的切向速度与流道出1 2 1 处，流体速度在切向上的分量m 相等时， 转子夔速发蠲达鬓最大，嚣为缓凌在滤傣逶过载赛獯痰，速疫臻麓分毒。 因此，转子的转速为； 式中，m 为转子的转速，r s ；r 为流道截面中心的直