液压动力卡瓦的研究与设计.doc

5 液压动力卡瓦的研究与设计5.1 不压井装备卡瓦的工况及要求卡瓦是不压井装备的核心部件之一，不压井装备在作业过程中，利用卡瓦卡紧管柱，实现对管柱的控制，防止管柱掉入井内或者从井口飞出。在不压井起下管柱作业时，卡瓦的工作频率非常高，从而加快卡瓦牙的磨损。此外，卡瓦的工况也较为恶劣，卡瓦牙接触的管柱表面通常覆盖了一层约有1mm厚的锈蚀层或粘满了原油、水或混合物，有时管柱的表面还盖着一层石蜡等。根据不压井作业时卡瓦的工况特点，对卡瓦提出如下要求：（1）卡瓦开闭频繁，要求卡瓦安全可靠，卡瓦能可靠地卡紧管柱时，既不能打滑，也不能咬伤管柱。（2）要求卡瓦的通径有一定的变化范围，正常作业时，小油管能自由通过，当下放大径的工具如封隔器、配水器时，卡瓦能把直径变大，允许大径工具通过。（3）要求结构简单，尺寸重量小，便于装拆、维护等。液压动力卡瓦因其结构紧凑，响应速度高，稳定性容易得到保证，安全可靠。因此，不压井装备宜采用液压动力卡瓦。5.2 国内外液压动力卡瓦的现状卡瓦广泛用于钻井工程中卡紧管柱以实现对管柱的控制，为了降低工人的劳动强度，提高工效，机械化的动力卡瓦在国外得到了广泛应用，在我国目前应用尚不普遍，而且主要是气动卡瓦。目前国外生产液压动力卡瓦的主要是美国TES公司和Hydra Rig公司。美国TES公司是生产液压动力卡瓦的专业公司，其产品结构紧凑、使用方便、安全可靠，适用于19 5/8的作业管柱。图5.1和表5-1是TES公司生产的液压动力卡瓦的外形结构和基本参数。图5.2和表5-2是Hydra Rig公司生产的液压动力卡瓦的外形结构和基本参数。国内目前还没有生产液压动力卡瓦的厂家。 350型 550型 762型图5.1 美国TES公司生产的液压动力卡瓦表5-1 美国TES公司生产的液压动力卡瓦型号及参数型 号350型550型762型963型外形尺寸（英寸）长宽高15.88 x16.5 x 1818.38 x21 x 2123.75 x22 x2326 x26 x 26作业管柱尺寸（英寸）1 3 2 1/8 5 2-3/8 7-5/84- 9-5/8最大通过直径（英寸）6”8-”10-3/8”12“额定载荷（lbs）150,000 300,000 400,000 600,000 HR-150型 HR-225型 HR-340型图5.2 美国Hydra Rig公司生产的液压动力卡瓦表5-2 美国Hydra Rig公司生产的液压动力卡瓦型号及参数型 号HR-150HR-225HR-340HR-600额定载荷（lbs）150,000225,000340,000600,000作业管柱尺寸（英寸）1.3152.8753.505.503.507.6253.508.625重量（lbs）3009501,1001,250开启高度（英寸）15.7519.525.025.0最大通过直径（英寸）4.3758.08.12511.1255.3 动力卡瓦的方案研究油管卡瓦的结构类型通常有以下几种：图5.3 轴向式卡瓦示意图1环板；2液缸；3卡瓦座；4卡瓦牙5.3.1 轴向式轴向式卡瓦开口尺寸的变化与卡紧是靠液压缸通过连杆铰链机构带动卡瓦体沿着不动的斜面外壳上下滑动而实现的。其结构如图5.3所示。这种结构形式的优点是卡紧可靠，结构简单。突出的缺点是开口尺寸变化较大时，卡瓦轴向尺寸过长。因此，这种结构通常用在卡持管径较小的场合。图5.4 径向式卡瓦示意图1壳体；2卡瓦座；3卡瓦牙；4液缸5.3.2 径向式径向式卡瓦的液压缸沿径向安装，其开口尺寸变化是靠径向液缸推动实现的，卡紧主要靠液缸推进实现，当然也有及斜面的楔形作用。如图5.4所示。径向式卡瓦的优点是开口尺寸变化范围大，轴向尺寸小，方便操作。缺点是卡紧效果较差。图5.5 轴径式卡瓦示意图1环板；2液缸；3顶丝；4滑道；5滑座；6卡瓦牙5.3.3 轴径合一式这类卡瓦结构如图5.5所示，既保持了轴向移动的液缸驱动形式，又采取了径向丝杆调节方式；既具有轴向卡紧的可靠性，又吸取了径向式变化范围大的优点。但顶丝受力严重，结构也较复杂，制造以及维护困难。5.3.4 补心式图5.6 补心式卡瓦示意图1环板；2液缸；3壳体；4补心；5卡瓦座；6卡瓦牙补心式卡瓦结构如图5.6所示，它是在可动卡瓦座与固定壳体间加了一个与转盘大方瓦相似的补心。当通过大直径管柱时，可以把补心提走，正常工作时再放入。补心不一定做成一周，可根据卡瓦片数做成几块镶条。这种结构形式具有轴径合一的优点。不压井装备起下管柱作业时，既要求其具有良好的可靠性，又要求其结构紧凑，同时还要考虑产品的制造成本以及使用成本。经过以上的对比分析，方案一具有卡紧可靠、结构简单的优点，其装拆、维护也方便，因此，采用方案一，其驱动方式采用液压驱动。5.4 动力卡瓦设计的基本理论对卡瓦机构的分析表明，只有在以下三个主要值成最佳比例的时候才能可靠地卡住管柱：卡瓦的倾斜角度、卡瓦与管柱的咬合系数、卡瓦牙背面与卡瓦座之间的摩擦系数。5.4.1 卡瓦卡紧管柱的条件卡瓦的卡紧过程是靠油管由于自重下行时，与卡瓦牙接触，并且带动卡瓦体一起下行而逐渐楔紧的。受力情况如图5.7所示。在楔紧的过程中管柱的重量Q为主动力，在Q力的作用下，靠管柱与卡瓦牙之间的摩擦力F2带动卡瓦一起下行，使卡瓦楔紧管柱。因此，卡瓦卡紧管柱的基本条件是管柱下行时能否带动卡瓦牙而实现楔紧作用。楔紧作用越强，则管柱卡紧越可靠。为此应保证 （5-1）图5.7 卡瓦受力分析图式中 卡瓦体与卡瓦座之间的摩擦力，； 卡瓦体与管柱之间的摩擦力，；法向反力； 正压力；卡瓦体与卡瓦座之间的摩擦系数；卡瓦体与管柱之间的摩擦系数；斜角；当卡瓦卡紧后，根据平衡条件有 （5-2）整理得 （5-3）上式就也是卡瓦正常工作的必要条件，分析上式，可以得出以下结论：（1）必须有当时，才能使卡瓦牙保持平衡，从而卡住管柱。因此使用时要保持卡瓦牙背部清洁光滑，及时检查卡瓦牙的磨损情况，一旦发现磨损严重时要立即更换；（2）越小，则卡紧越易，但过小会使卡瓦轴向尺寸过长，并且产生自锁现象，而且也会进一步增大对管柱的压力。因此，必须合理的确定。5.4.2 卡瓦上提不自锁条件卡瓦在工作时，必须靠油管上提来实现松卡，然后通过卡瓦的举升液压缸的举升力把卡瓦牙带出卡瓦座。因此，要求卡瓦座不能产生自锁现象。卡瓦不自锁的条件是卡瓦斜角应大于卡瓦牙与卡瓦座之间摩擦角，即 （5-4）为防止卡瓦牙与卡瓦座发生自锁现象，设计时应保证，又，所以 （5-5）卡瓦牙体与卡瓦座之间的摩擦系数取值范围为0.050.15，当摩擦条件恶劣时，所以 （5-6）即斜角应大于831才不致于产生自锁现象。在实际应用中，常采用92745230，此时锥度k1：3，为标准锥度，便于加工。资料26表明，当锥度k1：3时，即使在卡瓦牙和卡瓦座的摩擦表面只用水润滑也能可靠地卡紧管柱，这个锥度对现有各型卡瓦是比较合理的。我国已颁布了钻井卡瓦技术条件的部颁标准（SY504984）。其中规定卡瓦的锥度k1：3，其半锥角92745230 。5.4.3 最大斜角的讨论无论是从不产生自锁要求出发，还是从尽量减小卡瓦轴向长度出发，都希望能增大。分析式（5-3）可知，当越小，越大，则越大。图5.8 不同锥度下和P/Q与之间的关系曲线减小的途径可通过提高卡瓦牙与卡瓦座的加工精度，降低表面粗糙度和改善润滑条件实现。但在计算时仍保守地取0.15，以保证安全。增大的途径是提高牙板材料，改进热处理条件，合理选择牙板牙形来实现，据资料介绍，可达0.5之多。这时卡瓦牙与管柱之间已不能简单地用刚体摩擦来解释了，实际上彼此有变形、吃入现象。如果把0.15，0.5代入式（5-3）中可得出角稍大于15。因此取15。此时恰为k1：1.866的标准锥度（图5.8）。实际上，当时，0.4250.5，因而是可行的。5.4.4 卡瓦的最小工作面积钻杆或套管的卡紧会在卡瓦内产生复杂应力。这种复杂应力是由两种载荷的作用引起的，即拉伸载荷和压缩载荷。拉伸载荷由管柱自重引起，其作用方向为轴向，压缩载荷是径向的，为卡瓦工作时所产生。前面已经分析过，这两种载荷互相联系、取决于卡瓦与卡瓦座斜角以及摩擦系数的大小。改进卡瓦结构的另一途径是增加牙板对管柱的环形包角，以使卡瓦的压力能更均匀地加到管柱上、这对增加卡瓦的悬重能力，避免卡瓦咬伤管壁很重要。只有卡瓦面上有足够的正压力，才能产生足够的轴向和周向摩擦力。但如果卡瓦面上单位面积的载荷过大，一方面可能将管柱挤坏，另一方面也会使卡瓦牙快速磨损而无法正常工作。根据力学平衡条件及前面的推导，各卡瓦牙施加给管柱的径向压紧力的总和为 （5-7）式中卡瓦表面正压力； 管柱重量。因此卡瓦的最小接触面积为 （5-8）在管柱直径一定的条件下，卡瓦总周长实际上是一定的，因此求接触面积S的目的是确定卡瓦的长度。目前卡瓦的长度一般不少于200mm，但最大长度不超过400mm，因研究表明，载荷并不随长度按同比例增加。当卡瓦长度从300mm加大到400mm，所能增加的轴向载荷不大于1012。5.4.5 卡瓦牙的牙形图5.9 螺纹型切牙示意图卡瓦牙的牙形对卡瓦的性能有很大影响。确定卡瓦的牙形既要考虑管子的脏污程度，同时又要考虑卡瓦牙的耐磨性和牙齿之间消除污物的自洁能力，特别是产生的锈蚀。根据实际使用的情况，主要有两种牙形被广泛采用。第一种切牙是螺纹，牙距78mm，和80（图5.9）；第二种切牙是一种凸块，每个凸块呈切顶角锥形，切顶表面约为33mm（如图5.10）。这种形状和尺寸的切牙能够保证卡瓦与油管的结合系数不论表面在干的或湿的状态都能满足要求。有资料表明，咬合系数随油管在卡瓦中的轴向位移增大而增大。5.4.6 卡瓦的材料卡瓦牙和卡瓦座是卡瓦的主要零部件，卡瓦牙的牙形、材料和硬度对于卡瓦的图5.10 凸块型切牙示意图卡紧管柱能力、卡瓦牙寿命及保护管柱体表面等都有很重要的影响。目前大多采用20CrMo、12CrNi 之类的低碳合金结构钢作卡瓦牙，经过渗碳淬火后使其硬度达HRC4352或采用高碳合金钢进行高频加热与淬火。卡瓦牙属于易损零件，其拆换应力求方便。卡瓦座通常用中碳合金结构钢，铸成后热处理的硬度为HB207328。卡瓦的强度应按最大作用载荷并考虑25的可能过载进行计算。计算时所取的安全系数应不小于2。5.5 动力卡瓦的结构设计及力学分析5.5.1 动力卡瓦的结构设计通过分析国外液压动力卡瓦的结构，结合国内制造技术现状，本文利用pro/E软件对卡瓦的零部件进行结构设计，并通过了组装和干涉检验。液压动力卡瓦的结构如图5.11和图5.12所示，动力卡瓦由卡瓦座6、活塞杆3、压圈1、连杆2和卡瓦牙4等组成。卡瓦座上对称设置有两个液缸7，两个活塞杆连接在一个压圈上，保证活塞杆的同步往复运动，从而带动两片或四片卡瓦牙在卡瓦座内导向槽上下移动，实现对管柱的卡紧和松开。其主要特点是：零部件少，结构简单，工艺性好，总体尺寸小，可倒置安装。图5.11 两片式液压动力卡瓦结构装配图1压圈；2连杆；3活塞杆；4卡瓦牙；5缸盖螺母；6卡瓦座；7液缸；8油口；9安装螺孔图5.12 四片式液压动力卡瓦结构装配图1压圈；2连杆；3活塞杆；4卡瓦牙；5缸盖螺母；6卡瓦座；7液缸；8油口；9安装螺孔5.5.2 动力卡瓦的基本技术指标30T不压井起下装置选用图5.11所示两片示式液压动力卡瓦，该动力卡瓦的基本技术指标见表5-3：表5-3 液压动力卡瓦技术指标序号项目参数1最大通径130mm2卡瓦片数23液缸数24关闭高度400mm5额定载荷40 t6开启高度638mm7液缸直径40mm8控制压力4.0 Mpa9半锥角9.510液缸行程238mm11整体重量220kg5.5.3 动力卡瓦的力学分析图5.13 卡瓦牙三维实体模型对卡瓦来说，卡瓦牙（图5.13）和卡瓦座（图5.17）是两个主要受力部件，要使卡瓦正常工作，必须保证这两个零件的强度满足使用要求。本文使用了有限元分析软件ANSYS按照第四强度理论对这两个零件进行了强度分析。（1）卡瓦牙的力学分析 卡瓦牙的三维实体模型卡瓦牙的三维实体模型如图5.13所示材料：20CrMo；热处理硬度：HRC4352；屈服极限： 685 Mpa；图5.14 卡瓦牙的计算模型强度极限： 885 Mpa；弹性模量：206000Mpa；泊松比：0.3 卡瓦牙的简化计算模型及网格划分卡瓦牙的力学分析是为了了解牙体的应力分布情况，由于卡瓦牙的对称结构，为了便于简化计算，将牙型简化成圆柱面，并忽略连接结构，卡瓦牙的计算模型及网格划分如图5.14所示。 卡瓦牙的载荷边界条件根据卡瓦牙的工作情况，牙体与管柱接触的柱面受垂直向下的拉力和垂直柱面的压力，斜面承受来自卡瓦座的压力。在对称面所有节点Z向位移为0，斜面节点限制X、Y方向的自由度。如图5.15所示。有限元计算结果及分析由于卡瓦牙体受拉压综合作用力，按照第四强度理论计算其Von Miss相当应力，计算结果如图5.16所示。最大应力：239.155 Mpa，平均应力：66.650 Mpa。图5.15 卡瓦牙载荷边界条件 图5.16 节点应力云图从应力分布图看出，牙体应力分布比较均匀，最大应力发生在内圆柱面与对称面相交处和外圆柱面与牙体相交处，最大Von Miss应力239.155 Mpa，满足设计安全系数大于2的要求。发生在外圆柱面与牙体相交处的应力集中可通过过渡圆角得到改善。（2）卡瓦座的力学分析 卡瓦座的三维实体模型卡瓦座的三维实体模型如图5.17所示图5.17 卡瓦座三维实体模型材料：40Cr；热处理硬度：HB207328；图5.18 卡瓦座的计算模型屈服极限： 685 Mpa；强度极限： 490 Mpa；弹性模量：206000Mpa；泊松比：0.3 卡瓦座的简化计算模型及网格划分由于卡瓦座的对称结构，为了便于简化计算，取其四分之一作为计算模型，卡瓦座计算模型及网格划分如图5.18所示。 卡瓦座的载荷边界条件根据卡瓦座的工作情况，卡瓦座与卡瓦牙接触的斜面承受垂直斜面