API FZ35-70闸板防喷器设计计算书01.doc

泸州川油钻采工具有限公司标准SSVH井口超压自动截断控制装置试验规程 LZCY/QC 824-22编写： 审核： 批准：LZCY/QC泸州川油钻采工具有限公司LZCY/QC（J）730-02 FZ3570、2FZ35-70闸板防喷器设计计算书编制 校对 审核 批准 泸州川油钻采工具有限公司 - 7 -API FZ闸板防喷器设计计算书 LZCY/QC(J)730-01 FZ35-70、2FZ35-70闸板防喷器的设计，针对主要的承压及受力零件进行。由于壳体、侧门等零件形状复杂、工况恶劣、常规的经典计算结果偏差太大，因而采用了有限元方法对其进行精确分析。侧门螺栓、液缸、液缸联接螺栓、活塞杆、缸盖等部分受力件进行常规强度校核。一、油缸联接螺栓强度计算螺栓材料40CrNiMo 其=835 MPa许用应力：=0.83S=693 (MPa)根据第四强度理论螺栓应力：=579.3MPa式中：F0=F+F= N=2.91106(N)D=350mm 油缸直径d=70mm 活塞杆小端外径P=31.5MPa 油缸试验压力dc= H0.866 pp=3 螺距dc 螺栓计算直径d1=35.75 油缸联接螺栓螺纹小径=0.2F 螺栓预紧力Z=8 螺栓个数许用应力：=0.83S=693 (MPa)显然计算应力： 故油缸螺栓强度满足要求。二、 侧门螺栓强度计算螺栓材料40CrNiMo 其=835 MPa许用应力：=0.83S=693 (MPa)a) 螺纹处应力：根据第四强度理论螺栓应力：=520.7MPa式中：F0=F+F= N=SP P=105MPa 试验压力 S=116341 (mm2) 侧门受压面积dc= H0.866 pp=3 螺距dc 螺栓计算直径d1=76.752 油缸联接螺栓螺纹小径=0.2F 螺栓预紧力Z=8 螺栓个数显然计算应力： 显然，侧门螺栓不会被变形，则抗拉强度更满足要求。b) 侧门螺栓压紧面抗剪强度校核如右下图示：侧门螺栓压紧面高度为h=51mm，由于侧门上螺孔=83mm，因而剪切应力为： = =115MPa其中：P=105MPa 试验压力 S=0.12(m2) 侧门受压面积 Z=8 侧门螺栓数 =0.8=554.4(MPa)因而有，故侧门螺栓压紧面不会出现剪坏的情况。三、 活塞杆强度校核活塞杆材料2Cr13 其=450 MPa （热处理后）许用应力：=0.83S=373.5 (MPa)（一)、关闸状态；（二）、开闸状态。两受力情况（一）按照钻井工艺对防喷顺功能要求，活塞杆强度应适应如下工况：i. 承受正常关井时，手动锁紧后，操作人员没有按规定回转手柄1/41/2圈，此时活塞杆受力情况如图（一）所示 图（一）ii. 按照API规定，特别是紧急情况，该防喷器闸板应能悬挂18斜坡钻具200吨，并能密封额定井压，这种情况又分为以下三种工况：.液动和手动联合关井并锁紧.纯液动关井.纯手动关井并锁紧仔细分析上述几种工况，不难确定下述为最恶劣的工况组合，即悬重18斜坡钻具200吨，密封额定井压，纯手动关井并锁紧活塞杆所受压力最大，此时活塞杆受力如图（二）所示为： 图（二）F1=N+N井 N 悬挂钻杆时对活塞杆推力 N井=P井d2/4 井口液体对活塞杆前端的压力 P井=70MPa d=100mm悬挂200吨18斜坡钻具时的受力情况如图（三） 图（三）2(fcos(18)+Nsin(18)=G 2(Ncos(18)+Nsin(18)=G N= 9.6105(N)其中 f=N =0.75密封橡胶与钻杆摩擦系数 G=1.966106(N)所以悬挂钻杆时对活塞杆推力 N= =N 6.9105所以： F1=N+N井 F1=6.9105+701002/4=1039778(N)活塞杆尾端抗压强度校核 =367.7MPas（二）当带压打开闸板或以正常开启油压打开闸板，而此时闸板被卡住，则活塞杆前端（挂钩部位）受到拉伸和剪切，并在该处内部应力相对较大。还有就是链接活塞螺纹退刀槽处如图（四） 图（四）如图SA=4869.35(mm2) SB=d2/4=4536.5(mm2) G=200103g=1.966106(N)A=207.5(MPa) 202(MPa)在截面A-A用第四强度理论得：（MPa）=222.7(MPa)由上可得：A-A和B-B应力都小于，所以活塞杆满足设计要求！四、在手动关井时活塞杆受力通过锁紧轴与缸盖之间的梯形螺纹传递给缸盖，在梯形螺纹发生的失效多为螺母失效，所以对缸盖梯形螺纹牙进行强度校核，并对缸盖观察孔位置进行校核。查手册并考虑缸盖结构尺寸有：缸盖材料35CrMo 其=660 MPa许用应力：=0.83S547.8 (MPa)一）：梯形螺纹牙强度校核； =（MPa）（MPa）根据第四强度理论：227（MPa）所以 缸盖梯形螺纹满足强度要求。其中F1=1039778N d=70mm t=0.634 Z=9 h=0.5二）：缸盖观察孔截面如图（五）所示=154.5（MPa） 其中F1=1039778(N)所以缸盖在此处满足强度要求因此缸盖满足设计要求。五、 油缸壁厚校核查手册并考虑液缸结构尺寸有液缸材料35CrMo 其=835 MPa许用应力：=0.83S693 (MPa)按新修订标准要求，液缸部分应承受31.5 MPa液压强度试验，此时，液缸可视为内腔受31.5 MPa内压的园筒，按弹性力学理论，园筒沿壁厚方向的应力分布规律表示式为： 所以当 时 液缸压力最大 6.38P式中：R0=410mm,Ri=350mm分别为园筒外、内半径，P=31.5MPa为内压。 按第三强度理论，等效应力为：(MPa)故安全六带压关井所能关闭的最大井压当井内有压力P井时，再关井，在活塞杆前端的井压推力等于关闭油缸腔的推力时，两者达到平衡，此时应有（不计密封处摩擦）：解得：P井101 (MPa)式中：d油缸=350mmd活塞杆小径=60mmd活塞杆前端=100mm油压=8.5 MPa即是说，在最低控制油压8.5 MPa下关井，只有在井压大于101MPa时，才有可能造成通过油缸关井困难，实际上在操作规程中，井口一旦发生井涌溢流，就要求立即关井，而此时井口压力还没有起压。因此，从结构设计上看，该防喷器考虑了井口带压打开或带压关闭的特殊工况，它至少能够在70 MPa的井口压力下，带压关井。六、 带压打开时所能打开的最大井压当闸板关井密封时，若遇特殊工况，需带压打开，设井口压力为P井，打开液压10.5 MPa，要达到平衡此时应有：当P=10.5（MPa） 解得：P井50 (MPa)当P=21（MPa） 解得：P井100 (MPa)其中：d活塞杆（打开腔）=100（mm） P 液缸压力 S=44060(mm2) 闸板有效贴合面积因此，该防喷器在以10.5 MPa油压带压打开井口时，最大能打开50 MPa井压，以21 MPa油压打开井口时，最大能打开100 MPa井压。七、 侧门密封处止推压板螺钉强度校核螺栓材料1Cr13 其=350 MPa许用应力：=0.83S=290.5 (MPa)它所承受的最大推力，应是下述工况时发生，当井内无压力，在开启腔以31.5 MPa液压试验时，作用在内=50mm，r外=60mm的园环面的推力，通过压板直接传递到固定螺钉上。最大推力为： =108856(N)螺钉选为：M12、材料1Cr13、小径10.1mm螺钉应力：=285.