开题报告-石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化

2023年12月19日发(作者：仇慎谦)

扬州大学广陵学院

毕业设计(论文)开题报告

学生姓名：

专业：

设计(论文)题目：

指导老师：

学号：

机械设计制造及其自动化

石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化

2014年 3 月 12 日

扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

题目来源指导老师出题

石油钻机用油井水龙头的结构设计及优化

题目类型为结合科研指导教师

机械设计制造及其自动化

学生姓名学号 1 专业

开题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段、内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。）

本毕业设计（论文）课题应达到的目的：

通过查阅与石油钻机用相关的文献，了解石油钻机用水龙头的结构组成、工作原理。

运用三维造型软件完成石油钻机水龙头SL160的三维建模。对SL160型水龙头的轴承进行安全校核，根据校核结果判断此部件是否能满足工作要求。运用有限元分析ANSYS软件对SL160型水龙头的提环进行有限元的静力学分析和模态分析，找出应力集中位置，根据分析结果判断系统中提环是否满足正常工作要求。

本毕业设计（论文）课题工作进度计划：

起止日期

工作内容

2014-03-01至2014-03-29

2014-03-30至2014-04-30

2014-05-01至2014-05-15

2014-05-16至2014-06-05

查阅资料，完成文献综述，参观实习，完成实习报告、开题报告、外文翻译。

使用三维绘图软件完成水龙头的各个零件图，并完成装配图。

运用有限元分析ANSYS软件对SL160型水龙头的提环进行有限元的静力学分析和模态分析，找出应力集中位置，根据分析结果判断系统中提环是否满足正常工作要求。

完成毕业设计说明书，按照相关要求打印装订成册。准备论文答辩。

文献综述

摘要

现代钻机机械属于一套联合机组，深井钻机属于重型机械。我国的石油钻采机械起步较晚，但发展较快，各石油机械零件设计已经发展到了新的高度。水龙头属于钻采机械旋转系统的一部分。根据水龙头所要完成的任务，水龙头由旋转部分，固定部分，承转部分组成。本文中对钻采机械的发展做一些简述，对水龙头的组成，结构，功用，特性等做一些简明的研究。对一些常见的水龙头做一些简单的介绍，并对其应用范围和特点进行分析。

关键词：钻采机械水龙头结构分析

一：本课题研究背景及钻机机械发展趋势

我国钻采机械行业和其他传统机械行业一样，起步较晚。虽然发展较快，但是总体仍未达到国际先进水平。国内对机械零件优化80%以上仍然局限于简单的机械零部件。

而今石油钻采机械优化设计已经不再是简单的零部件优化，而是复杂的零部件或者整机甚至组合产品系列化的优化。石油化工机械设备正在朝着机械设计更高的水平发展，我国的科研工作者也正在抓住这跨越式发展的机遇，让我国的钻采机械设计达到崭新的高度。

二：水龙头的结构与特性分析

2.1：水龙头的组成

水龙头是旋转系统的重要组成部分。根据水龙头在钻井过程中所起的作用，其结构可分为三部分：

1. 承载系统：中心管及其接头、壳体、耳轴、提环和主轴承（负荷轴承）等；

2. 钻井液系统：鹅颈管、钻井液冲管总成（包括上、下钻井液密封盒组件等）；

3. 辅助系统：扶正轴承、防跳轴承、机油密封盒组件及上盖等。

2.2水龙头的功用：

水龙头通过提环挂在大钩上，可随大钩运行而上提下放；下部接方钻杆，连接下井钻具；上部通过鹅颈管与水龙袋相连。由此可见，水龙头是提升、旋转、循环三大工作机组相汇交的“关键”部件。

1）悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分乃至全部钻具重量；

2）向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液；

2.3对水龙头的要求：

1）水龙头的主轴承必须具有足够的强度和寿命（因为水龙头的主轴承几乎是在全

图1 石油钻机工作示意图图2 水龙头结构图

部钻具重量下振动、旋转，工作条件十分恶劣）；

2）高压钻井液密封系统（或称冲管总成）必须工作可靠，寿命长，更换快速、方便；

3）机油密封良好，能制动补偿工作过程中密封元件的磨损；

4）各承载零件，如提环、壳体、中心管等，应具有足够的强度和刚性。

水龙头的寿命和工作质量主要取决于主轴承的结构类型、轴承布置方案和钻井液密封系统的结构型式。

2.4、结构特点

水龙头内轴承布置方案和冲管总成的结构型式最能反映水龙头的结构特点：轴承布置方案不同，冲管总成型式（钻井液密封装置的结构型式）不一样，便可完全改变水龙头的内部结构，并决定着水龙头的工作质量。

2.4.1. 轴承布置方案

依扶正轴承相对于主轴承位置，轴承布置方案可分为两大类：

1）两扶正轴承分置于主轴承两边

特点：

a. 扶正轴承间距A大，扶正效果好；中心管摆动小，工作稳定；有利于钻井液密封及机油密封；

b. 防跳轴承布置在上扶正轴承的下方，或只采用一个锥滚轴承，起扶正和防跳作用；这样，即可增大扶正间距，又可使结构紧凑。

2）两扶正轴承同在主轴承下侧

特点：

a. 扶正轴承间距A小，扶正效果差；

b. 在扶正轴承发生磨损时，中心管易发生摆动，工作不稳定；这种摆动将过早地破坏钻井液密封，加速机油密封磨损，使钻井液漏入油池，恶化了轴承润滑条件，缩短其寿命。

图3 两扶正轴承分置于主轴承两边图4两扶正轴承同在主轴承下侧

2.4.2. 钻井液密封装置（冲管总成）结构型式

冲管总成是水龙头中最关键的组件，也是水龙头最薄弱的环节。因为钻井液压力高，磨砺性强，稍有泄漏即会加速密封和冲管的磨损；冲管与中心管之间是转－不转的动密封。分为两大类型：

1）固定式冲管，V形机封式密封

冲管固定于鹅颈管上，工作时不转动，也不能轴向移动。10个V形橡胶或橡胶石棉密封圈，借助弹簧力进行密封。利用中心管上部作为密封盒，密封盒压帽与中心管由丝扣联接。

这种结构型式存在的问题：

a冲管刚性固定，中心管略倾斜，易破坏钻井液密封；

b密封圈数目多，润滑条件差，摩擦损失大；

c密封圈不易压紧，砂粒较易进入密封圈，加速了密封圈和冲管磨损；

d更换冲管密封圈时，必须卸下水龙头上盖，这对安全、快速钻井非常不利。

目前已经不再使用。

2）浮动冲管，Y形液压自封式密封、快卸机构

特点：

a. 浮动冲管：冲管浮立在鹅颈管过渡接头和中心管之间，工作时不转动， 5

但允许略有轴向窜动，冲管磨损均匀；

b. Y形密封圈与钢制隔环交迭布置，密封圈可借助钻井液压力自行封紧；它的唇部在钻井液压力作用下可始终贴住冲管外壁，工作过程中，即使在密封圈不断磨损的情况下，仍能靠钻井液液压力涨开唇部而很好密封。

c. 密封圈数目少，可通过密封盒上黄油嘴注入黄油，润滑条件好，大为减少了摩擦能量损失和磨损；

d. 冲管和中心管同心性好，密封盒有定位止口，圆柱配合面定心，可提高加工及配合精度，保证冲管与中心管有很好的同心性，不易产生偏磨，延长了冲管和密封盒的寿命；

e. 能快速拆装，更换方便。只需将上、下密封盒压帽旋出，就可取出冲管总成，更换密封圈或冲管。无需像老式水龙头那样要拆卸水龙头上盖和鹅颈管，对安全、快速打井具有重要意义。

三：总结

水龙头作为钻采机械中承上启下的关键性组成部分，其质量和工作情况决定着钻机的工作情况。对水龙头的要求也显得要有必要的苛刻性，对其结构的优化和寿命的延长也有很多要求。对水龙头结构各组成部分的技术要求都比较严格。水龙头的主轴承寿命和密封性是其最重要的两个环节，在设计和优化过程中要严格要求。本次研究的课题主要的技术难度也在此几处。

参考文献：

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[6] 振威石油网.国内外石油钻机新技术及发展趋势[EB/OL].[2014-3-8].百

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