F-1300型钻井泵主螺栓及轴承盖的改进.pdf

2 0 1 1年 第 9期 第 4 O卷 第 7 5页 石油矿 o I L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 2 0 1 1 ， 4 0 9 7 5 ～7 7 文 章 编 号 1 00 1 3 4 82 2 O1 1 0 9 0 0 75 - 0 3 F 一 1 3 0 0型钻井泵 主螺栓及轴承盖 的改进 王 峰 中国石油西部钻探 T 程公司 吐哈钻井公 司， 新疆 鄯善 8 3 8 2 0 0 摘要 分析 了 F 一 1 3 0 0型 钻 井泵主螺 栓及 轴承 盖 断裂 的现 状 与 原 因 。改进 了结 构 ， 加 强 了主 螺栓 连 接 强度 ， 进 行 了受 力分析与 校核 ， 并 对主轴 承润 滑油路 进行 了改 造 ， 以确保 充分 润 滑。改进 后 ， 保 证 了 F 一 1 3 0 0型钻 井 泵在钻 井现 场恶 劣工 况下安 全使 用 。 关键词 钻 井泵 ； 螺栓 ； 轴承 盖 ； 技 术 改造 中图分 类号 TE9 2 6 文 献标 识码 B F一 1 3 0 0 Dr i l l i n g Pu mp o f M a i n Bo l t s a nd Be a r i n g Co v e r I mp r o v e me n t W ANG Fe n g 1 、 u h a Dr i l l i n g C o mp a n y o f XDEC， S h a n s h a n 8 3 8 2 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t Th e F一 1 30 0 d r i l l i n g pump o f ma i n bo l t s a n d be a r i ng c o v e r pr e s e nt s i t u a t i on a nd t he r e a s on we r e a na l yz e d， t hr o ug h t he s t r uc t ur e i n t r a ns f or ma t i on，t he m a i n b o l t s c on ne c t i o n s t r e n gt h wa s r e i nf o r c e d， a n d t he s t r e s s a n al ys i s e x a mi na t i o n wa s c a r r i e d on ．Si m u l t a ne ou s l y c or r e s p on di n g o n t he ma i n be a r i ng l ub r i c a nt r o a d wa s t r a ns f o r me d， t he s u f f i c i e nt l u br i c a t i on e f f e c t wa s gu a r a n t e e d． Th e F一 1 3 00 t yp e o f d r i l l i n g pu m p t O s ol v e t he m a i n bo l t s a nd be a r i ng c ov e r q ue s t i on wa s i m pr ov e d， i t i s mo r e s ui t a bl e f or t he e nv i r on me nt o f ba d dr i l l i ng s i t e r e l i a bl y u s e ． Ke y wor d s dr i l l i n g pu mp； bo l t s； b e a r i n g c ov e r ； t e c h ni c a l r e f or m 钻井泵 是钻 机 的 心脏 ， 在 钻 进 过 程 中为 钻 井 液 提供 动力 ， 使钻井 液 产 生 高压 和 大 排 量形 成 钻 井 液 循 环 ， 既可 以辅助 钻头破 碎岩 石 ， 又可 以起 到冲洗井 底 、 携 带岩 屑 、 冷却 钻头 和加 固井壁 等作 用 。 由于 环 境恶劣 、 钻井 工况 复 杂 、 钻 井 载荷 大 等 原 因 ， 导 致钻 井泵故 障率增 大 。笔者 对吐 哈钻井 公 司机修 厂 的返 修 钻井 泵调查 统计 ， 发现 有 多起 钻井 泵 主 轴 承 压 紧 螺 栓及轴 承盖 发生 疲 劳 断裂 事 故 。 主轴 承 压 紧 螺栓 或 者主轴 承螺栓 简 称主螺 栓 的母螺 纹设 计在 泵机 架本 体上 ， 主螺栓 断裂 后 断丝从 母螺 纹上取 出 困难 ， 有 的导致 钻井泵 机壳 损坏 ， 有 的导致 齿轮 啮合错 位 ， 损坏 轮齿 ， 修理成 本加 大 ， 因此有 必要 对此 问题 进行 分析 和解决 。 1断裂统计 与分析 吐 哈钻井 公 司 2 0 0 7年 钻 井泵 主螺 栓 断 裂 故 障 统计 结果 如表 1 。 表 1 2 0 0 7年钻井泵主螺栓断裂故障统计 收稿 日期 2 0 1 1 一 O 3 3 O 作者简介 王峰 1 9 7 0 一 ， 男 ， 陕西风翔人 ， 工程 师 ， 主要从事石油钻井设备维修生产管理工作 。 石油 矿 场机 械 2 0 1 1年 9 月 续 表 l 钻井泵型号 主要故 障 钻井泵生产厂家 据调研 ， 国内其 他油 田钻 井泵 也 出 现 主螺 栓 及 主轴 承盖 断裂 的 故 障 。本 文 以典 型 的 F l 3 0 0型 钻 井泵 主轴 承压 紧螺栓及 轴承 盖为例 进行分 析 。 F 一 1 3 0 0 型 钻 井 泵 主 轴 承 主 螺 栓 材 料 为 4 0 C r Ni Mo A， 调 质 处 理 硬 度 要 求 达 到 3 0 5 ～ 3 3 6 HB 。朱建 军等从 宏 观 断 口、 化 学 成 分 、 力学 性 能 和 低倍组 织金 相分 析 等方 面进 行 主螺 栓 断裂 分 析 ， 认 为是 弯 曲疲 劳及 螺纹根 部严 重的应 力集 中造成 的疲 劳破 坏_ 】 。张庆元对 F 一 1 3 0 0型泵机 架 建模 进行 强 度 、 刚度 和模态 振 型分 析认 为 在 泵 的 结构 上 ， 泵 尾 开 口部位 的边界 为 自由边 界 ， 被 动轴 孔 虽 有加 强 筋 在起 作用 ， 但这 不足 以补偿 开 口的减弱 ， 使 得开 口部 位在局部范围内振幅较大， 开 口部位仍是整个机架 动 刚度 最小 ， 最 薄弱 的部 位 j 。 2 结构改进 F 一 1 3 0 0型钻 井 泵 曲轴 两 端 每 个 主 轴 承 盖 上 只 有 2条 M7 6 3的主螺 栓 ， 也 就是轴 承盖每 端 只有 1 条 主螺栓 ， 而且 螺 栓母 螺 纹 在机 架 本 体上 。现 在 的 改进 思路是 将原 来 的每 端 1条 主螺 栓 改进 为 2 条 ， 主螺栓两头用可以 自由脱离的螺母连接。具体实施 方法 是 将 轴承 盖 的宽 度 由原来 的 1 6 5 mm 增 加 到 1 9 0 mm。将 4条 M7 6 3的 主螺 栓 改成 8条 M5 6 3 5 1 5的双头螺柱， 将 螺栓母 螺纹从 机壳上 移 出 ， 改 成 方 便 更 换 的 螺母 ， 材 料 为 4 0 C r Ni Mo A， 热 处理 工 艺不 变 ， 改 造 后 的 主 轴 承 盖 结 构 如 图 l 所示 。 图 1 改造后主轴承盖结构 3 计算分析 改进后 的主轴承 螺栓受 力分 析如 图 2所示 。 1 根据文 献[ 1 ] 可知 ， 钻井泵 主螺 栓受拉 伸载 荷， 当泵工作时 ， 其拉伸载荷随曲轴的旋转而交替变 化 ， 其 值为 1 9 ． 7 ～2 1 3 ． 8 k N。由于 主螺 栓最 小螺 纹 外径 为 0 5 2 mm， 因此主 螺栓所 受 的最大拉 应力为 ⋯ 一 P ／ 2 s一 2 1 3 ． 8 ／ 3 ． 1 45 2 2 一1 2 ． 5 9 MP a 最小拉 应力 为 P ／ 2 S1 9 ． 7 ／ 3 ． 1 4 X 5 2 x2 一1 ． 1 6 MP a 式 中 ， P⋯ 为钻 井 泵 主轴 承 一 端 主螺 栓 受 到 的最 大 拉伸载荷 ； P ⋯为钻井泵主轴 承一端主螺栓受到的 最小 拉伸载 荷 ； S为 钻 井 泵 主螺 栓 最 小螺 杆 外 径 的 横截 面积 。 轴承上盖主螺栓主螺栓螺母 图 2 主轴承螺栓受力分析 最大拉 应力 与最 小拉应 力之 比为 RO m in ／ o ⋯ 一1 ． 1 6 ／ 1 2 ． 5 9 ≈O ． 1 第 4 o卷第 9 期 王峰， 等 F - 1 3 0 0型钻井泵 主螺栓及轴 承盖 的改进 当 R一 0 ． 1时 ， 试 验 测 定 的 疲 劳 极 限 为 2 8 3 MP a 1 ] ， 远 大于 1 2 ． 5 9 MP a ， 因此 改进 后 主螺栓 在规 定 的使用 期 限内不会 发生 疲劳 断裂 。 2 文献 [ 6 ] 认 为 主螺栓受 偏载荷 作 用 ， 承 受非 对称 轴 向变载 的预 紧螺栓 ， 其应 力 幅公 式 为 口 一 o 一K F／ 1 ． 5 7 d d ⋯ ／ 2 式 中 ， 为应力 幅 ； 为直 径 为 d 的截 面上 承 受 的 最大 附加弯 曲应力 ； K 为 刚性 系数 。 ⋯ M／ 7 c 。 ／ s 2 式 中 ， M 为偏载 引起 的最大 附加 弯矩 。 主轴承上 盖受 力模 型如 图 3 ， 受 集 中力 Fs i n 0 作 用 ， 在 支点 A 产 生 的最 大 转 角 为 ， 即 上 盖在 上 下 盖 接合 面 A 点 处产 生 一 转 角 n 。 由于 主轴 承螺 栓 抗 弯刚度 远 比上盖 端 部 截 面 的小 ， 上 盖 端部 部 分 可 按 刚体看 待 ， 这 样 ， 上 盖 绕 A 点 逆 时 针 旋 转 角 ， 促使 主轴 承螺栓 与上 盖的接 触 面随着 上盖 的旋转 产 生 同样 的逆 时针转 角 ， 相 当于 螺栓 上施 加 r 1 个 附加 弯矩 ， 即 M E1 J 1 ／ 1 2 式 中 ， E 为 上 盖材 料 弹性 模 量 ； ， 为 轴承 七盖 两端 端面 的惯性 矩 ； Z 。 为轴 承盖 长度 。 l皋 J 3 主轴承 _ 卜 盖受力模型 计 算结 果表 明 ， 当 一7 0 。 时 ， 一1 3 ． 2 3 MP a ， 其值最大 - [ ] 一1 3 ． 9 7 MP a ， 即 [ ] 说明改 进后 主螺栓 的疲 劳 强度满 足要 求 。 4油路 改进 F 一 1 3 0 0型钻 井泵 主 螺栓 及轴 承 盖改 进后 ， 主轴 承 润滑通 道也发 生 了变 化 。原 来 润滑 油 有 2路 一 路通 过压力 油孔 流 向 主螺 栓 孔 ， 再 经过 轴承 套 上 的 油孔 流入主 轴承 ； 另一路 由机 油泵 泵入 主螺栓 孔 ， 再 经过轴 承套 上 的油 孔 流入 主 轴 承 。经 过 改造 后 ， 主 轴承盖 螺栓孔 被 堵 死 ， 必须 重新 设 计 油 路通 道 。方 法是分 别 在 左 右 2个 轴 承 套 上 钻 油 孔 ， 油 孔 口为 Z G1 ／ 4 的母 螺纹 ， 用 于连 接 油管 线 接 头 。通过 管 线 将来 自上部压力油流和下部机油泵的润滑油直接通 向主轴 承 ， 如 图 4所 示 。由 于润 滑 油 直 接通 过 管 线 进 入轴 承套 再进 入轴 承 ， 减 少 了压降 损失 ， 所 以润 滑 效 果 良好 。 油通 油嗵 轴承套 图 4 主轴承套润滑油路 5 结 语 本 文结 合现 场 _丁作经 验 ， 将 F 一 1 3 0 0型 钻井 泵主 螺栓及 轴 承盖进 行 了改造 ， 相应 的 主轴 承 润 滑油 路 也进行 改造 。 将使 F l 3 0 0型钻 井泵 更加 符合 油 田现 场实 际操作 、 维 护与 保 养 。吐 哈钻 井 公 司将 F 一 1 3 0 0 型钻井 泵进行 改 造后 ， 至今 未发 生 过 主螺 栓 疲 劳 断 裂事故 ， 对保障钻井 的顺利进行。 降低钻井成本和杜 绝安 全 隐患起 到重 要 的作 用 ， 此 改 进方 法 还 可 以应 用 到其他 型号 的泥浆 泵 。 参 考 文 献 [ 1 ] 朱建军． 钻 片泵 主轴 承螺柃断裂分 析[ J ] ． 删 化榆验 物 理 分 册 ， 2 0 0 3 3 】 5 7 l 5 9 ． [ 2 ] 汤云霞 ， 王立军 ， 王文 ． 钻 铤连接 螺纹 断裂 火效分折 及结构优化 [ J ] ． 油矿场机械 ． 2 0 0 9 ， 3 8 6 2 5 2 8 ． E 3 ] 崔顺 贤 ， 黄伟 ， 叶顶 鹏 ， 等． 钻铤 内螺纹接头横向开裂 失效分析 [ J ] ． 石 油矿场机 械， 2 0 1 0 ， 3 9 1 1 4 4 4 8 ． [ 4 ] 李兴杰 ， 张 国田。 范春英 ， 等． 随钻震击器 筒体 连接螺纹 失效分析 及改进E J 3 ． 石油矿场机做 ， 2 0 1 0 ， 3 9 5 5 2 5 5 ． [ 5 ] 张 庆元 ， 陈如 恒 ， 蒲 容 存 ， 等． F 一 1 3 0 0钻井泉 机架静 动 态有限元分析l_ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 0 2 8 3 8 7 ． [ 6 ] 宋玉 平 。 蔡 玲 ， 齐 文宽． 3 N B I 3 0 0 C 型泥浆泵 的 主螺 栓断裂 失 效 分 析 [ J ] ． 石 f f{ l 矿 场 机 械 ， 1 9 9 9 ， 2 8 2 4 ] 一 44．