3NB1300钻井泥浆泵液力端系统的设计【全套设计含CAD图纸】
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全套设计含CAD图纸
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毕业设计开题报告学生姓名： 学 号： 班 级： 机职041 所在学院： 机电工程学院 专 业： 机械工程及其自动化 设计题目：3NB1300钻井泥浆泵液力端系统的设计指导教师： 完成时间： 毕业论文开题报告班级： 姓名： 论文题目3NB-1300钻井泥浆泵液力端系统的设计一、选题背景和意义：石油钻井技术发展90年代, 由于海洋深水油气田的开发和大量水平井钻井的需要, 不仅使钻机的功率加大, 提升能力加强, 而且使钻井泥浆泵功率也增加到14701618kW(20002200hp)。泵压则由35MPa提到52.7MPa。这种新参数的泥浆泵已经在半潜式、浮动钻井船, 改造的自升式平台上大量采用。并在英国北海油田、美国墨西哥湾油田、西非海岸的油气开发中服役。在南中国海也将3NB1600 型泵的泵压提高到52.7MPa 后使用在钻井平台上。预计在未来的几年中, 在我国的各类海洋平台和钻井船上3NB1300型和3NB1600型泵也将陆续改造为52.7MPa 或更换成3NB2200型泵。而在沙漠中大于7000m 的油气井也将用3NB2200型泵来完成。采用大功率泥浆泵主要是解决在水平井段防止钻杆卡钻和清除井底岩屑, 加快进尺, 为井下提供动力, 缩短钻井周期, 降低钻井成本。目前在一般水深小于1200m 的油田, 半潜式钻井船日租费用为$2.5万元/d, 而在超深水域半潜式钻井船将高达$12万元/d 。因此, 采用安全可靠、性能先进的高压大功率泥浆泵是提高钻井效益的有效途径。目前, 国产大功率三缸泵最大为3NB1600型泵, 且压力为35MPa。为了尽快适应日益发展的钻井技术的需要, 应加快研制国产3NB2200型泥浆泵。大功率泥浆泵在海上油田的采用, 势必扩展到陆上超深井和水平井钻机上, 就像过去三缸单作用泵在海洋钻机上替代双缸双作用泵一样, 形成一场革命, 很快扩展到陆地钻机。随着泵压的升高, 对钻机中各类钻具的性能要求也将随之提高, 否则, 采用高压大功率泥浆泵后带来的钻井效益将由于钻具的频繁损坏而殆尽。关于轻便钻井泵功率在955KW以下，主要配套于4000m以下钻机，因此，轻便钻井泵的市场前景基本依从于4000m以下钻机的使用现状和发展。随着改革开放的深入及中国加入世界贸易组织（WTO），我国石油钻井队伍“充分利用国内外两种资源、两个市场”，实施走出去的战略，进入国际钻井市场，为了满足参与国际市场的需要，中石油、中石化都在不断加大钻井设备的投入，同时加快了老钻机的更新改造和新型轻便钻机的研制步伐，加之国际市场对钻井泵的需求量增大，使得钻井泵的供求矛盾更加突出，各类型钻井泵的缺口每年达200台左右。随着新钻井工艺的应用和发展，要求开发具有更高更好性能的新型钻井泵。因此该项目具有良好的市场前景。随着越来越多的国产设备步入国际市场，也会极大地提高我国石油装备制造企业的国际声誉，创造出更多的商机。二、课题关键问题及难点：本题目将设计一台3NB-1300钻井泥浆泵，主要有液力端部分，泵壳部分、动力端部分、润滑部分等组成。本子题目将对3NB-1300钻井泥浆泵液力端进行系统的设计。 关键问题是对阀箱、拉杆、活塞和缸套等进行设计。 根据以下数据进行设计 泵型：卧式三缸单作用 输入功率：956千瓦 齿轮传动比：I=128/35=3.657 主动轴额定转速：437.77转/分 外形尺寸（长*宽*高）：5050*2406.5*2655 总质量（包括皮带轮、予压空气包和喷淋系统）：22300Kg难点：阀箱设计阀箱是三缸泵液力端的主体零件，外表呈方形。直通式液力端有三块阀箱，而 L 形液力端有六块阀箱。阀箱可视为开有交义内孔的厚壁高压容器。在阀箱壁上布有一些联结法兰的螺柱孔和其它螺栓孔眼。实践证明，由这些孔眼位置和尺寸所决定的阀箱壁厚一般超出了安全爆破压力所需的壁厚。阀箱内安装吸入和排出阀的部位称为阀腔。功率大的泵，流量大，要求阀座的通孔面积大，应选择较大的阀腔号,实际使用中阀箱的正常失效形式是由脉动内压和介质腐蚀引起的内表面应力集中点的疲劳开裂。阀箱的材料以采用挑35CrMo锻钢为好。这种材料调质后有相当的硬度，其耐磨性和耐冲蚀性较好，有助于避免阀箱被高压泥浆刺伤等。国外也有人主张用 35 , 40等优质碳钢制造阀箱，因为在泥浆的浸泡中碳钢和铬钼钢的疲劳极限是相近的，阀箱内表面的疲劳极限和耐磨性最终主要决定于镀层。钻井泵阀箱在加工完毕后应逐个进行水压试验。试验压力规定为最高设计工作压力的两倍。这项试验的目的是防止成品阀箱因含有材料缺陷而在工作时发生整体爆炸事故。如果阀箱上原设计的有关密封件不能承受试验压力，可在试验时换用其它密封方法。三、调研报告（或文献综述）：1.钻井泥浆泵的发展趋势目前，国内外三缸单作用往复式钻井泵存在的主要问题a） 钻井泵质量大，难以适应现代轻便钻机的要求，制约钻机的移运性。b） 冲程短，冲次高。钻井泵在不适合的冲次范围内工作，致使液力端寿命短。c） 泵压低，不能完全满足钻井工艺的需要。d） 结构不合理，部分强度冗余，部分刚度不足，可靠性低，难以满足钻机高可靠性要求。e） 缸套寿命短，难以满足钻机高效率要求。钻井行业的发展方向是提高时效、降低成本和采用能够降低成本的新工艺、新技术和新装备。运用高速高压喷射钻井工艺是这一趋向的必然选择。高速由高可靠性的钻机来保证，高压喷射则由高可靠性的钻井泵来保证。决定钻井泵易损件寿命和工作效率的参数为泵冲次、冲程、排出压力和吸入压力。随着钻井工艺技术，特别是高压喷射钻井、近平衡钻井、丛式定向井、水平井等新工艺、新技术的发展，钻井泵进一步向大功率、大排量和高泵压方向推进，作为钻机“心脏”的钻井泵，其性能水平和使用寿命同钻井速度和生产成本有着直接关系，同时其工作条件又十分恶劣，工况也异常复杂，对钻井泵的可靠性和安全性提出越来越高的要求。对于轻型钻井泵来说，排出压力将进一步增高，以适应现代钻井工艺的要求。多年来，钻井的实践证实，只有卧式活塞泵能满足钻井工艺要求，钻井使用的活塞泵传动功率由3002000kW，最大排量850 L/s，最小排量下的最高压力为9 40 MPa。从排量的均衡性，对不同结构泵的排量不均度进行分析，结果表明，曲柄错角120的三缸泵比其他方曲柄错角等的多缸泵都有利；三缸以上的泵由于结构复杂、维修困难和易磨损而难以广泛应用。近年相继开始研制出5缸、7缸斜盘型轴向柱塞泵、双缸单作用液压钻井泵等新型钻井泵，但由于维修不便及使用寿命等因素限制了其推广应用。所以目前国内外钻井泵的主要型式仍为三缸单作用往复泵。三缸泵的液力端为L 形结构，复合锥面阀胶皮，冷却缸套活塞内孔喷射移动式喷淋装置，直立式吸入空气包；动力端体外强力润滑系统，闭式内固定导板机构。因此，轻便钻井泥浆泵的发展趋势是降低额定冲数。降冲次可以提高易损件寿命，如活塞密封、缸套的使用寿命，还可以减少惯性损失、改善泵的吸入性能，同时提高泵动力端齿轮、轴承等零部件的使用寿命，大大提高钻井泵的可靠性。合理降低泵的冲次，适当增加泵的冲程长度，既满足钻井过程中的排量要求，又能确保泵的自吸性能，充分发挥了泵的效能，成为今后钻井泵设计的发展方向。2.液力端液力端由缸盖总成、凡尔总成、拉杆、活塞与缸套等组成。1)缸盖总成缸盖总成的作用是封住液缸、压紧缸套及调节缸套盘根的松紧，使其保证良好的密封状态，以保证钻井泵的正常工作。根据泵的传动功率、工作压力的大小，缸盖总成的结构可分为两大类。但不论哪一种结构，缸盖总成都承受全部的液力负荷。特别是高压喷射钻井工艺，对泵提出的要求更高。2)凡尔总成钻井泵全部采用的是锥形盘状凡尔体，液体沿凡尔体的外缘流动，它的密封是靠凡尔体上的凡尔胶皮合金书面语凡尔座的金属接触实现的。凡尔胶皮突出干凡尔体的金属部分，因此，凡尔胶皮除了起密封作用外，还对凡尔关闭起缓冲作用。凡尔弹簧的主要作用是保证凡尔及时关闭。为了使凡尔体平稳准确地座落在凡尔座上，凡尔还配备有导向装置。凡尔座与凡尔穴孔靠一定加工精度的锥度配合来实现密封的。图1 钻井泵凡尔体3)拉杆拉杆一端与中间拉杆相连，一端与活塞相接，通过拉杆把动力传给活塞。 图2 钻井泵拉杆拉杆与活塞的配合：拉杆的一端靠锥度与活塞相配合，而实现密封。因此对拉杆锥度要进行精密加工，以保证锥度配合有较大的接合面（要大于70%）。锥面上只要有很少一点锈，润滑液或泥浆都会妨碍配合。所以，在安装活塞前，一定要将活塞孔和拉杆锥度部分洗净抹干。必要时，可用较好的刚砂布或砂纸打磨，在安装时，不使用润滑剂，因为润滑油膜会妨碍拉杆和活塞的金属面接触，易使活塞松脱，这样，泥浆会将活塞锥孔和拉杆的锥度部分刺坏，另外，一定要按规定拧紧拉杆螺帽，以保证活塞的正常工作。拉杆盘根：拉杆盘根是用来封严拉杆和后缸之间的间隙的。最早采用的拉杆盘根是压紧式矩形盘根。这种结构全靠拉杆盘根挤紧拉杆实现密封的，工作时发热十分严重，仅适于在70大气压以下工作。目前最常见的拉杆盘根有两种结构。一种是采用自封式多皮碗的拉杆盘根。这种盘根是靠泥浆压力将拉杆盘根唇部撑开，对拉杆实现密封的。因此，在低压时，有时会有些泥浆通过拉杆盘根渗出来，等压力提高了，渗漏的现象就消失了。又因为是采用的多件自封式盘根，当有砂粒进入盘根盒后，就留在盘根的沟槽内，不仅保护了拉杆，而且也避免刺坏盘根。 图3 拉杆的密封4)活塞与缸套目前活塞基本分为两大类，即整体式活塞和组装式活塞。整体式活塞（图4）的皮碗硫化在铸铁的活塞芯子上，皮碗和芯子成一整体，又称硫化活塞。更换活塞时，皮碗和芯子一起换掉。 图4 整体式活塞由于活塞的寿命很短，因此又发展了单独更换皮碗、钢芯可重复使用的组装式活塞（图5）。组装式活塞的皮碗套在钢芯上，靠压板和卡簧固定。 图5 组装式活塞另外，钻井往复泵是用更换缸套的办法来延长液缸寿命的，并可通过更换不同内径的缸套来改变泵的排量和压力。为了提高缸套的寿命，通过提高缸套内表面的硬度，收到了一定的效果。采用碳氮硼共渗工艺处理的缸套，可使内孔硬度提高到Rc60以上。选用双金属缸套的优点是抗腐蚀性，抗研磨性，很好的磨合性及工作表面的高光滑度。缸套采用双金属制作，外套用45钢，经调质处理获得回火索氏体组织，具有较好的综合性能。四、方案论证：液力端系统设计查阅相关资料，弄清楚钻井泥浆泵液力端基本结构。查阅得液力端由缸盖总成、凡尔总成、拉杆、活塞与缸套等部件组成。在弄明白液力端基本结构的基础上，查阅相关工具书确定组成液力端各部分的材料，如阀箱选择由35CrMo锻钢制成，其耐磨性和耐冲蚀性较好，有助于避免阀箱被高压泥浆刺伤等。在确定组成给液力端各部分的材料后，根据知识要点，考虑各部分的影响因素例如阀箱内交叉孔的相贯线上和内圆柱面直径变化处都有明显的应力集中。液力端泵头失效的主要原因有泵头内腔均受到泥浆和海水腐蚀介质的侵蚀；泵头表面发生变化的相贯线部分除受到与腔内其他各处表面相同的交变载荷外，还由于应力集中而存在着较大的拉应力，使其平均拉应力和最大拉应力都大于泵头腔体表面的其他区域，因此，腐蚀疲劳裂纹首先在此处形成。由于泵头一直处于平均压力不为零的状态下，使裂纹始终处于张开状态，腐蚀介质极易进入裂纹尖端，而加速了腐蚀疲劳的扩展。从腔体内表面的蚀坑、宏观断口的海滩波纹，微观断口的腐蚀疲劳辉纹，晶界面上的腐蚀斑点和微坑，断面上的泥状总样及多条裂纹源等，充分证明泵头失效系腐蚀疲劳失效。因此在泵头结构设计时相贯线处应尽量以大圆角过度，严格控制加工质量，降低应力集中；疲劳腐蚀主要与环境特性有关，可采用适当的表面强化工艺、表面涂镀等工艺措施。在钻井泵运行时，缸套内壁与活塞外圆材料会产生磨粒磨损、粘着磨损，磨粒磨损是其主要磨损形式。而这些磨粒主要是泥浆液中含有来自地层的各种矿物硬料，其中以石英硬粒为主。石英是六方晶系的致密结晶体，泥浆中的石英粒子尺寸一般为0.090.30mm，硬度高达HV7501300。当活塞在缸套中往复运动时，这些坚硬矿物粒子就对缸套内壁产生犁耕刮擦的作用，产生拉伤犁沟。当犁沟尺寸较大时，高压钻井液将泄漏，并冲刷缸套内壁，进而出现更严重的侵蚀条件下的三体硬粒磨损，使缸体、活塞、缸套在短期内失效。因此在结构设计时一般采用双金属缸套，采用双金属缸套的优点是抗腐蚀性，抗研磨性，很好的磨合性及工作表面的高光滑度。缸套采用双金属制作，外套用45 钢，经调质处理获得回火索氏体组织，具有较好的综合性能。其内层为高铬白口合金铸铁，高铬铸铁缸套失效的特点是，马氏体基体的磨损及凸出的碳化物的折断和脱落，交替发生直至失效。碳化物的折断和脱落是缸套磨损失效的主要机制，为了提高缸套寿命，必须控制碳化物的折断和脱落速率，优选合适的缸套表面硬度可有效地提高高铬铸铁套寿命。可采用离心浇注，经淬火+ 回火处理，获得马氏体+ 合金碳化物+ 残余奥氏体组织，硬度HRC6168，加工内衬内孔时尽量控制内壁加工余量小于5mm，以保留浇铸后的细晶区。通过以上知识要点进行液力端设计，能够保证设计任务更加完善。用AutoCAD2004软件画出平面图形。用Solid Works软件进行三维造型。五、进度安排
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