带压作业带压作业管柱扶正装置设计

1、摘要摘要 在带压作业过程中，从实际考察工作经验得知，在不压井修井工作的油管起 升过程中，并不能保证油管与接箍的水平位置不发生变化，从而会导致接箍探测 器的准确性降低，在控制排压方面出现错误信息，引起闸板失效，造成损失。因 此，有必要在接箍探测器空间位置附近安装抽油管扶正装置，以保证接箍探测器 工作的安全性，准确性，可靠性。本设计的主要目的，就是要解决带压作业过程 中，增加抽油管扶正装置，提高接箍探测的准确性，保证带压作业过程的安全， 进一步发挥带压作业过程在修井作业过程中的优势。 该装置为了保证管柱的水平位置的稳定性，有四个接触点，使整个扶正体系 达到平衡。同时为了保证接箍可以顺利通过扶正装置

2、，且尽量减少摩擦，接触部 分采用滚轮构。滚轮安装在活塞上。 关键词：带压作业；扶正装置；油套管；接箍探测器 Abstract In the process of operating under pressure, based on the experience of actual surveying work, the level position of oil tube and collar wont be guaranteed to be not changed and reduce accuracy of the collar finder in the lifting process

3、of pressure balanced workover oil tube. This will make errors in the drain pressure controlling and cause accidents. Thus its necessary to install oil tube righting fittings near the spatial location of the collar finder, to ensure safety, accuracy and reliability of the collar finder. The main purp

4、ose of the design is to solve the problems of increasing the oil tube righting fittings and improving accuracy of the collar finder in the process of operating under pressure, thus ensuring the safety of operating under pressure and further to play its advantage in the process of well workover opera

5、tion. The device has four contact points to stablize the level position of the pipe string and to keep the righting system balance. Meantime the contact section use the roller structure to ensure the collar smoothly pass through the righting fittings with minimal friction. The rollers are installed

6、on the pistons. Keywords: Operating under pressure; Righting fittings; Contact point; Collar finder 目 录 第 1 章概述.1 1.1 带压作业工艺简介.1 1.2 压井作业简介.1 1.3 不压井简介.2 1.4 带压作业管柱扶正装置.3 第 2 章扶正装置的方案确定.4 2.1 扶正装置主要受力机构的确定.5 2.2 扶正器的结构方案.7 第 3 章扶正装置的设计.11 3.1 设计方面的一些重要指标.11 3.2 圆柱螺旋压缩弹簧的设计.11 3.3 扶正器的设计.13 3.4 其他部分的

7、设计.15 第 4 章总结.23 致谢 .24 参考文献 .25 第第 1 章章概述概述 1.11.1带压作业工艺简介带压作业工艺简介 带压修井作业是利用特殊的修井设备，密封住井口的高压液体以防喷出，并 在井口有压力的情况下进行管柱的起下作业。不压井带压作业工艺技术是当前国 内外石油界降低油层污染的主要措施之一。以往油田在进行高压油、气井作业施 工前，为保证安全生产，经常要先压井再作业。这样的弊端首先会增加压井液成 本，其次压井液容易对地层造成污染，再次进行压井作业后的油气井生产压力在 短时间内很难恢复到施工作业前的状态，影响油气采收率，不利于油田增储上产 1。 液压式带压修井作业设备是不压井

8、作业工艺技术的典型设备,它主要由起升 系统、动力系统、控制系统、防喷系统及其他辅助装置组成。起升系统主要包括 起升液压缸、固定卡瓦、游动卡瓦等。动力系统主要是由动力机（柴油机或电动 机）驱动的液压泵站。控制系统主要包括计算机数据采集处理系统、各种传感器、 控制面板等。防喷系统包括闸板防喷器和环形防喷器等。辅助装置主要有接箍探 测器、升高短节、平衡管路及节流管汇等。 采用液压式带压修井作业设备进行修井作业具有如下优点：可保持地层能 量，不污染地层，节约放喷、压井、洗井等费用及作业时间；无常规绞车、传 动系统等，设备重量轻；可靠性高，安全性好，效率高、维护成本低。据国外 报道，某些情况下采用不压井

9、修井的费用仅为压井修井费用的五分之一。 目前，国外应用在不压井修井中的液压不压井修井机可分为短冲程和长冲程 两大类，短冲程一般为 1.824.26m，长冲程一般为 10.9812.2m；配套防喷器 密封压力一般为 21MPa，最高作业压力可达 140MPa；胶心寿命较长，一口井最多 只需要一、两个胶心。修井作业时，直接将防喷器吊装在井口法兰上，安全性、 可靠性及自动化程度均较高。国内目前还没有适合 15MPa 以上的高压油、水井的 液压不压井修井设备，这方面我们与国外的差距很大，应该大力开展这方面的研 究工作。 1.21.2压井作业简介压井作业简介 为了保持油田上的油、水井正常的生产，常常要定

10、期或不定期的进行修井作 业（主要是起下油管柱） 。在修有压力的油井时，为了在打开井口时不发生井喷， 首先要用比重较大的泥浆替换出井筒中的油液，以使泥浆液柱压住油层，使其不 发生井喷，这时才能在井口敞开的情况下安全起下油管柱，这就是压井作业。压 惊作业的缺点是 （1）修井时间长。在修井前要配制足够的泥浆，而后进行替换泥浆作业，起下 油管柱以后还要用原油替换出泥浆并洗井，然后油井才能重新投入生产。这一整 套替换作业，包括各种设备准备，工作量很大，所占时间很多。 （2）成本高。为了配制足够量、性能满足要求的泥浆，要投入相当大的资金， 并且这些泥浆一般用一次就丢弃了，再加上为了压井，需要各种洗井设备，

11、泥浆 配制设备等，因此使修井成本大大提高。 （3）更为严重的是由于泥浆压井，往往会污染油层。为了防止井喷，泥浆液柱 压力往往超过油层压力，这样，泥浆液就会进入油层，堵塞出油孔隙，修井后如 果这些泥浆堵塞物冲洗不出来，就会使油井减产甚至停产。 在修注水井时，往往是抬掉井口使注水自由放喷，直至压力降至不喷为止。 这样做，一是损失了大量的地层能量，延长了修井时间；另外这种突然放喷的做 法，对油层套管及地层都会带来严重后果，导致注水井早期损坏2。 1.31.3不压井简介不压井简介 所谓不压井修井就是油井不用泥浆压井，水井也不放喷，而是在井口自封防 喷器的控制下强行起下油（水）管。 下面我们说一下它的优

12、点。不压井作业技术有许多优点，对水井作业前它不 需要停注放压，免去常规作业所需压井液及其地面设备的投入，省去了排压井液 的费用，无污染保护了环境。它的最大优点还在于它可以保护和维持地层的原始 产能，减少酸化，压裂等增产措施的次数，为油气田的长期开发和稳定生产提供 良好的基础。这样一方面可为油公司节约大量的用于压井的成本，另一方面，由 于原始地层得到了很好的保护，油气层的产能会得到相应的提高，从而可以最大 限度的利用我们地下的油气资源3。 使用不压井机的意义 （1）该技术的使用为油气田勘探开发提供了一种新思路，使用传统压井方 式，是为了平衡地层压力，防止井喷现象的发生。不压井无法作业，从而难以实

13、 现许多地质要求，影响地质分析。不压井技术的应用，可以在带压情况下进行管 柱起下，完成各种评价测试和改变工作制度等的作业工序。 （2）最大限度保持油气层原始地层状态，正确评价油气藏。压井液进入地 层，造成了地层的污染，为后续资料录取、完井作业、试油等环节带来了负面的 影响，从而影响到油藏描述的结果，直至影响到采收率。采用不压井作业使产层 的物性得以最大的保护，避免了常规开采过程中对新开采的产层造成的破坏，如 新开油气孔道的堵塞、泥饼现象造成地层解释错误、水敏性矿物膨胀造成产层物 性的下降，从而在进行油层评价时取得准确的数据。 （3）最大限度的降低作业风险。压井液在作业过程中受气侵或油侵，降低

14、密度，一方面发生井喷的危险性大，另一方面需要重复压井，工序复杂，费用昂 贵。 （4）解决了常规压井作业的一些疑难问题。如气井作业中，用压井液压井， 一压就漏，不压就喷；低渗气井则很容易压死。还有由于应用不压井作业技术， 避免了高压油井中压井泥浆的频繁更换、循环和配套设施的使用，避免了对地面 环境的污染，以及可以解决注水井长时间放溢流的难题。 （5）避免压井液的使用，防止产层受到污染，从而提高了产能和采收率， 从而使产层的开采产量和潜能得以最大的保护。 （6）降低勘探开发成本，提高了油气田的生产效率和经济效益由于作业时 不需要进行压井，一是节约了成本费用，二是缩短了作业周期。压井对地层的危 害不

15、言而喻，压井液费用亦十分可观，并且作业后还需抽排压井液。而水井作业 时，水井停注放压时间长，有时甚至放两三个月或半年，为了保持地层压力场平 衡，周边水井也需停注，造成油井减产或停产，对生产影响较大，经济效益低下。 （7）保护环境，避免了压井液对地面的污染，符合 HSE 的要求，具有巨大 的社会效益4。 1.41.4带压作业管柱扶正装置带压作业管柱扶正装置 在带压作业过程中，从实际考察工作经验得知，在不压井修井工作的油管起 升过程中，并不能保证油管与接箍的水平位置不发生变化，会导致接箍探测器的 准确性降低。从而在控制排压方面产生失误，引起事故。因此，有必要在接箍探 测器空间位置附近安装抽油管扶正

16、装置，以保证接箍探测器工作的安全性，准确 性，可靠性。本设计的主要目的，就是要解决带压作业过程中，增加抽油管扶正 装置，提高接箍探测的准确性，从而保证带压作业过程的安全，进一步发挥带压 作业过程在修井作业过程中的优势。 图 1.1 显示了扶正装置在带压作业设备中的位置5。 根据对扶正装置工作情况的要求，来确定扶正装置的工作图，并进行合理的 安装形式设计，再根据相关资料和文献进行参数对相应的零部件进行拟定的计算 和强度校核。进而确定装置的各部件零件尺寸和装配尺寸。由于该装置是应用于 现场实际工作的，所以要对现场工作环境有一定的了解，只有这样才能更好的完 成毕业设计任务。由于该装置是为了保证管柱的

17、水平位置的稳定性，所以对管注 的扶正作用应该是一个稳定的平面体系，也就是说至少应该有 3 个以上的接触受 力点。基于对以上情况的了解，本设计计划采用两个水平位置对称的扶正装置来 完成设计，其中每个装置与管柱有两个接触受力点。这样会有四个接触点，使整 个扶正体系达到平衡。同时为了保证接箍可以顺利通过扶正装置，且尽量减少摩 擦，接触部分采用滚轮构。滚轮安装在活塞上。活塞安装在壳体内.在扶正弹簧 的作用下活塞带动滚轮对管柱起扶正作用,活塞与壳体内壁通过键来连接，保证 轴承扶正部分不会产生径向旋转。活塞后的弹簧受力为扶正装置的主要扶正力来 源。弹簧采用圆柱螺旋压缩弹簧。弹簧腔内与管柱内通过间隙保证液压

18、力一致。 （扶正装置工作图如图 1.2 所示） 。 图图 1.11.1 带压作业扶正装置位置图带压作业扶正装置位置图 卸荷阀 平衡阀 下闸板防喷器 接箍探测器 1 扶正器 上闸板防喷器 接箍探测器 2 图图 1.21.2 扶正装置扶正头工作原理图扶正装置扶正头工作原理图 第第 2 章章 扶正装置的方案确定扶正装置的方案确定 前一章主要介绍了带压作业的相关内容和扶正装置设计的基本思路，本章将 具体说明扶正装置的设计方案如何确定。 2.12.1扶正装置主要受力机构的确定扶正装置主要受力机构的确定 扶正器的工作目的是为了保证管柱的空间位置稳定，也就是要承受变力，并 产生反作用力。由于扶正过程是被动的

19、，所以设计重点在于装置工作的稳定性和 持续性。在控制方面要求不很严格。能够达到扶正目的结构和作用力的方式很多, 这里选择采用液压扶正机构和弹簧扶正机构为考虑对象,所以主要的设计方向有 两种：即液压扶正机构和弹簧扶正机构。两种设计的共同出发点在于，承受扶正 力的部分都是一个可移动的活塞，活塞头部安装扶正轮，接触工件。工作中由活 塞将扶正力传递给受力机构，产生反作用力。起到扶正作用。 不同点在于受力机构不同。液压系统采用液压驱动活塞保持水平位置稳定。 圆柱压缩弹簧工作原理在于通过弹簧压缩。产生反作用力。 2.1.22.1.2采用液压系统控制采用液压系统控制 液压系统的优点在于可承受较大的作用力，工

20、作稳定，且易于控制。不利的 方面在于引入液压系统，起辅助设备较多，占地面积会有一定要求。但考虑到扶 正装置是在修井过程中的地面以上工作，液压控制是可以实现的。由于工作过程 简单，所以系统回路也不复杂。有液压缸作为工作机构扶正油管。并且可由调压 阀控制系统内部压力，调整扶正力大小。 2.1.32.1.3采用圆柱螺旋压缩弹簧采用圆柱螺旋压缩弹簧 圆柱螺旋压缩弹簧相会来说是一种更为简单有效的工作机构。可以是结构设 计变得简单，从而同时降低今后的制造，安装和维护的工作量。对于扶正力的调 节，弹簧的设计方案中应采取螺纹来进行。螺纹连接的优点同样是简单可靠。具 体的调节方式为在弹簧壳体尾部安装一个水平位置

21、相对稳定且可以用螺纹进行调 节的活塞，弹簧的一段安装在扶正活塞上，另一端安装在尾部活塞上。扶在正装 置的正常工作中，依靠扶正活塞受力后的水平移动，即由圆柱螺旋压缩弹簧来承 力，完成扶正工作。在工作之前可依照不同井况，工作前由尾部的螺纹机构来调 节弹簧的最小工作压力。是装置的工作达到更高的稳定性和安全性。 2.1.42.1.4设计方案的比较和最终确定设计方案的比较和最终确定 对于扶正装置，首先要解决的问题就是扶正力的大小。在本次设计中，结合 现场经验，初步估算单位应该会是百公斤，这个方面讲两种方案都可以达到设计 目的。第二个问题是现场工作客观因素，尤其是安装空间。这点上可以看出对于 采用液压系统

22、的设计方案是不太易于实现的。因为不压井修井过程中有许多设备 是共同工作的，空间要求紧凑。液压系统的辅助部分对于扶正工作来说显得有些 多余。第三就是成本上的对比，显然采用弹簧设计要经济实惠。所以，在确定了 扶正力大小，证明圆柱螺旋弹簧可行的情况下，还是应该采用弹簧机构方案来设 计扶正装置。 受扶正以下是对扶正力，即抽油杆受力分析，由此得出的结论证明弹簧机构 也可以完成扶正工作，达到稳定油杆水平位置的作用 对抽油杆的失稳做定量分析。抽油杆的失稳包括动力失稳和受压弯曲失稳。 动力失稳来源于杆体轴向和横向应力载荷变化, 周期和载荷变化量越大, 动力失 稳越严重; 弯曲失稳来源于杆体在螺旋状井筒中横向摆

23、动的剧烈程度和频率6，7。 由于上冲程时抽油杆受自重和液柱对活塞的压力影响, 始终保持受拉状态, 失稳性不严重。在下冲程中,根据材料力学压杆稳定中的约束概念规定, 将最下 端抽油杆下部当固定点,上部为自由端进行研究。则抽油杆失稳来自于F柱塞和F凡尔: 140-94D . 0 F 柱塞 22223 k f729unSAf1A115nF 凡尔 凡尔柱塞 FFF 式中, D 为柱塞断面直径,mm; 柱塞与衬套间隙,mm; nk 为游动凡尔个数,取1 ; S 为光杆冲程,m; n 为冲次,l/ min;为井液密度, kg/ m3 ; u 为流量系数,取 018 ; A 为柱塞面积,m2 ; f 为游动

24、凡尔座孔面积,m2 。中性点以下抽油杆长度 为: 4gdFFFL 2 杆惯液 1440SnFF 2 杆惯 式中, d 为杆直径,m; F液为管内液柱作用在柱塞上的压力, Pa ; F杆为杆柱重 量,N;杆为抽油杆的密度,kg/ m3 。根据压杆理论,杆柱发生弯曲的临界载荷为: 22 lEIP 64dl 4 式中, l 为3/ 4 i n 抽油杆单根长度,8 m。 实例计算表明, P n F ,即来自柱塞与凡尔的压力远大于抽油杆柱发生弯曲失 稳的临界载荷,所以下冲程时抽油杆中性点以下始终是严重弯曲的,变形长度在中 性点以下L 长.中性点以上特别是井口处,即使是下放过程失稳现象也不可能发生.经 验

25、证实井口的扶正力在314公斤, 液压扶正机构和弹簧扶正机构都能够胜任扶正 工作,考虑现场工作客观因素，尤其是安装空间。这点上可以看出对于采用液压 系统的设计方案是不太易于实现的。因为不压井修井过程中有许多设备是共同工 作的，空间要求紧凑。液压系统的辅助部分对于扶正工作来说显得有些多余。第 三就是成本上的对比，显然采用弹簧设计要经济实惠。所以，在确定了扶正力大 小，证明圆柱螺旋弹簧可行的情况下，还是应该采用弹簧机构方案来设计扶正装 置8。 2.22.2扶正器的结构方案扶正器的结构方案 扶正器是整个扶正机构最直接，最重要的部分。扶正器的设计成功与否直接 关系到扶正装置的设计能否成功。在设计中主要考

26、虑了三种连接方案，多一种考 虑就多一分把握。 2.2.22.2.2轴承连接轴承连接 轴承连接是方案是在活塞头部，即扶正方向安装销轴，之后在销轴两端安装 同样的一对轴承，用轴承来连接扶正轮。方案优点在于扶正轮的径向转动比较稳 定，当接箍等直径比管柱大的元件通过时不必产生较大的摩擦力。比例的方面在 于管道中空间条件较差，不易安装。同样密封也是必须考虑的问题。 首先考虑的是在滚动轴承。由前所述，扶正轮与油杆柱（工件）之间是切向 力接触所以就要求轴承既要承受轴向载荷，也要能够承受径向载荷。当然是以径 向载荷为主，轴向载荷是作为扶正力的分力存在的，且对于整个扶正系统，轴向 的分离将平衡而不影响扶正系统的

27、工作。但对于单独的一个扶正轮和销轴连结来 说，如果采用轴承连接，那么轴承就必须能够承受单向或双向的轴向载荷。 向心推力轱承轴向预紧原理向心推力轴承分为角接触球轴承和圆锥滚子轴承 两类，前者滚动元件与滚道间为初始点接触，后者为初始线接触角接触球轴承 承受轴向载荷。因此在滚动轴承选择向心推力球轴承9。如图2.1所示。 图图 2.12.1 向心推力球轴承向心推力球轴承 双列向心推力球轴承是将2个单列向心推力球轴承的外圈背面相吻合，内圈、 外圈均各为一体的结构。因此，这种结构的轴承，具有二个方向的推力负荷能力。 滚动轴承在本次设计中使用的可能性不大，由于滑动轴承本身具有一些独特 的优点，使得他在不能和

28、不便或使用滚动轴承没有优势的场合。因此，滑动轴承 在轧钢机，汽轮机，内燃机，铁路机车和车辆，金属切削机床，航空发动机附件， 雷达，卫星地面通信站等方面应用较广10。 因为此次的设计中存在空间限制，安装滚动轴承很难。因此，在轴承方案的 设计上主要考虑向心推力球轴承。 考虑轴承的实际上还要有密封上的准备，由于个扶正机构是在油中的，机构 的正常运转必须考虑安装密封盖。 2.2.32.2.3销联接销联接 销联接用途是固定两零件的相互位置，作为组合加工和装配时的重要辅助零 件。销已标準化，类型很多。常用的有：圆柱销、圆锥销、槽销和开口销等。圆 柱销利用微量过盈固定在铰光的销孔中，如多次装拆则有损联接紧固

29、和精确定位。 圆锥销带有 1：50 的锥度，能自锁，靠锥挤作用固定在铰光的销孔中，可多次装 拆。槽销开有纵槽，藉材料弹性挤紧在未经铰光的销孔中，可多次装拆，多用於 传递载荷。弹性圆柱销是纵向开缝的圆管，比实心销轻，靠弹性挤紧在未经铰光 的销孔中，可多次装拆。开口销常与带槽螺母配用，是螺纹防鬆的一种措施。 这种连接结构上比轴承连接要简单，但稳定性不是很高，由于扶正轮会产生 旋转，所以在大多数工作时间里，销的轴向受力不平衡。长时间工作容易损坏。 销联接的最大优点在于安装简单，无论是轴承还是焊接，安装上都有条件， 轴承安装需要非常高的精度，而焊接对安装方式和环境有比较特使的要求。而销 联接只要在定位

30、上控制得当的话，销联接的价格优势和安装优势将显示出来。 图图 2.22.2 销连接销连接 2.2.42.2.4焊接焊接 焊接结构是将两个扶正轮焊接在一根安装在活塞上的销轴上。该方案结构最 简单，成本最低，需要两个扶正轮和一个销轴。 在转动方面比较受限制，自由度不高。但考虑到本身浸在油液中，不用考虑 润滑问题。 手工电弧焊操作，45 钢与40Cr、ZG270-500三种母材在一起焊接，45 钢含 碳较高，所以尽可能选择碱性低氢型焊条，作为填充焊接材料。经试验，选择代 号为E5015fr507，规格为04mm05mm 的焊条11。 当然也考虑了其他的焊接工艺。比如，热浸镀铝钢管的普通焊接工艺。采用

31、 低氢型碳钢焊条和奥氏体不锈钢焊条，根部焊道采用电弧焊接法和TIG焊接法， 中间层和最终层焊道，如是薄板用TIG焊接，如是厚板（4mm）以上则用电孤焊。 两种焊接法通过对焊道检验和性能测试表明，熔合线处防腐性能较差，适合于一 般场合的防腐施工。与使用手工电弧焊相比优点在于： 1）可提高r作效率34倍 2)焊接质量好。如果蒙皮与骨架贴实焊点强度均能达到要求。使用手工电弧 焊则容易焊漏或烧芽。 3)外观变形小，外形美观大方符合高挡车的要求，采用手工电弧焊则焊接变 形较大，焊后不美观。 图图 2.32.3 焊接结焊接结 构构 4)劳动强度明显降低12。 由于扶正轮的厚度为15mm。结构如图2.4所示

32、。 综合考虑应采用电户焊接。 综合考虑应采用电户焊接。 2.2.52.2.5扶正器方案的确定扶正器方案的确定 综合考虑以上方案，结合实际工作情况，确定用焊接结构。因为在起降管柱 的速度并不高，在扶正的部分上，由管柱线速度转换出的扶正轮转速也不很高， 因此不需选用轴承连接。 扶正器长期工作在扶正状态。在被动受力，承受扶正力的过程中，需要有稳 定的受力状态合理平衡性，显然焊接相对于销联接是有优势的。在成本上同样焊 接最低。所以选择焊接作为扶正器的安装方式。 图图 2.42.4 扶正轮的结构扶正轮的结构 第第 3 章章 扶正装置的设计扶正装置的设计 3.13.1设计方面的一些重要指标设计方面的一些重

33、要指标 本章我们要对不压井修井机的带压作业系统管柱扶正装置进行设计。设计时， 我们应当考虑诸多的因素，深入细节的调研，还要有严谨的分析和必要的计算， 以确保设计的合理化和最优化，满足下列要求。 （1）工作安全可靠 （2）性能稳定，噪音小，寿命长 （3）扶正性能要准确、可靠，没有冲击，保证接箍探测的准确性。 （4）调整、使用和维修要方便，操纵方面要简单、省力 （5）结构简单紧凑，重量轻，成本低 3.23.2圆柱螺旋压缩弹簧的设计圆柱螺旋压缩弹簧的设计 根据最大、最小扶正力的要求、工作行程确定螺旋弹簧的结构尺寸，已知条 件如下： 弹簧的最大工作载荷（扶正轮的最大扶正力时弹簧载荷）： Pn=300（

34、公斤） ； 弹簧的最小工作载荷（扶正轮的最小扶正力时弹簧载荷）： P1=187.5（公斤） ； 最大工作行程： mm。35L 根据公式： LPPK n1 计算弹簧的弹性系数为 =3.2135 5 . 187300K 下表为根据 Pn 查表得出的弹簧设计数据13。 表表 3.1 弹簧设计数据弹簧设计数据 项目数据 d10 D265 t22.08 Pn314.104 fn8.626 Pd36.413 l204.1 Q1.24 弹簧自由高度为 260 毫米 弹簧的计算部分如下： 弹簧有效圈数的计算公式为 KdPn 代入表 3.1 中数据计算得， 取 n11.5。343.11n 弹簧实际刚度的计算公式

35、为 ndPK 代入表 3.1 中数据计算得，与 3.21 接近，符合设计要求。3.16K 弹簧实际圈数为。 5 . 132 2 nn 弹簧实际节距的计算公式为 ndHt5 . 1 0 代入表 3.1 中数据计算得，与实际要求接近。 3 . 21t 工作极限负荷下的弹簧变形的计算公式为 KPF jj 代入表 3.1 中数据计算得 mm。82.116 j F 最大工作负荷下的弹簧变形的计算公式为 KPF nn 代入表 3.1 中数据计算得 mm。45.93 n F 最大工作负荷下的弹簧高度的计算公式为 nn FHH 0 代入表 3.1 中数据计算得 mm。55.166 n H 最小工作负荷下的高度

36、的计算公式为 101 FHH 代入表 3.1 中数据计算得 mm。59.201 1 H 工作极限负荷下的高度的计算公式为 jj FHH 0 代入表 3.1 中数据计算得 mm。18.143 j H 圆柱螺旋压缩弹簧展开长度的计算公式为 nlL 代入表 3.1 中数据计算得 mm。35.2755L 圆柱螺旋压缩弹簧的细长比计算公式为 DHb 0 代入表 3.1 中数据计算得，小于 5.3 符合设计要求4b 圆柱螺旋压缩弹簧指数的计算公式为 dDC 2 代入表 3.1 中数据计算。5 . 6C 如图 3.1 所示，为弹簧的设计结果： 3.33.3扶正器的设计扶正器的设计 扶正器是扶正装置中的主要力

37、学传递机构，主要承受轴向载荷，即扶正力。 形象自由度由两个对称的导向平键来限制，保证扶正器部分不产生径向转动。扶 正部分由销轴和扶正轮组成，采用焊接方式连接。活塞尾部用来安装弹簧。 由于扶正器的存在，扶正装置本身将分成前后两个壳体，为了保证不产生压 差，导致扶正力增大，扶正器的安装要保证与壳体之间有一定间隙，使前后腔之 中的一压力相同为 21MPa。扶正器的结构如图 3.2 所示。 图图 3.13.1 弹簧结构弹簧结构 3.3.13.3.1扶正轮销轴的受力分析扶正轮销轴的受力分析 扶正轮销轴，是传递扶正压力的主要部件，它的作用是将管柱（工件）偏移 所施加给扶正轮上的力通过活塞传递给弹簧，再由弹

38、簧的反作用力对管柱（工件） 加以扶正，在整个力的传递过程中，扶正轮销轴是一个比较弱的环节，所以要进 行强度校核，根据销轴的工作情况可知，销轴主要受切应力。确定销轴的受力图 如下： 扶正 F 图图 3.23.2扶正器结构图扶正器结构图 扶正 F 2 1 扶正 F 2 1 图图 3.33.3 销轴受力分析销轴受力分析 3.3.23.3.2剪切强度计算剪切强度计算 已知，本设计选用材料为 45 号优质碳素结构钢，查表得知其=22 Kg/mm2。根据设计要求得知扶正力为 P=300 Kg。 理论计算轴截面积 2P F 已知=22 Kg/mm2 代入公式计算得 mm2。 818 . 6 22 1502

39、P F 由已知 mm2。818 . 6 4 2 d 代入公式计算得 mm。685. 8d 设计销轴为 16 mm，完全能够满足剪切应力要求。 3.43.4其他部分的设计其他部分的设计 其他部分包括壳体结构、导向平键、弹簧壳体的结构 3.4.13.4.1壳体的设计壳体的设计 由于扶正器是修井工作装置中的一件，所以在安装上应该保证一定的通用性， 应该能够与其他设备、井口的安装尺寸相吻合，所以采用 395 的大径法兰连接， 管腔仍然要保证 186。在连接上采用 M36 的螺栓连接。壳体结构采用比照法设 计，参照接箍探测器的壳体结构，这里不作详细说明，壳体结构如图 3.4 所示： 壳体的主要结构包括：

40、 1）螺栓孔 1：用于连接其他修井设备，如接箍探测器等。 2）螺栓孔 2：用于连接弹簧壳体，与其一起组成扶正装置的外部机构。 3）扶正器内径：也就是油井内径，其尺寸为 mm，抽油管，接箍等惊186 吓设备可以正常通过。 4）壳体材料：壳体材料选用 35 号钢。由工作条件 21MPa 和加工难易程度， 制造成本综合考虑，在同样满足工作要求的情况下，35 钢比 45 钢更易于加工， 成本也更低，也就是说更适合于本次设计。 3.4.23.4.2导向平键的选择导向平键的选择 导向平键用于动联接。用螺钉固定在轴槽中，导向平键与轮毂的键槽采用间 隙配合，轮毂可沿导向平键轴向移动。为了装拆方便，键中间设有起

41、键螺孔。导 向平键适用于轮毂移动距离不大的场合。当轮毂轴向移动距离较大时，可用滑键 固定在轮毂上，滑键随轮毂一起沿轴上的键槽移动，故轴上应铣出较长的键槽。 在扶正器的设计上，导向平键要限制扶正器的旋转自由度，进而辅助扶正器 扶正抽油管。考虑实际工作情况，导向平键应固定在活塞上，而在壳体内壁上开 出较长的槽。 导向平键的具体结构如图 3.5 所示。 图图 3.43.4箱体结构图箱体结构图 螺栓孔 1 螺栓孔 2 扶正器内径 图图 3.53.5导向平键结构图导向平键结构图 弹簧壳体的设计在带压作业过程中，从实际考察工作经验得知，在不压井修 井工作的油管起升过程中，并不能保证油管与接箍的水平位置不发

42、生变化，会导 致接箍探测器的准确性降低。从而在控制排压方面产生失误，引起事故。因此， 有必要在接箍探测器空间位置附近安装抽油管扶正装置，以保证接箍探测器工作 的安全性，准确性，可靠性。本设计的主要目的，就是要解决带压作业过程中， 增加抽油管扶正装置，提高接箍探测的准确性，从而保证带压作业过程的安全， 进一步发挥带压作业过程在修井作业过程中的优势。 该装置为了保证管柱的水平位置的稳定性，有四个接触点，使整个扶正体系 达到平衡。同时为了保证接箍可以顺利通过扶正装置，且尽量减少摩擦，接触部 分采用滚轮构。滚轮安装在活塞上。 3.4.33.4.3弹簧壳体的设计弹簧壳体的设计 壳体内要承受 21MPa

43、的液压，同时还要保证活塞和弹簧在其中可以进行水平 方向上的自由运动。为了达到既要结构简单又要达到设计功能，壳体内壁在设计 上分成三部分，第一部分是安装尾部弹簧调整活塞，用来实现扶正压力的调整和 检修分解；由于是螺纹联接，且有密封圈保证密封，所以强度上要求相对较低。 第二部分是包含弹簧的部分，其中还有油液，也就是主要承受液压强的部分。设 计中采用了 15mm 的壁厚。内壁最后一部分是开键槽的部分，这部分的内径除了 开槽部分外，厚度取 20mm。在保证承压的同时，与扶正器活塞结构相配合，对 于活塞的移动距离起限制作用。防止当修井工作的井下部分都提出井口之后，扶 正器之间产程接触和损伤。 弹簧壳体的

44、结构如图 3.6 所示： 图图 3.63.6弹簧箱体结构图弹簧箱体结构图 1、弹簧壳体强度计算 弹簧壳体作为主要受力配件即承受油管内的油汽压力，又要承受弹簧的弹力， 所以要求壳体有足够的强度，能长时间承受油汽压力及短期动态试验压力而不致 产生永久变形，要有足够的刚度，能够承受活塞侧向力和安装的反作用力，而不 致于产生弯曲；内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作，而 磨损极少，有高的几何精度，以确保活塞密封；某些焊接式结构的缸筒，焊接上 法兰或管接头后不致产生裂纹或有过大的变形。 缸体的材料 液压缸缸体常用型材为 35、45 无缝钢管，遇焊接结构时应采 用 35 钢，粗加工后经调质

45、处理。缸体毛坏材料也可采用锻钢、铸钢或铸铁件， 钢材可用 ZG35B，铸铁可用 HT200350 以及球墨铸铁，特殊场合还可用铝合金 ZL105，及合金钢 30CrMo 等。本设计选用的是 35 号厚壁无缝钢管。 缸体的强度计算 1）壳体的厚度 根据公式 210 CC 式中：0缸筒强度要求的最小值（m） ；C1缸筒外径公差余量（m） ；C2 腐蚀余量（m） 。 0的计算有以下几种情况 当时，按簿壁钢筒计算08 . 0 D 计算公式如下 2 max0 DP 当 /D=0.080.3 时，按实用公式计算，公式如下 max max 0 33 . 2P DP 当 /D0.3 时，按厚壁筒计算，公式如下

46、 1 max3 2 0 P D 式中 D缸筒内径（m） ； Pmax缸筒内最高工作压力，当工作压力 P16MPa 时，Pmax=1.5 Pa； P16MPa 时，Pmax=1.25 Pa。 材料的许用应力（MPa） ， n b b缸筒材料的抗拉强度（MPa） n安全系数，可参考下表选取 变载荷 材料静载荷 不对称对称 冲击载荷 钢35812 铸铁461015 本设计当中预计弹簧壳体承压部分厚度为 mm，缸内径为 1590D mm。 由经验公式 0.308 . 0 D 将设计数据 和 D 代入计算得出，满足设计要求。16667 . 0 9015D 式中，缸筒内径 D=90mm；缸筒内最高工作压力

47、 Pmax=211.25=26.25 MPa。材 料的许用应力为；b材料的抗拉强度查表得 MPa；n安 n b 530 b 全系数，根据现场工作情况为不对称变载荷所以取5n 带入公式计算得 MPa 1065530 m01427 . 0 5 . 165 3625 . 2 25.2631063 . 2 09 . 0 25.26 0 考虑到外壁公称余量和腐蚀余量取弹簧箱承压部分壁厚为 15 mm。 2、弹簧壳体缸筒厚度校核 1）为避免发生塑性变形，额定工作压力应满足经验公式 PLn PP42 . 0 35 . 0 式中 PPL为缸筒发生塑性变形的压力 D D P sPL 1 lg3 . 2 式中 s

48、 缸筒材料倔服强度，经查表得出 35 号钢的倔服强度 s=315MPa；D1 缸 筒外径 130mm；D 缸筒内径 90mm。 将已知带入公式中计算的 MPa；进而得出。满足不发 5 . 90 PL P nPL PP3 . 4 生塑性变形的条件，故可以使用。 2）弹簧壳体径向变形量 D 应满足 )( 22 1 22 1 r DD DD E P D T 式中 D 缸筒径向变形量（m） ；PT缸筒耐压试验压力（MPa） ；E 缸筒材料 弹性摸量（MPa） ；r 材料的泊桑比，钢材 r=0.3；本设计中 Pr=1.25P=26.25MPa。 将已知代入公式中计算得出 mm4 . 0)3 . 0 09

49、 . 0 120 . 0 09 . 0 120 . 0 ( 130928 25.26 )( 22 22 22 1 22 1 r DD DD E PP D T 能够满足密封圈的要求。 3、弹簧箱缸体防爆裂压力校核 弹簧箱缸体的爆裂压力 PE应大于耐压试验压力，根据公式 D D P bE 1 lg3 . 2 将已知 MPa； m； m 带入以上公式计算得知，通过530 b 12 . 0 1 D09 . 0 D 计算得 MPa。PE远大于 PT（PT=26.25MPa） 。所以 3 . 152 09 . 0 12 . 0 lg5303 . 2 E P 缸体不会爆裂。 3.4.43.4.4密封形式的选

50、择密封形式的选择 1、结构的确定 密封是带压作业设计的重要部分，活塞与壳体、壳体和壳体之间的密封的好 坏直接影响带压作业管柱扶正装置的工作效率和其工作安全性。当密封性不好时， 会导致内外腔油压不均衡，泄漏后更会导致安全事故。长时间会的密封失效会导 致零件寿命降低甚至损坏。这样就要对连接件进行定期互换，这样不但需要大量 的连接件和密封件，而且需要大量的维修时间，这样就影响了此系统的正常工作。 无论从换件费、维修费还是从影响系统的正常工作方面都造成了大量的经济损失。 密封结构根据不同的工作压力选用与其合适的密封圈。由于此系统的工作压 力为，所遇选择型密封圈，由于型密封圈不但可以满足其密封要求，MP

51、a21 而且经济实用。 根据以上分析得知液压系统密封性的重要性，所以选择了如图 3.7 所示的结 构，这种结构的优点是结构简单、密封性好。由于机构中的密封都是静密封，所 以活塞与缸体之间要并不需要导向机构，同时要求活塞要有很高的表面精度，以 提高密封机构本身的工作性能。同样由于是静密封，所以活塞与壳体之间微小的 运动可以忽略不计，活塞和壳体的摩擦损耗不很严重。所以在设计中再用这种多 密封圈密封机构。 缸体 活塞 密封圈 图图 3.73.7多密封圈密封结构多密封圈密封结构 2、型密封圈的尺寸和材料O 由于此密封圈要对的缸体内径进行密封，所以密封圈可根据表格查90 标准，查表选择密封圈的尺寸mm，

52、所以所选择的密封92 1 . 3452GB13 . 0 3 . 5 5 . 92 G GB，具体尺寸如图 3.8 所示92.5 5.33452.1 92 O 型密封圈的材料选择为橡胶，这样的密封圈使用范围广，购买方便，所以这里 也选择橡胶密封圈。 3.4.53.4.5螺纹后端盖的强度计算螺纹后端盖的强度计算 后端盖在设计中起到稳定住弹簧的作用，为弹簧提供可靠的力学保障。同时 后端盖采用螺纹结构保证可以微调弹簧的初期调定力，也就是最小工作压力。在 结构上，还要保留密封槽，因为活塞在可以为调整的同时还要起到密封的作用。 不能产生压力泄露。具体机构如图 3.9 所示。 5.3 92.5 图图 3.8

53、3.8 的尺寸示意图的尺寸示意图 图图 3.93.9 尾部活塞结构设计尾部活塞结构设计 缸筒与缸盖之间是用螺纹连接的 螺纹处的拉应力为 6 22 1 10 )( 4 Dd KF 螺纹处的剪应力为 6 33 1 01 10 )(2 . 0 Dd KFdK 合成应力为： 3 22 n 式中 为螺纹连接处拉应力； 为螺纹连接处剪应力；F 为缸盖端部所承受的 最大拉力由公式 扶 FP d Fmax 4 2 计算得出 F=19690 N；D 为钢筒内径 D=0.09 m；d0为螺纹外径 d0=0.105 m；d1 为螺纹底径 d1=0.101 m；K 为拧紧系数，查表取 K=1.5；K1螺纹连接的摩擦系数， 查表取 K1=0.07； 为材料屈服极限（MPa） ；ns为安全系数，查表取 ns=1.5。将 已知条件代入公式中，计算出拉伸应力为 MP