典型石油机械结构与工艺特点1700.pdf

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1、典型石油机械结构及工艺特点 第一节 牙轮钻头的结构介绍 一、概述 随着石油天然气勘探开发难度的不断加大，面临的地质条件和自然环境越来越复杂恶劣，勘探开发过程中对石油装备也提出了更高的要求。作为钻井的主要破岩工具之一，如何进一步提高其工作性能，延长其使用寿命，是油气勘探开发领域亟待解决的关键技术问题之一。井循环的有效方式有利于加快我国油气勘探开发，降低原油生产成本，提高原油产量，从而保障我国经济建设持续健康发展。牙轮钻头的工作寿命对降低钻井成本和提高钻井速度起着非常重要的作用。钻头直到其使用寿命结束时才从孔底抬起，并且在孔的中间不能更换任何零件。其寿命长短直接影响机械镜头和行程次数。因此，要求尽

2、可能延长牙轮钻头各部件的使用寿命，从而提高牙轮钻头的整体工作寿命。三牙轮钻头工作过程中，钻压由钻杆或钻头施加在牙轮钻头上部，再由卡爪通过轴承传递到牙轮，带动牙轮上的齿压入破碎岩石，同时钻头转动。改变牙齿破碎岩石的位置。通常8 1/2三角钻头的钻压约为100-150kN，每个轴承的载荷为30-50kN，轴承直径为57mm，转速约为200rpm。在实际钻井过程中，由于岩石相互作用和钻柱振动引起的动载荷，使作用在钻头上的实际载荷为随机动载荷。二、牙轮钻头发展简史 自20世纪初第一颗旋转牙轮钻头问世以来，牙轮钻头不断发展，并以其优异的性能很快成为钻井行业最重要的破岩工具之一。年8 月10日，美国的 H

3、oward R.Hughes获得了第一个牙轮钻头专利，用于处理在钻井中遇到的阻力钻头难以或不可能钻进的较硬地层。当时，刮刀钻头在软地层中仍占主导地位，因为牙轮在软地层中很容易形成泥包。1925年出现了自洁钻。它的出现克服了当时钻井过程中软硬夹层需要多次起下钻头才能更换钻头的情况，使进尺和机械钻速提高一倍以上，显着降低了钻井成本。1932年对滚子轴承进行了改进，出现了滚动轴承，大大提高了钻头的使用寿命。1933年，三锥钻头出现。与双锥钻头相比，不仅工作更平稳，钻速更快，寿命更长，而且有更大的测量面积来保持井径。1935年，斜移式三锥钻头出现，使当时的机械钻速提高了30%，促进了牙轮钻头的广泛使用

4、。喷射牙轮钻头出现在 1949 年，当时的实际试验表明，它们可以提高 50%的机械钻速。1951年，球面硬质合金刀片钻头出现，大大提高了齿的寿命，但轴承成为主要的易损件。1960年研制成功密封润滑轴承，提高了整体钻头的工作时间。1967年研制成功各种地层硬质合金刀片，大大提高了刀片的适用周长和齿寿命。1968 年密封和润滑滑动轴承的出现使钻头的工作时间进一步增加了一倍多。随着钻井技术的不断发展，钻头也得到了很大的发展。如1970年的O型圈密封滑动轴承；1976真空/压力注油法将油脂注入油藏密封轴承钻头；1979精密密封滚动轴承；1981汤匙牙；1982 ring 带有全滑动元件的滑动轴承，通过

5、锁定方法将滚子组装在轴承上；钻头体的三合一元件是在1990 年代初引入的，以确保三个齿掌的精确对准。焊接技术，可承受恶劣环境的全橡胶补偿器；浮动套筒滑动轴承、剖分螺纹保持架、网状密封圈等新结构。从牙轮钻头的发展历程可以看出，牙轮钻头的发展大大提高了其工作寿命。例如，硬质合金刀片的出现使牙齿的寿命增加了一倍；从滚动轴承到密封润滑的滑动轴承，甚至到现在的轴承密封结构等一系列改进，大大提高了轴承的使用寿命；新技术、新材料的不断使用，全方位提高了钻头的使用寿命；随着钢材质量和热处理工艺的发展，牙轮钻头各部分的性能得到了提高；新型密封材料、润滑剂和高耐磨材料的出现以及加工工艺的提高，增强了轴承的抗破坏能

6、力；精密铰孔工艺增强了刀片的坚固性；新的合金成分和加工工艺提高了硬质合金的强度等。近三十年来，由于牙面结构变化不大，所有对牙面结构的改进都是建立在定性知识的基础上，依赖于大量的测试结果。与钻头寿命的增加相比，钻头ROP的增加相对缓慢。三、牙轮钻头的结构 一、整体结构组成 牙轮钻头一直是钻井工程中最重要的钻具之一。它由壳体、卡爪、牙轮、轴承、水孔和储油密封补偿系统组成，如图5.1所示。超过 14 8/4 英寸可以制成无主体或有主体，三个组装爪焊接到铸造钻头主体；12 8/4英寸以下的钻头由三个组装的锥体制成，爪子直接焊接，称为无体钻头 头。牙轮钻头的主要部件具有以下特点：齿掌：由毛坯基体（包括流

7、道和掌后规部分）、轴承、水孔、油孔四部分组成。空间结构关系复杂，形状极不规则，设计最难把握。锥体：分为钢齿和镶齿两种，均由锥体和齿组成。区别在于牙齿。前者使用指形铣刀在锥体上铣齿并焊接硬质合金材料，而后者在锥体上使用钻孔和扩孔的齿孔插入硬质合金齿。小零件钻头小零件通常具有单一的特征，并且零件已经标准化和系列化。外壳上部有螺纹扣（多为母扣）；下部用爪焊（又称巴掌）。有两种类型的锥体：单锥锥和复合锥锥。单锥由主锥盒和背锥组成；复合锥锥由主锥、副锥和背锥组成。辅助锥可以有1到3个，如图5.2所示。图5.1 三牙轮钻头整体结构示意图 轴承由滚子的轴承轨道、滚子的轴颈和滚动体组成。大轴承和小轴承承受径向

8、载荷，球轴承主要起定位和锁定滚子的作用；推力轴承承受轴向载荷。水眼是泥浆的通道。储油密封补偿系统防止泥浆进入轴承腔，防止润滑脂泄漏，同时也为轴承腔储存和补充润滑脂。2、牙轮钻头的轴承结构 牙轮钻头的轴承是决定钻头寿命的重要因素之一。按结构分为滚动轴承和滑动轴承两大类。（1）滚动轴承结构 滚动轴承结构有两种：滚珠-小轴滑动副-推力；滚珠滚珠推力。前一种配置用于小尺寸（9英寸以下）钻头，后一种配置用于大尺寸（9英寸以上）钻头。小轴滑动副由爪的小轴颈（堆焊碳化钨粉）和衬套组成。当钻头直径小于152mm时，小轴滑动副由爪小轴颈和锥体小孔组成。结构示意图如图 5.3 所示。图 5.3 滚动轴承结构示意图

9、 与一般轴承相比，油气钻探用牙轮钻头中的滚动轴承无外圈、无保持架、承载能力大、抗振动和冲击、低转速（600r/min）、有限的脂润滑、强磨损.由于外部环境颗粒状等特点，国外同类产品的使用寿命尚未超过50h。由于牙轮钻头轴承的几何空间有限，工作环境和工作条件恶劣，钻孔过程中破碎岩石所需的钻压必须通过轴承传递，使牙轮钻头轴承始终在受力条件下工作。巨大的振动和冲击载荷，因此接触疲劳是牙轮钻头滚动轴承在短时间内失效的主要原因。（2）滑动轴承结构 其结构为：大轴滑动副-滚珠轴承-第二推力-小轴滑动副-第一推力，如图5.4所示。图5.2 牙轮锥形 图1.2镶齿密封滑动轴承喷射式三牙轮钻头 1-牙爪；2-牙

10、轮；3-牙轮轴；4-止推块；5-衬套；6-镶齿；7-滚珠；8-银锰合金；9-耐目前国外部分厂家生产的钻头取消了第一推，只保留了第二停。滑动轴承的摩擦面为面接触，承压面积大，接触压应力小，轴承寿命长。由于不使用滚珠，因此可以增加轴颈的直径和轮壳的厚度，以增加轮壳的强度。图 5.4 滑动轴承结构示意图 3.牙齿 目前国外生产的牙轮钻头根据齿材料的不同分为铣齿（也称钢齿）和镶齿（也称硬质合金齿）两大类。(1)铣齿 铣牙牙轮钻头的齿（如图5.5所示）均为楔形齿，由牙轮毛坯直接加工而成。在铁齿上焊接碳化钨粉的方案为了提高齿的耐磨性或使齿具有自锐作用，在钻头的齿表面涂上一层碳化钨粉用于极其柔软到中等的地层

11、。焊接零件有以下几种方案：焊齿啮合面；焊接齿啮合面；焊接啮合齿和啮合表面；焊接齿啮合和啮合部分。由于移轴结构，齿在井底有轴向滑动，因此齿的端面需要焊接。硬、硬地层中钻头的齿主要依靠冲击和破碎来破碎岩石。齿在井底滑动很少，不涂碳化钨粉，而是直接对齿表面进行渗碳淬火。这避免了焊接涂层的剥落并增加了牙齿的韧性。(2)嵌件 刀片的硬度和耐磨性比铣齿高，寿命比铣齿长。尤其是在高磨蚀性和极硬地层钻孔时，刀片仅显示出它们的优势。目前国外常用的刀片齿形大致有六种，如图5.6所示。勺形齿为非对称楔形齿，啮合面为凹勺形齿，啮合面为微凸弧形，适用于软到中软地层。镶齿牙轮钻头如图5.7所示 图 5.5 铣齿钻.图5.

12、6 镶齿齿形 图 5.7 带插入式密封和滑动轴承的三牙轮钻头 4、密封圈及储油补偿系统 O 形圈（如图 5.8 所示）用于滑动密封轴承钻头。它是由具有一定硬度的耐油橡胶制成的径向密封元件，结构简单，制造方便，密封性能可靠。要使O型密封圈具有理想的密封性能和较长的工作寿命，必须有合适的预压缩率，一般在15%左右。储油补偿系统包括压盖、卡簧、压力补偿膜（又称橡胶气囊）、储油腔、保护膜杯和长油道六部分。带传压孔的压盖安装在爪背上方的肩部，爪侧开有部分传压孔。后一种结构不仅可以防止岩屑堵塞传压孔，而且可以使传压孔处的井压与密封圈外的井压非常接近，可以降低传压阻力，便于维护。密封圈外的压力平衡。图 5.

13、9 显示了盘形波纹压力补偿系统和波纹管压力补偿系统。图 5.8 O 形密封圈 a 盘形波纹压力补偿系统 b 波纹管压力补偿系统 图 5.9 储油补偿系统 第二节 牙轮及牙轮爪的加工工艺 一、爪的加工工艺 牙轮钻头的爪部应为锻件，无论是本体式还是非本体式。这是由钻头在井中工作的恶劣条件决定的。它必须有足够的强度来承受大的铀压力和扭矩。金属材料也要求较高的机械性能，常用的有铬镍钼或镍钼等合金钢。1)空白 用压力机和蒸汽锤进行模锻-精密锻造和整形-修整。锻造温度应严格控制，不得有过烧或终锻温度低引起的裂纹。例如20Ni 4 Mo合金的加热初锻温度在13001S50之间，毛坯需要正火消除应力。2)划线

14、加工120接合面 划线的目的是找到120接合面的相对位置。所谓120接合面是指钻体由三个爪子组成一个整体的圆柱体，所以有3个120接合面。120结合面在刨床或组合铣床上加工，是后续工序加工工作的定位基准。该工艺的缺点是120接合面的几何误差和角度误差会给后续工艺带来更大的重要性。因此，累积误差会影响钻头的直径。3）完成“C”点平面并保证“C”点大小“C”点平面的加工在爪部加工中非常重要，“C”点的尺寸误差直接影响钻头直径。如果“C”点尺寸大0.06mm，钻头直径必须大1.20mm，反之亦然，所以“C”尺寸不仅是设计中的重要尺寸，还要特别注意处理中的“C”。点大小的准确性。4）大小轴颈及第一、第

15、二推力面堆焊耐磨合金 井底岩石破碎时滚子的轴向力和径向力直接传递到第一、第二推力面和爪轴的大小轴颈上，所以大、小铀颈和需要第一次和第二次推力。除了足够的强度外，表面还要求耐磨。目前，我国常用的堆焊耐磨合金有高碳钴钨粉制成的电极和高铬合金铸铁电极。堆焊后应保证无裂纹、无气孔，其洛氏硬度HRc48-50较好，加工时不易被刀伤。5）爪部热处理 爪部的热处理在钻头中非常重要。如果热处理不当，会给使用带来很大的麻烦，而且容易发生井下事故，影响钻井时间，增加钻井成本。比如爪尖断了，如果是密封的钻头，密封不严会导致轴承早期损坏，大大降低钻头的使用寿命。又如齿的保护使之容易损坏而使泥土或碎屑侵入轴承腔，加速轴

16、承的磨损，爪轴断裂使锥体落到井底，而锥体断裂落下，给井底打捞和打捞带来了很大的麻烦，所以这种环的热处理对于钻头的制造和使用来说是非常重要的。国内各钻头生产企业在热点提取方面探索了一些成功经验，如反复增韧处理以获得更好的效果。方法是；第一道淬火高温回火一一清理；二次淬火低温回火 其目的是提高其综合力学性能。6)大轴颈密封肩部抛光 7)磁探伤 大轴颈123耐磨合金的焊接情况。如果123堆焊的耐磨合金已经磨削过，通过磁检发现有裂纹或其他缺陷需要报废。由于裂纹、夹渣、气孔等缺陷，钻头在井内工作时处于高压和大的扭转振动下，容易引起裂纹扩大，导致耐磨合金剥落成块或片状脱落，导致轴承严重磨损并影响钻头。使用

17、寿命。8)修整 修整两个120的接合面，将塞孔去毛刺，清理干净，准备选装安装。二、锥体的加工工艺 由于牙轮在井下工作，承担破岩任务，工作条件恶劣，对牙轮材料的要求在一定程度上高于齿爪材料。要求具有高强度、高冲击韧性和良好的淬透性。由于其结构和形状复杂，在加工上比较小心。1)空白准备 铣齿辊和镶齿辊毛坯均采用模锻制成，然后正火消除应力，去除氧化皮，为机械加工做准备。2)加工锥体的底平面（端面）和孔 在此过程中，首先车削底平面，然后对每个尺寸的锥孔进行粗加工，作为加工锥面定位和紧固的参考。3）锥面各尺寸的加工 铣齿辊 在反形车床上将第一、二、三锥体的主副锥体车削出来，将第二锥体的顶部切掉。在开槽车

18、床上车出第一、二、三齿槽，然后在专用铣床上铣出齿。插入齿轮 轿厢一、二、三锥的主副锥面。车出排屑槽。4)加工减摩合金的焊接坡口和端面焊接孔 镶齿大轴颈有减磨合金镶嵌焊接坡口。目前国外采用铣削和电脉冲冲压，在第二推力面上钻有耐磨合金镶嵌焊接孔。然后用氩弧焊或冷挤压将减摩合金嵌焊入锥体大铀颈开出的坡口，用氩弧焊将减摩合金焊入第二推力开出的坡口锥体表面。在焊接孔中。我国使用的减摩合金多为银锰合金。5)牙轮热处理前的准备工作 轧辊热处理前，非渗碳区应涂漆，涂层应均匀并有一定的厚度，以免在渗碳过程中脱落。否则，在高温渗碳过程中，碳原子会渗入锥体不应渗碳的地方，淬火后变硬，给后续加工工序带来困难，甚至在使

19、用过程中造成断裂。6)热处理 滚轮、爪部均采用反复增韧工艺。由于每个工厂都有自己的一套热处理规定，国外厂家也有，所以没有定论。7)插入齿辊钻出齿孔 8)铣削齿轮表面堆焊耐磨合金 目前铣齿表面堆焊的耐磨合金块状碳化钨为40-60目，采用中性火焰，后应无气孔、夹渣、裂纹、凹陷或强粘连等缺陷。焊接。焊接时要注意，齿的主受力面要焊得较宽，后面再焊。9）锥孔和“R”槽精加工 要求孔的表面光洁度在 8以上，使球、爪轴和锥体之间有良好的工作状态。如果表面光洁度差，清洗干燥后压紧小衬套和推力块的组合效果也差。“R”型槽的平整度直接影响滚珠的寿命。近年来，国内各厂商都非常重视这方面的工作。3.组装过程 1）爪齿

20、选择、分拣 2）装载球 3）真空注油 4）焊接 高度调整：专用夹具，爪螺纹端面凹槽定位。先点焊，后整体焊接，焊接过程中注意温度保护。5）螺纹扣、专用夹具、CNC加工 四曲轴加工技术 一、曲轴的功能和技术要求 曲轴是异形零件，在钻井泵和燃气轮机中起着重要作用。曲轴相当复杂。为了保证可靠运行，曲轴必须有足够的刚度和强度。下面以燃气发动机的曲轴为例，介绍曲轴的常用加工工艺。(1)、主要技术要求(a)主轴颈、曲柄轴颈表面淬火，硬化层2-5mm，硬度HRC50-60。(b)主轴颈曲柄轴颈按6g加工；(c)、主轴颈和曲柄轴颈外圆公差为0.005mm(d)、中间主轴颈相对于参考轴线AB的径向圆跳动为0.01

21、mm(e)、枢轴颈相对于基准AB的平行度公差为0.01/100mm(f)、主轴颈和曲柄轴颈表面粗糙度为R30.2um(g)曲轴未加工表面应清洁，无分层、氧化皮、搭接缝、夹渣、裂纹、喷丸处理；(h)曲轴精加工表面应清洁，不得有磕碰、凹痕、划痕、刀痕、毛刺等；(i)曲轴应在精磨后进行 100%的磁性测试和退磁；(j)其他要求参见图纸。2、技术条件分析(1)各轴颈的尺寸精度直接影响配合件的配合性能。曲轴高速旋转，配合过松或过紧不符合设计要求；(2)图中AB为设计基准，也是安装基准。如果中间主轴颈径向圆跳动超差，即曲轴主轴线弯曲，使各主轴颈与曲柄轴颈不平行于主轴线，会造成主轴颈以及曲柄轴颈及相应的配套

22、件。不良、偏磨损，进而影响主轴承孔和连杆大端孔的偏磨损。(3)各轴颈的圆度和圆柱度误差不仅会影响配合，还涉及到配合的均匀磨损和稳定性，直接影响燃气轮机的性能；(4)如果表面粗糙度大于规定值，势必会影响实际配合精度，不仅加速轴颈的初始磨损，还会划伤相应配合面，加剧磨损。总之，技术条件直接影响产品的性能和使用寿命，关系到产品的经济技术效果，在加工过程中应予以保证。3.曲轴材料及毛坯制造 曲轴在工作时，会受到大小和方向发生变化的大量扭转和弯曲应力。高速运转的曲轴也可能会出现扭转振动，因此曲轴在工作时可能会断裂，轴颈容易磨损。因此，曲轴材料要求具有高强度、高冲击韧性、疲劳强度和耐磨性。曲轴一般采用普通

23、中碳钢或球墨铸铁；高速重载曲轴采用合金钢等较好的钢材；大型低速曲轴以普通碳钢和球墨铸铁为宜。常用材料有35、40、45钢，或球墨铸铁QT60-2，合金钢40Cr、35CrMOA、45Mn、42Mn2V等。毛坯制造应根据批次和材料规格确定。通常球墨铸铁是铸造的；钢材：大批量和小批量使用模锻；对于大批量和小批量，使用自由锻造。大型组合曲轴的曲轴由铸钢制成。球墨铸铁的应用不仅可以减少金属切削量，减少材料消耗、工时和成本，而且具有很好的耐磨性和抗振性。因此，在曲轴制造上，大力推行以铸代锻、以铁代钢的方针。4、曲轴加工工艺及分析 曲轴除了轴类零件加工的一般规律外，还具有刚度差、形状特殊、技术要求高、工艺

24、复杂、工艺路线长等特点。曲轴的加工工艺会随着生产方案和结构特点的不同而有很大差异。图中所示曲轴的加工工艺如表所示。(1)、定位基准的选择 定位基准的选择对曲轴的加工质量影响很大。从曲轴的技术要求可以看出，曲轴的主要加工面为主轴颈和曲柄轴颈，精度高，粗糙度低，要求相互位置正确。加工应以确保满足技术要求为前提。(a)粗基准的选择：对于大批量生产的小型曲轴，由于一般采用模锻毛坯，可用主轴颈定位，也可用连杆轴颈定位，加工两端面及顶孔。对于大中型曲轴，对于自由锻坯，一般按划线钻出两端的顶孔。曲轴加工工艺 阶段 序列号 处理能力 基准 设备 粗加工 1 端面铣、中心孔钻 两端主要期刊 专用机床 2 转动轴

25、颈，弯曲的脸颊与大小端轴颈之间的距离 两个中心孔 车床 3 弯曲的脸颊弧度 大端主轴颈，小端中心孔 车床 4 磨光的脸颊上闪烁 8 次 主要期刊 铣床 5 铣刨 顶孔 铣床 6 铣1、2、3、1曲柄槽 主要期刊 铣床 热处理 7 回火到 HRC27-31 半精加8 铣曲柄两侧及轴颈 主要期刊 数控铣床 工 9 钻 1、3 个曲柄角油孔 主要期刊 专用钻床 10 钻2、4个曲柄角油孔 主要期刊 专用钻床 11 粗磨主轴颈 两端顶孔 特殊研磨机 12 车大端端面、精车中心孔及大端外圆 两端顶孔 车床 13 汽车端面、螺纹孔、锥孔、底切 两端顶孔 车床 热处理 14 感应淬火（主轴颈和曲柄轴颈）精加工 15 修剪大大小小的尖端孔 主要期刊 车床 16 精磨轴颈 两端顶孔 特殊研磨机 17 完成车削主轴颈圆角和小头三轴颈 两端顶孔 车床 18 精细研磨的曲柄颈 主要期刊 特殊研磨机 19 更正各主要期刊 主要期刊 液压机 20 精磨小端三轴颈和大端轴及端面 小头孔，轴颈 磨床 二十一 铣半圆键槽小头两平面 两大期刊 铣床 二十二 铰大头轴承孔 小头孔，轴颈 车床 23 钻攻6-10M10螺纹孔，钻铰定位销孔 钻头、钳子 24 钳工去除尖角、毛刺、斜油孔氧化皮、切屑 工作台 精加工 25 磨削主轴颈和曲柄轴颈 专用机床