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1、LZCY/QC 泸州川油钻采工具有限公司LZCY/QC（J）730-02FZ3570、2FZ35-70 闸板防喷器设计计算书编制 校对 审核 批准 FZ35-70、2FZ35-70 闸板防喷器的设计，针对主要的承压及受力零件进行。 由于壳体、侧门等零件形状复杂、工况恶劣、常规的经典计算结果偏差太大， 因而采用了有限元方法对其进行精确分析。侧门螺栓、液缸、液缸联接螺栓、 活塞杆、缸盖等部分受力件进行常规强度校核。泸泸州州川川油油钻钻采采工工具具有有限限公公司司 API FZ 闸板防喷器设计计算书 LZCY/QC(J)730-012API FZ 闸板防喷器设计计算书 LZCY/QC(J)730-0
2、12API FZ 闸板防喷器设计计算书 LZCY/QC(J)730-012一、油缸联接螺栓强度计算 螺栓材料 40CrNiMo 其=835 MPas 许用应力：=0.83S=693 (MPa)根据第四强度理论螺栓应力：=579.3MPa203.14cdF ZHdN2 1)6(2 . 13 . 148)63866. 075.35(1091. 224. 626式中：F0=F+“F F= ZNN=2.91106(N)PdD)(4225 .31)70350(422D=350mm 油缸直径 d=70mm 活塞杆小端外径P=31.5MPa 油缸试验压力 dc= 61Hd H0.866 p p=3 螺距 d
3、c 螺栓计算直径 d1=35.75 油缸联接螺栓螺纹小径 =0.2F 螺栓预紧力“F“F Z=8 螺栓个数 许用应力：=0.83S=693 (MPa) 显然计算应力： 故油缸螺栓强度满足要求。 二、 侧门螺栓强度计算 螺栓材料 40CrNiMo 其=835 MPas 许用应力：=0.83S=693 (MPa) a)螺纹处应力： 根据第四强度理论螺栓应力：=520.7MPa203.14cdF ZHdN2 1)6(2 . 13 . 148)63866. 0752.76(10511634124. 62式中：F0=F+“F F= N=SPZNP=105MPa 试验压力S=116341 (mm2) 侧门
4、受压面积 dc= 61Hd H0.866 pAPI FZ 闸板防喷器设计计算书 LZCY/QC(J)730-01 - 1 -p=3 螺距 dc 螺栓计算直径 d1=76.752 油缸联接螺栓螺纹小径 =0.2F 螺栓预紧力“F“F Z=8 螺栓个数 显然计算应力： 显然，侧门螺栓不会被变形，则抗拉强度更满足要求。 b)侧门螺栓压紧面抗剪强度校核 如右下图示：侧门螺栓压紧面高度为 h=51mm，由于侧门上螺孔 =83mm，因 而剪切应力为：=hZSP =115MPa85183116341105 其中：P=105MPa 试验压力S=0.12(m2) 侧门受压面积Z=8 侧门螺栓数=0.8=554.
5、4(MPa) 因而有 ，故侧门螺栓压紧面不会出现剪坏的情况。 三、 活塞杆强度校核 活塞杆材料 2Cr13 其=450 MPa （热处理后）s 许用应力：=0.83S=373.5 (MPa) （一)、关闸状态；（二） 、开闸状态。两受力情况 （一）按照钻井工艺对防喷顺功能要求，活塞杆强度应适应如下工况： i.承受正常关井时，手动锁紧后，操作人员没有按规定回转手柄 1/41/2 圈，此 时活塞杆受力情况如图（一）所示图（一）API FZ 闸板防喷器设计计算书 LZCY/QC(J)730-01 - 2 -ii.按照 API 规定，特别是紧急情况，该防喷器闸板应能悬挂 18斜坡钻具 200 吨， 并
6、能密封额定井压，这种情况又分为以下三种工况： .液动和手动联合关井并锁紧 .纯液动关井 .纯手动关井并锁紧 仔细分析上述几种工况，不难确定下述为最恶劣的工况组合，即悬重 18斜坡钻具 200 吨，密封额定井压，纯手动关井并锁紧活塞杆所受压力最大，此时活塞杆受力如图 （二）所示为：图（二） F1=N+N井 N 悬挂钻杆时对活塞杆推力N井=P井d2/4 井口液体对活塞杆前端的压力P井=70MPa d=100mm 悬挂 200 吨 18斜坡钻具时的受力情况如图（三）API FZ 闸板防喷器设计计算书 LZCY/QC(J)730-01 - 3 -图（三） 2(fcos(18)+Nsin(18)=G 2
7、(Ncos(18)+Nsin(18)=GN= )18sin()18cos(2ooG9.6105(N) 其中 f=N =0.75 密封橡胶与钻杆摩擦系数 G=1.966106(N)g310200 所以悬挂钻杆时对活塞杆推力N=)18sin()18cos(oofN =N)18sin()18(cos(oo6.9105 所以： F1=N+N井F1=6.9105+701002/4=1039778(N) 活塞杆尾端抗压强度校核 =367.7MPa214 dF s （二）当带压打开闸板或以正常开启油压打开闸板，而此时闸板被卡住，则活塞杆 前端（挂钩部位）受到拉伸和剪切，并在该处内部应力相对较大。还有就是链接
8、活塞螺 纹退刀槽处如图（四）图（四） 如图 SA=4869.35(mm2) SB=d2/4=4536.5(mm2) G=200103g=1.966106(N)A=207.5(MPa) 202(MPa)ASPD 42 35.486945 .103502 AASG 2API FZ 闸板防喷器设计计算书 LZCY/QC(J)730-01 - 4 -在截面 A-A 用第四强度理论得： （MPa）5 .36820235 .20732222 4r=222.7(MPa)BBSPD 4222dPD PdD22由上可得：A-A 和 B-B 应力都小于，所以活塞杆满足设计要求！ 四、在手动关井时活塞杆受力通过锁紧
9、轴与缸盖之间的梯形螺纹传递给缸盖，在梯 形螺纹发生的失效多为螺母失效，所以对缸盖梯形螺纹牙进行强度校核，并对缸盖观察 孔位置进行校核。 查手册并考虑缸盖结构尺寸有： 缸盖材料 35CrMo 其=660 MPas 许用应力：=0.83S547.8 (MPa) 一）：梯形螺纹牙强度校核；=（MPa）dtZF 18310910634. 07010397786（MPa）1761010)1010634. 0(7010105 . 0103977833323321zdthFb根据第四强度理论： 227（MPa）22228331763b 所以 缸盖梯形螺纹满足强度要求。 其中 F1=1039778N d=70
10、mm t=0.634 Z=9 h=0.5pp 二）：缸盖观察孔截面如图（五）所示=154.5（MPa） 其中 F1=1039778(N)6727.2410397781ASF所以 缸盖在此处满足强度要求 因此缸盖满足设计要求。 五、 油缸壁厚校核API FZ 闸板防喷器设计计算书 LZCY/QC(J)730-01 - 5 -查手册并考虑液缸结构尺寸有 液缸材料 35CrMo 其=835 MPas 许用应力：=0.83S693 (MPa) 按新修订标准要求，液缸部分应承受 31.5 MPa 液压强度试验，此时，液缸可视为内 腔受 31.5 MPa 内压的园筒，按弹性力学理论，园筒沿壁厚方向的应力分
11、布规律表示式为：1)(1)(2020 irRRrRP1)(1)(2020 iRRrRP所以当 时 液缸压力最大iRr 6.38PPrPRRRRii1)(1)(2020 式中：R0=410mm,Ri=350mm 分别为园筒外、内半径，P=31.5MPa 为内压。 按第三强度理论，等效应力为： (MPa)5 .23238. 7Pr 故安全 六带压关井所能关闭的最大井压 当井内有压力 P井时，再关井，在活塞杆前端的井压推力等于关闭油缸腔的推力时， 两者达到平衡，此时应有（不计密封处摩擦）：井活塞杆前端活塞杆小径油缸PdPdd2 422 4 P44P 222活塞杆前端活塞杆小径油缸井 ddd 解得：P
12、井101 (MPa) 式中： d油缸=350mm d活塞杆小径=60mm d活塞杆前端=100mm油压=8.5 MPap 即是说，在最低控制油压 8.5 MPa 下关井，只有在井压大于 101MPa 时，才有可能 造成通过油缸关井困难，实际上在操作规程中，井口一旦发生井涌溢流，就要求立即关 井，而此时井口压力还没有起压。因此，从结构设计上看，该防喷器考虑了井口带压打 开或带压关闭的特殊工况，它至少能够在 70 MPa 的井口压力下，带压关井。 六、带压打开时所能打开的最大井压 当闸板关井密封时，若遇特殊工况，需带压打开，设井口压力为 P井，打开液压API FZ 闸板防喷器设计计算书 LZCY/
13、QC(J)730-01 - 6 -10.5 MPa，要达到平衡此时应有：井井打开端活塞杆打开腔活塞杆油缸PSPdPdD2 )(422 4P dPdD P764. 44-S)(4 222 活塞杆（打开端）活塞杆（打开端）液缸井当 P=10.5（MPa） 解得：P井50 (MPa) 当 P=21（MPa） 解得：P井100 (MPa)其中：d活塞杆（打开腔）=100（mm） P 液缸压力S=44060(mm2) 闸板有效贴合面积 因此，该防喷器在以 10.5 MPa 油压带压打开井口时，最大能打开 50 MPa 井压，以 21 MPa 油压打开井口时，最大能打开 100 MPa 井压。 七、侧门密封处止推压板螺钉强度校核 螺栓材料 1Cr13 其=350 MPas 许用应力：
