方钻杆旋塞阀的失效与受力分析
钻具失效原因分析1
【技术论坛】钻具失效分析及预防钻井过程中，钻具除了受到拉力外，还要受到交替变化的弯曲应力，由于地层变化、转盘旋转等引起的横向振动和扭转振动的周期变化的干扰力，接触的介质是具有一定腐蚀性的钻井液，这些因素加速了钻具的失效。
钻具失效除了造成钻具损失外，打捞作业和停止钻进损失更大，甚至会造成进尺报废。
人们着手分析钻具失效问题，加强对钻具的使用、检测与管理，以减轻这一问题的影响。
钻杆失效类型主要有过量变形、刺穿或断裂及表面损伤。
过量变形是由于工作应力超过材料屈服极限引起；刺穿或断裂在钻柱失效事故中所占的比例较大，主要由于应力腐蚀、疲劳和腐蚀疲劳等原因造成。
表面损伤主要有腐蚀、磨损和机械损伤。
经中石油管材研究中心调查发现，70%的事故是由钻杆内加厚过渡区部位刺穿或断裂引起的。
从表面看，钻杆内加厚过渡区部位的失效有3种表现形式，即裂纹、刺穿和断裂，但实质上都是同一种失效。
钻杆被刺穿是因为泥浆在高压作用下穿过裂纹的缝隙，由于泥浆穿过这种缝隙时的高速流动，进一步扩大了该裂纹，并使之变成孔洞。
因此，刺穿的先决条件是已存在裂纹，多处刺穿孔洞连成一片，大幅度降低了钻杆的承载能力而导致断裂。
钻杆外壁的腐蚀较轻并且均匀，而钻杆内壁表面的腐蚀很不均匀，内加厚过渡区与管体交界处的腐蚀较严重，有许多点蚀坑，而裂纹正起源于这些点蚀坑底部。
有内涂层的钻具内壁腐蚀会减轻很多，但内加厚过渡区与管体交界处的内涂层易被冲蚀。
钻杆内壁的腐蚀以点蚀为主，钻杆出井时其内壁不可避免地残留有泥浆或井下腐蚀介质，如果在存放前未及时冲洗，会使钻杆内涂层剥落的部位产生点蚀，因腐蚀环境是开路系统，能充分吸收空气中的氧气而使腐蚀加速。
在以后的钻井过程中，在点蚀坑底部这个应力集中的地方产生初始裂纹。
钻杆管体腐蚀疲劳裂纹均起源于内壁的点蚀坑，其破坏过程：点蚀坑产生——裂纹萌生——扩展——刺穿。
应力腐蚀破裂是金属在拉应力（外加应力或残留应力）和腐蚀介质的共同作用下引起的一种破坏形式（如氢脆）。
浅析方钻杆旋塞阀失效原因分析及对策
浅析方钻杆旋塞阀失效原因分析及对策摘要：本文通过分析方钻杆旋塞阀失效的形式和原因,确定了方钻杆旋塞阀的薄弱环节，进一步分析出方钻杆旋塞阀的主要失效形式为旋钮无法转动、旋塞本体产生裂纹和旋钮孔处泥浆溢出以及密封失效。
并提出了相应的改进措施,对预防和减少方钻杆旋塞阀使用中存在的问题和优化旋塞阀结构设计有一定的参考价值。
主题词方钻杆旋塞阀失效分析对策方钻杆旋塞阀简称“旋塞”，是一种重要的钻具内防喷工具，安装在方钻杆上端的称方钻杆上旋塞，安装在方钻杆下端的称方钻杆下旋塞。
用专用的扳手转动阀芯，实现旋塞阀的打开和关闭，平时为常开，当发生溢流或井喷时，关闭方钻杆旋塞阀，截断钻具内通道，达到钻具内防喷的目的；当水龙带、高压管汇损坏时，关闭该装置，即可进行安全更换。
我们井控车间在检验旋塞时频繁发生阀芯与阀座之间密封失效，阀座刺坏；阀芯长期不活动，阀座密封面锈蚀严重，旋钮不能转动，无法实现旋塞的开关动作，开关耍圈等等多种失效形式。
为此，我们针对旋塞的失效进行分析统计通过研究提出解决方案，为新型旋塞的研制提供一定的理论参考。
1构造及工作原理方钻杆旋塞阀由以下几个部分组成：本体、孔卡、卡环、挡圈、上阀座、密封件、挡环、定位环、旋钮、拨块、球阀、下阀座、叠簧和密封件等组成（图1）。
旋塞内部结构实物图旋塞通过专用扳手扭动旋钮，带动拨块，使球阀发生转动，以实现开关状态的转变。
球阀是一个带通孔的阀，在其通孔与旋塞阀水眼一致时，其为开位。
当再旋转90°，其通孔与水眼垂直，堵塞水眼，封闭其水眼。
2现场主要失效形式在油田生产中旋塞阀的主要失效形式如下：（1）旋钮开关力矩过大，旋钮内六方孔磨损，无法传递足够的开关力矩；（2）旋钮锈蚀或旋钮固死，导致旋钮开关力矩过大或旋钮无法转动（3）泥浆颗粒较大，旋塞阀开关不到位（4）使用时间较长，旋塞本体产生裂纹或旋钮左右两侧有裂纹(5) 阀芯加工工艺差，球芯刺坏(6)旋钮孔密封圈损坏，旋钮密封失效泥浆溢出(7) 阀体膨胀变形(8) 阀芯不能活动(9)阀座抗腐蚀度差阀座点蚀或阀座刺坏(10 )十字拨块材料强度低十字拨块变形(11)旋钮和拨块配合公差大旋钮与壳体配合紧(12)维护保养不及时，泥浆进入阀体间隙固化，从而卡死旋塞(13)叠簧弹性不够下阀座到位不及时（14）旋钮、扳手配合公差大导致内六方孔磨损（15）阀座密封圈损坏（16）旋塞处于半开或半闭状态，阀芯被井内高压流体刺坏。
世界首套快速掘进系统单月进尺突破1500m
由上 式可看 出 ， 当井 喷 流 体 的压 力 Ｐ确定 后 ， 阀
座与 阀球 接触 面 间 的接触 压 力 只与 Ｏ ｄ 和 有 关 。 以本 文设 计 的旋 塞 阀为例 ， Ｏ ／ ＝３ ９ ． ４ ２ 。 ， Ｏ Ｌ ＝ ４ ９ ． ４ ６ 。 ， Ｒ＝ ６ ０ ｍ ｍ， 此 时井 喷压 力为 ７ ０ Ｍ Ｐ ａ ， 带入式（ １ ） 得 阀
阀主密封面 的接触分 析 ， 得到 了主 密封面 的接触应 力 。
形 等复杂 的非 线性 问题方 面有很 大 的优势 。
有 限元分 析 步 骤 ： 阀 芯 及 上 阀座 的 材 料 均 取 ４ ２
Ｃ ｒ Ｍｎ Ｍｏ ， 其弹 性模量 为 ２ ０ ６ ＭＰ ａ ， 泊 松 比为 ０ ． ３ ， 密度
１ ９ ９ ８， Ｓ Ｐ Ｅ ３ ９ ３ ２ ０ ．
［ ４ ］ 陈 浩， 马迁霞 ， 王晓萍 ， 等． 方钻杆 旋塞 阀密 封设计 探讨 ［ Ｊ ］ ．
石油机械 ， ２ ０ ０ ７ ， ３ ５ （ ９ ） ：１ ２ ４ — １ ２ ６ ．
［ ５］ 张继升 ， 董
斌， 李悦钦 ， 等 ．方钻杆旋 塞 阀密封 设计 ［ Ｊ ］ ． 钻采 苏， 等． 旋塞 阀密 封失效 机理分 析与改进
７ ８ ５ ０ ｋ ｇ ／ ｍ 。根 据 尺 寸 在 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ里 直 接 建 模 并 装 配， 基 于结构 和载 荷 的对称性 ， 只取 模 型 的 １ ／ ２的进 行分 析 。根据 接触对 中主从面选 择原 则 ， 本 文选 上 阀
通 过把理论计算 值 与仿 真结果 进行 对 比， 发 现 了两 者
的误差在允许 范 围之 内 ， 从 而建 立 了一套 利 用有 限元
方钻杆旋塞阀主密封技术研究
单位代码： 10615 西南石油大学硕士学位论文论文题目：方钻杆旋塞阀主密封技术研究研究生姓名：李静导师姓名：陈浩（副教授）学科专业：机械设计及理论研究方向：现代设计方法2007年4月西南石油大学2007届硕士学位论文摘要方钻杆旋塞阀是钻机循环系统中的重要控制部件之一，常在紧急情况下启闭，故主密封面的转矩大小是旋塞阀可靠工作的重要指标。
本文通过密封与摩擦机理的分析，推导出摩擦转矩理论计算公式，证明了球体与上阀座接触面上的摩擦力矩仅与摩擦系数μ和密封比压p有关。
在工作环境与结构尺寸确定的情况下，合理选择材料与表面处理方案是降低摩擦转矩的主要手段。
在高压与腐蚀性介质环境下工作的旋塞阀主密封面磨损严重，主要有粘着磨损、磨粒磨损与腐蚀磨损三种类型。
要提高元件耐磨性能，主要措施为采用抗H2S腐蚀材料并进行表面强化处理。
利用Ansys对关闭状态下的旋塞阀密封面进行有限元分析研究其应力分布规律，得出如下结论：应力最大值出现在经过阀座通道轴线的球体通道轴线垂面两侧15˚附近密封面外缘处的小区域，远离此区域应力迅速下降。
将Ansys分析结果与理论计算结果对比后发现，将传统的球阀比压计算公式应用于高压硬密封的旋塞阀所得结果误差较大，有限元分析技术在旋塞阀主密封中的应用有待于进一步发展。
关键词：方钻杆旋塞阀，高压球阀，主密封，密封比压，接触分析AbstractKelly cock is one of the important control portions in drilling circulatory system. It often opens and closes in emergency cases, so friction torque of the primary seal surface is an important index for the kelly cock to be reliable. the friction torque theoretical calculation formula is inferred by seal and friction analyzing, and it’s proven that the friction torque on the contact surface between ball and upper seat is only concerns to frictional coefficient μand sealing specific pressure p. In the actual conditions and structural size, suitable material and surface treatment are the main method to reduce the friction torquethe.In the high pressure and the corrosive fluid environment, the primary seal surface of kelly cock is frayed seriously, which includes adhesive wear, abrasive wear and corrosive wear. To enhance wear-resisting, the main method is by using the anti- H2S corrosion material and strengthen surface anti corrosive.By using Ansys to do the finite element analysis for stress distribution rule for the kelly cock primary seal surface in cut-off state, it obtains the following conclusion: The stress maximum value appears around a small area near the seal surface outskirt at about 15˚antiheros of the spheroid channel axis vertical which contains the seat channel axis, and the stress value drops rapidly when departs from this area. Comparing the Ansys analysis result with the theoretical calculation result, it illustrates that the application of traditional ball valve sealing specific pressure formula to the high-pressure metal hard seal kelly cock obtained result with big error, so the application of the finite element analysis technology to the kelly cock primary seal should be developed further.Key word: Kelly cock, High-pressure ball valve, Primary seal, sealing specific pressure, Contact analysis西南石油大学2007届硕士学位论文目录摘要 (1)Abstract (3)目录 (4)引言 (1)第1章 方钻杆旋塞阀 (2)1.1 方钻杆旋塞阀的结构 (2)1.2 方钻杆旋塞阀的密封原理 (4)1.3 方钻杆旋塞阀的工作环境 (5)1.4 国内外研究现状 (7)第2章 方钻杆旋塞阀的密封机理与计算 (8)2.1 阀门启闭件的密封机理 (8)2.2 影响密封的各种因素 (10)2.3 金属硬密封与软密封的比较 (12)2.4 浮动式球阀的密封比压 (13)2.4.1 必需比压及计算 (15)2.4.2 许用比压及选择 (16)2.4.3 设计比压及计算 (18)第3章 主密封面摩擦与操作转矩 (20)3.1 方钻杆旋塞阀的操作转矩 (20)3.2 主密封面的摩擦 (21)3.2.1 摩擦的机理 (21)3.2.2 影响摩擦的因素 (23)3.2.3 操作转矩的计算 (24)3.3 主密封面的磨损 (27)3.3.1 主密封面磨损状况 (27)3.3.2 接触面的粘着磨损 (27)3.3.3 接触面的磨粒磨损 (28)第4章 密封件材料的选择与表面强化处理 (30)4.1 密封件材料基本要求 (30)4.2 腐蚀磨损 (31)4.2.1 主密封面腐蚀状况 (31)4.2.2 腐蚀磨损机理 (32)4.2.3 腐蚀的影响因素 (32)4.2.4 硫化氢腐蚀的预防措施 (34)4.3 材料选择 (36)4.3.1 阀门常用密封件材料 (36)4.3.2 元素对钢性能的影响 (37)4.3.3 旋塞阀常用密封材料 (38)4.4 表面处理 (40)4.4.1 电镀技术 (40)4.2.2 激光表面强化 (41)4.2.3 堆焊技术 (41)第5章 密封面的有限元分析 (43)5.1 接触问题的基本理论 (43)5.1.1 Hertz理论 (44)5.1.2 协调接触与非协调接触 (44)5.2 有限元仿真技术 (47)5.2.1 有限元的基本思想 (48)5.2.2 有限元的求解过程 (48)5.3 Ansys接触单元分析法 (49)5.3.1 Ansys简介 (49)5.3.2 Ansys一般分析步骤 (50)5.3.3 Ansys接触分析 (50)5.4 旋塞阀主密封面的有限元分析 (53)5.4.1 建模与网格划分 (53)5.4.2 加载 (55)5.4.3 结果分析 (56)5.5 主密封改进方案探讨 (58)5.5.1采用软硬结合密封方式 (58)5.5.2 密封面宽度的优化设计 (59)第6章 结论与展望 (60)6.1 所做工作 (60)6.2 结论 (60)6.3 展望 (60)参考文献 (62)致谢 (64)附录1 攻读硕士学位期间发表论文 (65)引言方钻杆旋塞阀是钻机循环系统中的重要控制部件之一。
旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺_翁炜
收稿日期:2005-03-17;改回日期:2005-09-20 作者简介:翁炜(1977-),男(汉族),河北新城人,北京探矿工程研究所工程师,中国地质大学(北京)地质工程硕士在读,钻探机械专业,从事大口径岩土工程钻掘机具及工艺的研发工作,北京市海淀区学院路29号,(010)82321875,weng wei@bjiee ;黄玉文(1968-),男(汉族),江苏人,北京探矿工程研究所大口径钻掘机具研发中心生产部主任、工程师,探矿工程专业,从事大口径岩土工程钻掘机具及工艺的研发及生产工作,(010)69306602。
旋挖钻机钻杆失效形式分析及制造工艺翁 炜,黄玉文,胡继良,史新慧(北京探矿工程研究所,北京100083)摘 要:对旋挖钻机钻杆失效形式进行了简要分析,针对性地介绍了旋挖钻机摩阻式钻杆的方案设计和制造工艺,以及生产过程中的注意事项。
关键词:旋挖钻杆;抗扭强度;焊接;热处理中图分类号:P634.4+2 文献标识码:B 文章编号:1672-7428(2005)10-0038-02Ana lysis on Rot ary D r ill Rod Fa ilure and Produc i n g Technology /WON G W ei,HUAN G Yu 2w en,HU J i 2liang,SH I X in 2hui (Beijin I nstitute of Exp l orati on Engineering,Beijing 100080,China )Abstract:The r otary drill r od failure is analyzed .The alternative design and manufacture techniques of fricti on drilling p i pes of r otary drills was intr oduced .The attenti ons should be paid during manufacture were menti oned .Key words:r otary drill r od;t orsi on strength;weld;heat treat m ent 旋挖钻杆是旋挖钻机上重要的配套钻具,由于恶劣的工作环境和复杂的受力情况,旋挖钻杆易出现破坏现象,其主要破坏形式为疲劳断裂与扭转变形,极少数情况下可能发生钻杆失稳造成的弯曲变形。
钻杆及其接头的早期失效分析与措施研究
钻杆及其接头的早期失效分析与措施研究[摘要]钻杆失效表现在三个方面：本体断裂、刺漏、钻杆螺纹处失效。
本文将分析并探讨钻杆及其接头的早期失效类型、失效形式、失效原因，并且根据分析原因去寻找应对的方法以及预防的办法。
通过设计优化的钻杆结构，提升钻杆质量，使钻杆失效事故发生的概率下降。
[关键词]分析原因钻杆失效优化设计预防措施钻具0前言失效分析是分析判断材料的失效模式、性质、原因、研究失效事故处理方法和预防再失效的技术活动与管理活动，是一种科学的分析方法。
本文将对钻杆失效进行分析。
钻杆很容易受到磨损以及腐蚀等问题的影响从而引发失效事故。
而仅仅是在我们国家的油田之中发生的钻杆失效事故就多达数百起，钻杆失效不仅会造成极大的经济财产的损失，并且常常影响到工程的进度，后果十分严重。
失败乃是成功之母，通过研究钻杆失效，推进提高钻杆质量以及加强研究钻杆的使用和管理，尽量避免失效事故。
1失效类型分析在钻进过程中的受力繁杂，不仅仅是拉力，还有各种应力，因此失效的种类十分复杂，环境也很苛刻，井下的介质之中还包含有一些具有腐蚀性质的液体，而钻具运转起来后会促使钻杆与井壁之间产生高频率的撞击以及摩擦。
钻杆失效的类型种类繁多，主要可以概括为三大类型：断裂失效或者是刺穿失效；表面受损以及过量变形。
断裂或者是刺穿失效在失效事故比较常见，疲劳以及腐蚀等因素是罪魁祸首。
而腐蚀也极易造成表面受损，机器磨损也是表面受损。
当所受到的应力超过钻杆能承受的极限的是，则会引起过量变形[1]。
1.1断裂失效①过载断裂：如“鳖钻时的钻柱体断裂”，“钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂”。
②氢脆断裂：金属中的氢含量过多时，材料在拉力和应力的作用下很容易产生氢脆。
很多人不知道，由硫化氢和盐酸引起的钻柱应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。
③应力腐蚀断裂：如“钻杆接触某些腐蚀介质时的应力腐蚀开裂”，“钻柱在含硫油气井中工作时的硫化物应力腐蚀断裂”。
④低应力脆断：此类失效在钻杆失效中占了很大的比例，是最危险的断裂方式之一。
钻井机械设备失效影响及对策分析
钻井机械设备失效影响及对策分析摘要：随着科学技术的快速发展，我国石油开采技术不断提高。
在这样的情况下，钻井设备的性能是影响钻井技术的主要因素。
在实际钻进的时候经常会出现机械性能失效现象。
针对此现象，要采取科学合理的措施才能解决钻井机械设备的失效问题。
基于此，本文分析了钻井机械设备失效影响因素，提出了钻井机械设备失效影响因素的解决对策，期望为未来有关研究提供相应的参考。
关键词：钻井机械设备；失效；影响因素；对策在现代社会当中，石油行业与我国国民经济发展与资源储备等情况紧密关联。
石油开采没有办法和钻井机械设备相分离。
然而，在这样的情况下，钻井机械设备经常出现失效现象，会影响正常生产，所以需要探寻该类设施设备出现失效的多种影响因素，运用科学合理的维修与管理策略，保障钻井机械设备实际运用的质量与成效，有效延长此类设备的实际寿命，保证石油开采质量与具体成果。
因此，加强钻井机械设备失效影响因素及对策研究具备现实意义。
1钻井机械设备失效影响因素分析1.1钻井机械设备零件的局部塑性变形在现阶段的石油钻井作业活动当中，会对钻井机械设备起到很大程度上的影响以及冲击。
再加之此类设备所承担的符合非常重，十分容易出现多种零部件的挤压，进而造成钻井机械设备出现变形现象，这样便会造成该类设备的失效。
将石油开采作业钻井泵上部位置的传动齿轮当做是案例，如若该齿轮并不坚固，导致其坚固程度没有办法和实际设计要求相满足，这样在长期负荷条件下会由于挤压而出现变形现象。
长此以往，非常容易造成齿轮出现失效情况。
1.2钻井机械设备疲劳失效对于当前的多种钻井机械设施设备而言，不管是实际作业环境，还是具体作业条件，都非常恶劣。
这样会对钻井机械设备的具体维修作业次数与实践起到很大的影响。
由于长期缺少科学合理的维修作业，非常容易造成钻井机械设备长时间处在疲劳状态当中，进而出现失效现象。
因为此方面的因素造成失效现象难以进行修复。
比如，发电机在钻井机械设施设备当中占据着十分重要的位置，由于其实际作业时间比较上，缺少科学合理的维修作业，非常容易造成设施设备出现断裂现象，最后造成失效。
方钻杆旋塞阀的故障分析和改进
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钻井机械性能失效过程的分析及控制措施
钻 井机械性 能 失效过程 的分析及控制措 施
◎关 震 付 杨
备将会直接决定着机械 设备 的故障发生率 ，所以在 日常操作设备 中，要做到规范操作 ，例如在启动机械 设备前 ，按照规范 ，要检 测冷却液是否充足 ，在预热 阶段也要也要等冷却液与机油达到一 定温度 之后 ，才能开始正常的工作 ，而某些操作人员由于一时心 急与疏忽 ，未按照上述规范来操作 ，就 会造成机械设 备的严重损 耗 ，增加机械设备故障的发生率。所以在 日常工作 中，我们要不 断地增强操作人员的规范意识 ，对重要设备 的操作人 员要定期地 进行培训 ，强化规范操作 ；此外还要对这些人员进行考核 ，未达 机械性 能失效的概述 机械性能失效是在一定的条件下 ，所产生的机械性能的非正 到要 求者 ，坚决不允许进行操作设备，这样可以大大地减 少机械 常运转。一般是指机械在常温 常压条件下工作 ，并且不存在很强 设备 的故障发生。 加 强机 械 配 件 质量 管理 。 由于 受经 济 利 益 的诱 导 ，在 配件 市 的腐蚀 性的环境 ，在此期间机械的每个部位都会承受不同载荷的 作用 ，从而造成不同程度 的性能失效。如果金属材料在载荷作用 场上 ，许多鱼 目混珠的配件充斥了柜 台，这些产品并不是不能用 ， 下不能有效地抵抗外界的破坏性 ， 就称 为机械性能失效。另外 ， 根 只是其使用寿命有限 ，或者强度不够 ，所 以管理 人员一定要加 强 据外加载荷 的性质的不同对机械性能造成 的损害也不 同。常见的 配件质量 的管理 。做好机械设备的强制保养工作 。一般来说 ，造 机械性能失效主要有机械 的塑性失效、弹性 失效 、刚度失效、硬 成机械设备的故障原 因是机械设备的超 负荷运转引起的。我们通 过对 石油钻采机械 设备的故障进行分析 ，发现大部分 的石油机械 度失效、冲击韧性失效、断裂韧性失效、敏感性失效等。 设备故障 的发生 ，都是 因为平时对于设备的检修和保养不够造成 钻 井机械性能失效问题 的分析 零件 因高载荷和高冲击力而发生局部变形。因为钻井机械往 的。所 以我们就要在 日常队设备进行维护与检修 ，使设备能够长 往 要承 受 巨 大 的冲 击 力和 高载 荷 ，有 时 载荷 的峰 值 在 一 瞬 间 甚至 时间的处于 良好状态 ：同时对于机械设备要充分地运用预防维修 保养制度 ，对这些设备进行强制的保养。现代石油行业中的机械 就会达 到很高 ，容 易发生变形甚至断裂。 塑性变形。由于钻井机械 设备有个特点就是 中 击 力大 ，高载 设备普遍都是大型的 ，并且各个模块 间的设备相互依存 ，一旦某 模块 出现问题 ，将会 导致其他系统无法正常运转，所以就要利 荷， 在机械的某个部位上比较容易发生挤压 现象而导致塑性变形。 比如钻井泵的传动齿轮 ，在长期高载荷的情 况下 ，则会发生塑性 用现代科学技术 ，对这 些设备进行预知性的故障维护 ，从而达到 变形 ， 久而久之塑性变形一旦超过其最大承受能力， 齿轮就 失效。 降低故障维修成本的 目的。
旋塞阀密封失效机理分析与改进
方 钻 杆 旋 塞 阀 分 为 上 旋 塞 阀 和 下 旋 塞 阀 ， 装 安
ｄ 阀 芯 与 阀 座 之 间 卡 住 固体 颗 粒 。 ） ｅ 操 作 手 柄 关 闭 不 到 位 。 ）
在水 龙头 和方钻 杆之 间 ， 一种 防止 钻井 液喷 溅 、 是 改
善钻 井工作 条件 、 防止 井 喷 事 故发 生 的钻 柱 内 防 喷
场 机 械 ，９ ２ ２ （ ） １—０ １ ９ ， １ ４ ： ５２ ．
积分析Ｅ］ Ｊ ．石油 矿场 机械 ，０ ８ ３ （ ） ５—２ ２ ０ ，７ ７ ：０５．
收 稿 日期 ：０ ９ １ — ０ ２ ０ —０ ３
作 者 简 介 ： 海 滨 （ ９ ０）男 ， 西 寿 阳人 ， 聂 １８ 一 ， 山 工程 师 ，０ ２年 毕 业 于 中 国 石 油 大 学 （ 东 ） 主 要 从 事 井 下 工 具 技 术 管 理 工 ２０ 华 ，
中 图 分 类 号 ： Ｅ ２．０ Ｔ ９１２３ 文 献标 识码 ： Ａ
Ａ ｎ ｌ ｓｓｏ ｅ ｌＦａ ｌ ｒ ｎ ｍ ｐ ｏ ｅ ｅ ｆＫ ｅｌ ａ ｖ ａ ｙ ｉ ｎ Ｓ ａ ｉ ｅ ａ ｄ Ｉ ｕ ｒ ｖ ｍ ｎｔｏ ｌｙ Ｖ ｌ ｅ
ＮＩ Ｈａ— ｉ ＹＵ ｎ — ｈｅ Ｅ ｉｂ ｎ， Ｘｉ ｇ ｓ ｎｇ， ＹＵＥ Ｓｕ， ＬＵＯ — ｈａ Ｘｉｃ ｏ
２ 塔里 木某 井 井 眼 尺 寸 大 ， 尺 寸套 管下 人 ） 大
深 ， 此选 择 Ｚ １０ ９ 因 Ｊ ２ ／ ０型 钻 机 ， Ｆ １ ０ 而 一 ６ ０型 泥 浆 泵
浆泵 。
３ 选用 钻 机参 数 时 ， ） 要参 照标 准 但 不 能 局 限
能够 满足 要求 ， 因此 不必 按 照标 准选配 Ｆ ２ ０ 一２ ０型 泥
方钻杆旋塞阀的失效与受力分析_谢娟
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式中, Dmax 为最大应力。 b) 扭转 Rmax = Sn @ A< Rs
式中, Sn 为剪切基准应力。
c) 内压 DHmax A@ Dn > Rs,
式中, DHmax 为最大环向应力。
按上述方法计算出的应力集中处的最大应力值
可能超过材料屈服极限 Rs, 但必须保证安全或在 SY 标准[ 5] 要求值之内。减小应力集中的措施可在结构
2) 目前, 国内方钻杆旋塞阀普遍存在转动失 效问题, 为确保其工作可靠性, 要减小转动力矩可以 从降低主密封的压差 和减小摩擦因数 2 方面来解 决。如, 采用小通道结构降低压差; 选用耐锈蚀的材 料或防锈表面处理; 使用后若要长期放置则应及时 清洗、保养等。
3) 应提高阀球和阀座球面的加工精度、表面 处理质量, 保证阀球和阀座能可靠密封。
上增大 1- 1 截面沟槽处的圆角半径和去掉 2- 2 截
面的环槽等。
2. 3 阀球的力学计算
方钻杆旋塞阀转动失效的根本原因是阀球和阀
座之间的摩擦力过大, 这是自身结构造成的。阀球
受力如图 2 所示, 当阀球下方泥浆压力 p 很大时, 在
与阀球接触密封带处的平均应力 R 就很大, 球转动
钻杆失效事故统计分析及现场检测方案
钻杆失效事故统计分析及现场检测方案【摘要】本文统计了数个不同区块钻具失效的数据及具体的失效方式，并对常见钻杆失效原因进行了进一步的分析，提出钻杆现场检测的整体方案。
最后针对钻杆检测、钻具质量管理、钻井作业现场操作提出建议。
【关键词】钻杆失效失效分析检测方案1 钻杆失效事故数据统计1.1 中国石油天然气集团公司管材研究所（以下简称管材所）钻杆失效分析数据统计对管材所2006年完成的钻具失效分析项目的结果进行统计，在32项钻具失效项目中，钻杆失效（包括管体和接头）的总数达17项，占钻具失效总数的53.12%。
同时有以下具体特征：在泥浆钻井中，钻具失效的主要形式是杆体刺漏，约占钻杆失效的70%～80%；在气体钻井中，钻杆的失效形式主要是断裂失效，约占钻杆失效的80%。
1.2 国际钻井承包商协会钻杆失效分析调查统计根据国际钻井承包商协会钻杆失效分析调查统计，距内、外螺纹接头台肩450mm ～550mm处为杆体内加厚过渡区，钻杆失效事故70%是发生在该区域内的穿刺或者断裂所引起。
因此，杆体加厚过渡带结构上是钻杆的“薄弱环节”，钻杆失效事故多发生于此。
1.3 徐家围子区块钻具失效类型数据统计徐家围子区块钻具失效类型，钻杆断裂失效占多数，所占比例为42.11%，钻头牙齿折断、掉牙等所占比例为28.95%，刺漏所占比例为18.42%，其余失效形式的比例则相对较小。
2 钻杆失效主要原因分析常见的钻杆失效原因主要有腐蚀疲劳、裂纹、螺纹失效等。
2.1 腐蚀疲劳（可能导致钻杆刺漏等）腐蚀疲劳失效，指受到腐蚀环境和疲劳载荷两种因素所导致钻杆失效。
介质中受到交变载荷作用时疲劳寿命会显著降低，这是腐蚀和疲劳交互作用所造成。
引起钻杆腐蚀的因素很多，不同因素所造成的腐蚀形态不同。
钻杆腐蚀形态主要有均匀腐蚀和点蚀。
其中，均匀腐蚀是指，由化学或电化学反应造成的金属的整个表面或大部分表面上发生的腐蚀，如常见的钻杆锈蚀等。
点蚀又称小孔腐蚀，如钻杆存放或使用过程中内外表面产生的孔状腐蚀，小孔腐蚀常常引起腐蚀疲劳和应力腐蚀裂纹。
钻具失效分析
钻具失效分析一、失效分析概论1、失效的定义部件或零件处于下列状态之一时:, 完全不能工作;, 可以工作，但功能效果不能令人满意;, 受到严重损伤，可靠性、安全性受到影响。
2、失效的过程与分类过程:损伤萌生------积累扩展------破坏。
分类:疲劳破裂失效---------过程比较长，发展速度比较缓慢;解理断裂失效---------过程短，速度快。
3、失效分析的意义失效分析———按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。
意义有:, 减少和预防同类失效现象重复发生;, 为技术开发、技术管理、技术改造和进步提供信息、方向、方法和途径;, 为事故责任认定提供科学的技术依据;, 是质量管理中重要组成部分。
4、失效分析的基本思路, 对具体服役条件下的零部件进行具体分析，从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标;, 运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果，深入分析各种失效现象的本质，揭示失效机理。
, 在对零部件力学条件、环境条件、产品质量和使用情况进行综合分析1基础上，确定造成失效的原因。
, 研究失效抗力指标与材料因素、工艺因素、结构因素、载荷与环境及使用因素的关系，提出预防失效再发生的措施。
5、失效分析的程序和步骤失效分析程序图:失效(故障)发生调查加工和服役历史现场调查及残骸分析初步观察分析无损检测分析宏观断口分析截取试样金相分析微观断口分析化学成分分析常规力学分析确定失效的性质综合分析确定失效的原因下步改进的措施2整个失效分析过程应重点抓着以下几个环节:(1) 收集失效件的背景数据。
主要包括加工制造历史、服役条件和服役历史。
(2) 失效件的外观检查。
包括:, 失效件的变形情况，有无镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、缩径、断面解理形状等;, 失效件表面的加工缺陷，如:焊疤、折叠、瘢痕、刮伤、刀痕、裂纹等。
, 断裂部位所在的位置，是否在键槽、尖角、凹坑等应力集中处。
方钻杆旋塞阀维修工艺的研究
方钻杆旋塞阀维修工艺的研究作者：史辉崔海龙王军汪晶晶袁丹丹来源：《科学与技术》 2019年第1期摘要：方钻杆旋塞阀是钻井过程中必不可少的内防喷工具之一。
由于方钻杆旋塞阀的使用频率较高再加之工作环境恶劣，使用保养不及时或不当操作等诸多因素的影响，所以损坏较为普遍。
对于损坏的旋塞阀如能及时的进行修复，则是节约挖潜的一个重要手段，同时也是为企业创效的一个基本途径。
本文介绍了方钻杆旋塞阀结构、工作原理及主要失效原因，在此基础上制订了一套切实可行的修理工艺方和研制了一套方钻杆旋塞阀专用维修工具，从而提高修理效率和保证修理质量。
此外本文还给出了方钻杆旋塞阀日常维护管理建议。
关键词：方钻杆旋塞阀；失效原因；修理工艺；旋塞阀专用维修工具。
随着油田高压油气田的开发，油气井压力不断增大，易发生溢流或井涌等安全事故。
方钻杆旋塞阀是必不可少的内防喷工具，它在发生溢流或井涌时能有效防止地层流体沿钻柱水眼向上喷出。
同时，方钻杆旋塞阀在钻井作业中，水龙带、高压管汇损坏时，可关闭该装置，进行更换或修复。
由于方钻杆旋塞阀的使用频率较高再加之工作环境恶劣，使用保养不及时或不当操作等诸多因素的影响，所以损坏较为普遍，损坏数量也比较大。
对于损坏的旋塞阀如能及时的进行修复，则是节约挖潜的一个重要手段，同时也是为企业创效的一个基本途径。
然而，方钻杆旋塞阀一经损坏，在修复起来很不容易，特别是在球阀及阀座的取出上非常困难。
为此，研究方钻杆旋塞阀维修工艺和研制方钻杆旋塞阀专用维修工具非常重要。
1、方钻杆旋塞阀结构和工作原理方钻杆旋塞阀是钻柱循环系统中的手动控制阀，是防止井喷的有效工具之一。
方钻杆旋塞阀分为上部方钻杆旋塞阀和下部方钻杆旋塞阀两种，上部方钻杆旋塞阀用于水龙头下端和方钻杆上端之间，下部方钻杆旋塞阀用于方钻杆下端和钻杆上端或方钻杆保护接头的上端之间。
用专用扳手按指示要求转动操作键90度即可实现开关。
在钻井作业中，为避免井喷恶性事故的发生，均应在方钻杆上、下两端组接方钻杆旋塞阀。
钻杆头受力分析报告
钻杆头受力分析报告一、引言钻杆头是钻井设备中的关键部件之一，其受力分析对于提高钻井效率、确保井下安全具有重要意义。
本报告针对钻杆头在钻井过程中受到的各种力的作用进行详细分析，以期为钻井工程提供科学依据。
二、钻杆头结构与力学特性钻杆头通常由高强度合金钢制成，具备足够的硬度和韧性。
它主要包括螺纹部分和圆柱部分，螺纹部分用于与其他管材连接，圆柱部分用于支撑井下下部重力。
三、钻杆头受力情况分析1. 静载荷静载荷是指钻杆头在井下自身重力作用下所承受的力。
它是重力与钻杆头所受摩擦力之间的平衡状态。
静载荷的大小与钻杆头的重量、钻井深度以及井下环境都有关系。
2. 冲击载荷冲击载荷是指钻杆头在钻井过程中所受到的冲击力。
冲击加载荷主要由以下几个方面导致：钻头与岩石接触时的冲击力、钻杆与钻铤之间碰撞产生的冲击力、液压冲击力等。
3. 弯曲载荷弯曲载荷是指钻杆头在钻井过程中承受的弯曲力。
这种载荷主要由井下地层的阻力、钻头与井壁之间的摩擦力、钻杆本身的重力等因素共同作用导致。
4. 扭转载荷扭转载荷是指钻杆头在旋转钻进过程中所承受的扭转力。
扭转载荷的产生主要是由于钻杆和钻头之间的扭矩传递产生的。
四、钻杆头受力分析方法1. 数值模拟通过建立钻杆头的数值模型，可以模拟不同工况下的受力情况。
利用有限元分析等数值方法，可以得到钻杆头在各个方向上的应力分布，从而评估其受力状况。
2. 试验方法通过设计和进行一系列物理试验，可以直接测量钻杆头在不同工况下的受力情况。
通过测量应力和应变等参数，可以准确评估钻杆头的承载能力和安全性能。
五、结论钻杆头在钻井过程中受到的各种力的作用对钻井效率和井下作业安全都至关重要。
钻杆头的受力分析可以通过数值模拟和试验方法进行，以评估其在不同工况下的应力分布和强度状况。
通过对钻杆头受力情况的深入研究，可以为钻井工程的设计和施工提供有力的科学依据。
最终目标是提高钻井效率、确保井下安全综上所述，钻杆头在钻井过程中承受着多种载荷，包括拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷和扭转载荷。
旋挖钻机钻杆失效研究的开题报告
旋挖钻机钻杆失效研究的开题报告一、研究背景：近年来，随着城市基础设施建设的快速发展，旋挖钻机在基础设施施工中起到了至关重要的作用，如桥梁基础、沉管隧道、地铁车站等工程中都需要使用旋挖钻机进行地基钻孔。
然而，在实际施工中，旋挖钻机钻杆的故障率较高，特别是钻杆的失效问题，不仅影响施工进度，还会造成严重的安全事故。
因此，对旋挖钻机钻杆失效进行深入研究，对于提高施工质量和保障工人安全具有重要意义。
二、研究目的和意义：本研究旨在探讨旋挖钻机钻杆失效的原因和机理，并针对性地提出相应的预防措施，有效地降低钻杆失效的风险，提高施工效率，减少安全事故的发生。
三、研究内容和方法：3.1 研究内容该研究将重点从以下几个方面对旋挖钻机钻杆的失效进行深入探讨：旋挖钻杆的结构和材料特性；工程环境对钻杆的影响；钻杆的失效类型和机理；钻杆失效的预防措施和控制方法。
3.2 研究方法本研究将采用以下方法对旋挖钻机钻杆失效进行研究：3.2.1 文献资料法：对国内外有关旋挖钻机钻杆失效的文献和资料进行搜集、整理和分析，了解其研究现状和进展。
3.2.2 现场调查法：到施工现场进行实地调查和采集数据，了解钻杆在不同环境下的使用情况和失效情况。
3.2.3 试验分析法：通过钢材力学性能试验、金相组织分析、拉伸试验等方式，对旋挖钻杆的材料特性进行分析。
3.2.4 数学模型法：根据实验数据和文献资料，建立旋挖钻杆失效的数学模型，分析其失效机理和规律，并提出相应的预防措施。
四、研究预期成果：通过对旋挖钻机钻杆失效进行深入研究，本研究将达到以下预期成果：4.1 系统性地分析旋挖钻机钻杆失效的机理和规律，有效地预测钻杆的失效风险。
4.2 制定相应的预防措施和控制方法，降低钻杆失效的概率，提高施工效率，减少安全事故的发生。
4.3 科学合理地选用旋挖钻杆的材料和结构，为旋挖钻机的稳定运行提供技术支持和理论依据。
五、研究进度安排：本研究预计在10个月内完成，具体工作计划如下：第1-2个月：文献调研、资料搜集和整理。
钻杆失效分析
三、避免钻杆非正常失效的措施钻杆的基本力学工况钻杆在内外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受压、弯、扭、液力等载荷。
如果钻杆所受应力小于每平方米206.8牛顿时，钻杆虽经过无数次的弯曲，也不会产生疲劳裂纹。
钻井时钻杆承受弯曲、扭转和拉伸应力组成的复合应力很大，特别是在大位移定向井及水平井中扭矩极大，钻杆在100万次弯曲次数时便产生疲劳微裂纹；微裂纹产生后便不断扩大延伸，此时如果具有腐蚀作用的高压钻井液进入微裂纹中，就会加速裂纹扩展，最终导致钻井液刺穿钻杆的失效事故。
刺穿发展的结果，使钻杆有效断面不断缩小，刺孔加裂纹的总长度超过其临界裂纹尺寸时，即发生断裂。
除旋转向下的运动，同时还有钻杆的各种振动和涡动。
根据钻杆的失效原因分析，钻杆除正常磨损而失效外，钻杆的非正常失效原因可分为为两个方面：工人操作原因和钻杆自身质量原因。
因此，我们可以从提高钻杆质量和规范操作两方面来避免钻杆非正常失效。
1．提高钻杆质量（1）钻杆材料选择：为适应钻杆的受力分析，钻杆杆体应有较高的抗拉强度、较好抗弯性能和较好的冲击韧性。
杆体材料应选择中碳合金结构无缝钢管，合金元素中应含有较多的Cr、Mo等元素以提高材料的抗拉强度和冲击韧性，含有Mn、Si等元素以提高材料的弹性（即抗弯性能）。
有时还含有微量的B、V等元素以提高材料的淬透性。
常用的杆体材料有：36Mn2V、35CrMo、42MnMo7、35CrMnSi、45MnMoB等。
用于杆体的无缝钢管的壁厚均匀度和轧制缺陷也是影响钻杆质量的重要因素。
如轧制的钢管壁厚均匀情况严重，当钻杆较大的扭力作用时，容易在壁厚较薄处纵向裂开。
有的钢管有重皮、气孔等缺陷，钻杆易从此处产生应力集中断裂或刺漏。
钻杆接头受力最为复杂，接头材料须有很高综合机械性能。
钻杆接头多采用35CrMo或42CrMo.30CrMnSiA棒料制造，但经过锻造的接头材料能大大提高其综合机械性能。
（2）加工工艺选择：目前国内钻杆从加工工艺分主要有整体锻造钻杆（简称整体钻杆）、镦粗＋摩擦焊钻杆（简称镦焊钻杆）和单纯摩擦焊钻杆（简称摩擦焊钻杆）。
方钻杆旋塞阀强度失效分析
方钻杆旋塞阀强度失效分析
张智;宋闯;桑鹏飞;郑钰山;候铎;刘合兴;李磊
【期刊名称】《材料保护》
【年(卷),期】2019(0)7
【摘要】针对某型方钻杆旋塞阀在西北某油田现场施工过程中屡次出现的断裂失效现象,结合现场使用工况以及相关标准,采用断口宏观形貌分析、金相分析、扫描电镜分析、能谱分析、化学成分分析、硬度测试、拉伸力学性能测试以及冲击韧性测试等试验对该型旋塞阀断裂材质因素、环境因素及力学因素进行了研究,并提出改进措施,降低旋塞阀可靠性风险。
结果显示:方钻杆旋塞阀的材质及力学性能合乎设计与国家标准要求,制造缺陷在可控范围内;该断裂的性质为机械与应力腐蚀综合作用下的多源疲劳断裂。
导致事故的主要原因是在腐蚀介质以及超深井剧烈交变载荷下,由于方钻杆旋塞阀设计不合理以及现场防护措施不足造成的。
建议对旋塞阀进行结构优化以及增加防腐蚀措施。
【总页数】8页(P161-168)
【作者】张智;宋闯;桑鹏飞;郑钰山;候铎;刘合兴;李磊
【作者单位】西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室;中海油(中国)有限公司湛江分公司
【正文语种】中文
【中图分类】TE921.5
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1.方钻杆上部旋塞阀失效分析及其改进建议
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3.方钻杆旋塞阀的失效分析
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方 钻 杆 旋 塞 阀 的 失 效 与 受 力 分 析
谢 娟 王 德 玉 李 才 良 王启 颜 ， ， ，
（． 南 石 油大 学 机 电工 程 学 院 ， 都 ６ ００ ；． 北 石 油 管 理 局 ， 北 任 丘 ０ ２ ０ ） １西 成 １５ ０ ２ 华 河 ６ ５０
摘 要 ： 对现 场使 用的 方钻杆 旋塞 阀主要 存在 阀体 断裂 、 针 高压 下 阀球 转 不动 和主 密封试 压无压 力等 问题 ， 方钻杆 旋 塞 阀各种 失效的 原 因进 行 了分析 ， 其 受 力情 况进 行 了研 究 ， 对 对 并提 出了结 构 改进
设 计和 使用 者必须 高度 重视 的问题 。
旋塞 阀转 动失 效 即 旋塞 阀关 闭后 ， 球体 下 方 在 的高 压钻 井液作 用 下 ， 球体 转动 相 当困难 ， 要么旋 钮 沉孔 的六 角形 打圆 ， 要么旋 钮扭 断 ， 旋塞 阀的一 种 是 重要 失效 形式 ， 会严 重影 响后 续 压井 作 业 施 工 。产 生旋塞 阀转 动失效 的原 因有 ：
１ 旋 塞 阀 的主 要 失 效 形 式
方钻 杆旋 塞 阀的服役 条件 与钻柱 中的其他 元件
和使 用 方面 的建议 ， 阀的设计 具 有一 定的参 考价值 。 对
关键 词 ：旋 塞阀 ； 失效 ； 强度 ； 力集 中； 擦 力矩 应 摩
中 图 分 类 号 ： Ｅ ２．０ Ｔ ９１２２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
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在 油气 勘探开 发 钻 井 过 程 中 ， 当地 层 压 力 大 于 钻 井液 液柱 压力 时 ， 层 流 体 有 可 能进 入 井 眼 钻 井 地 液中， 导致溢 流甚 至井 喷 ， 特别 是 在复杂 条件 下高 压 油气藏 勘探 开发 中 ， 钻具 内溢 流甚 至井 喷时有 发生 。 目前 国内外 钻具 内防喷 工具 和技术 仍是 防喷 系统 的
薄弱 环节 ， 旦发 生 钻 具 内井 喷 ， 有 方 钻 杆上 、 一 现 下
受 到泥浆 、 Ｈ ｓ的腐 蚀 以及 泥 浆 的 冲蚀 磨 损 。从 现 场 与资料 调研 了解 ， 钻 杆 旋塞 阀 的失 效形 式 主要 方
有 ３类 。
１ １ 强 度 失 效 ．
方钻 杆 下旋 塞 阀安 装在 方 钻 杆 的下端 ， 操作 较 上旋 塞 阀方便 ， 出 问题 的几 率 更 多 。近 年来 在 使 但 用 过程 中阀体 断裂 时有发 生 ， 调研发 现 ， 断裂 发 生 的 部 位都在 阀体 的 １和 ２截 面 处 （ 图 １所示 ） 断裂 如 ，
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２０ ０ ７年 第 ３ 卷 ６ 第 １ ２期 第 ４ 页 ９
石 油 矿 场 机 械
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