典型石油机械结构和工艺特点.docx
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典型石油机械结构和工艺特点
典型石油机械结构与工艺特点
第一节牙轮钻头结构简介
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日趋复杂恶劣，对勘探开发过程中的石油装备也提出了更高的要求。
牙轮钻头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，是目前石油天然气勘探开发领域急需解决的关键技术问题之一，也是减少起下钻次数，缩短完井周期的有效途径，将有利于加快我国石油天然气勘探开发速度，降低原油生产成本和提高原油产量，从而确保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，提高钻井速度起着十分重要的作用。
钻头从下井开始直到工作寿命结束后才从井底提出，中途在井下无法更换任何零件，其寿命长短直接影响机械进尺和起下钻次数。
因此，这就要求尽可能延长牙轮钻头各部件的工作寿命，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，钻压由钻杆或钻挺施加在牙轮钻头上部，再由牙爪经轴承传递至牙轮，驱使牙轮上的牙齿压入和破碎岩石，同时钻头的旋转使得牙齿破碎岩石的位置发生改变。
通常81/2"三牙轮钻头的钻压在100～150kN左右，每个轴承载荷为30～50kN，轴承直径为57mm，旋转速度约为200转/分钟。
实际钻井过程中，由于牙齿与岩石互作用、钻柱振动产生的动载荷使得作用在钻头上的实际载荷为随机变化的动载荷。
二、牙轮钻头发展简史
自20世纪初期第一个旋转牙轮钻头问世开始，牙轮钻头就不断发展，并很快以其优良的性能成为钻井工业中最主要的破岩工具之一。
1909年8月10日，美国HowardR.Hughes取得了第一个牙轮钻头专利以对付钻井中遇到的刮刀钻头很难或者不可能钻进的较硬地层。
当时由于牙轮在软地层中极易形成泥包，因此在软地层中刮刀钻头仍然享有主导地位。
1925年出现了自洁式钻头。
它的出现克服了当时钻井中遇到软硬夹层地层必须多次起下钻以更换钻头的情况，钻井进尺和机械钻速提高两倍多，明显降低了钻井成本。
1932年对牙轮轴承的改进，出现了滚动轴承，大大提高了钻头使用寿命。
1933年出现了三牙轮钻头，与二牙轮钻头相比，不仅工作更平稳，钻速更快，寿命更长，而且有更多的规径面积维持井径。
1935年出现了移轴三牙轮钻头，这种钻头在当时提高机械钻速达30%，促进了牙轮钻头的广泛使用。
1949年出现了喷射式牙轮钻头，当时的实际测试表明能增加机械钻速达50%。
1951年出现了球型的硬质合金镶齿钻头，大大提高了牙齿寿命，但轴承成了主要的易损部分。
1960年密封润滑轴承研制成功，提高了整体钻头工作时间。
1967年研制成功了用于各类地层的硬质合金镶齿钻头，大大提高了镶齿钻头的适用范围和牙齿寿命。
1968年密封润滑滑动轴承的问世，使钻头的工作时间进一步提高一倍以上。
随着钻井技术的不断发展，钻头也得到了较大发展。
如1970年的O型环密封的滑动轴承；1976年用真空/压力注油法向贮油囊注入润滑脂的密封轴承钻头；1979年的精密密封滚动轴承；1981年的勺形齿；1982年用环锁法将牙轮装配在轴承上的全滑动元件的滑动轴承；90年代初推出的用钻头体内的三合一元件来确保三个牙掌准确对位焊接技术，可以承受恶劣使用环境的全橡胶补偿器；浮动套滑动轴承，对开丝扣环式保持器，网纹状密封圈等新结构。
综合牙轮钻头的发展过程可以看出，牙轮钻头的发展使其工作寿命大幅度提高，如硬质合金镶齿的出现成倍提高了牙齿寿命；从滚动轴承到密封润滑滑动轴承乃至现在对轴承密封结构等的一系列改进，都大大提高了轴承寿命；新技术、新材料的不断利用又从各方面提高了钻头的工作寿命；伴随钢材质量及热处理工艺的发展，牙轮钻头各部件的性能都得以增强；新型的密封材料、润滑剂和高耐磨材料的出现及加工工艺技术的提高又增强了轴承的抗破坏能力；精密的绞孔工艺增强了镶齿的牢固程度；新型合金成份及加工工艺提高了硬质合金的强度等等。
近三十年来，由于齿面结构变化不大，所有齿面结构的改进都基于定性认识，依赖于大量的试验结果。
相对于钻头寿命的增加来看，钻头机械钻速的提高比较缓慢。
三、牙轮钻头结构
1．总体结构组成
牙轮钻头一直是钻井工程中最主要的钻井工具之一，由壳体、牙爪、牙轮、轴承、水眼和储油密封补偿系统等部分组成，如图5.1所示。
148/4英寸以上的可制成无体式或有体式，有体式钻头由三组装有牙轮的牙爪焊接在铸造的钻头体上；128/4英寸以下的钻头由三组装有牙轮的牙爪直接焊接而成，称为无体式钻
头。
牙轮钻头主要零部件具有如下特点：
牙掌：
由毛坯基体（包括流道和掌背保径部分）、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，设计上最难把握。
牙轮：
分钢齿牙轮和镶齿牙轮两种，都由牙轮体和牙齿组成。
区别在于牙齿，前者用指形铣刀在牙轮体上铣削成齿并敷焊硬质合金材料，后者是在牙轮体上钻铰齿孔后镶嵌硬质合金齿。
小零件钻头小零件通常特征单一，零件已经标准化、系列化。
壳体上部车有丝扣（多为母扣）；下部焊有牙爪（又称巴掌）。
牙轮分为单锥牙轮和复锥牙轮两种，单锥由主锥盒背锥组成；复锥牙轮由主锥、副锥和背锥组成，副锥可有一至三个，如图5.2所示。
轴承由牙轮内的轴承跑道、牙轮轴颈和滚动体组成。
大轴承和小轴承承受径向载荷，滚珠轴承主要起定位作用，锁紧牙轮；止推轴承承受轴向载荷。
水眼是泥浆的通道。
储油密封补偿系统可防止泥浆进入轴承腔和防止漏失润滑脂，还可储存和向轴承腔内补充润滑脂。
2.牙轮钻头轴承结构
牙轮钻头的轴承是决定钻头寿命长短的重要因素之一，按结构不同分为滚动
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结构：
滚柱-滚珠-小轴滑动副-止推；滚柱-滚珠-滚柱-止推。
前一种结构用在小尺寸（9英寸以下）钻头上，后一种结构用在大尺寸（9英寸以上）钻头上。
小轴滑动副由牙爪小轴颈（堆焊有碳化钨粉）和衬套组成。
钻头直径小于152毫米时，小轴滑动副由牙爪小轴颈和牙轮小孔组成。
结构示意图如图5.3所示。
图5.3滚动轴承结构示意图
油气钻井用牙轮钻头中的滚动轴承与通用轴承相比，该类轴承具有无内外套圈、无保持架、承载力大且耐振动冲击、转速低（<600r/min），脂润滑有限、强磨粒性外部环境等特点，目前国内外同类产品的工作寿命尚未超过50h。
由于牙轮钻头轴承几何空间有限、工作环境和工作条件恶劣，而钻井过程中破碎岩石所需的钻压又必须通过轴承来传递，使牙轮钻头轴承始终在巨大的振动冲击载荷下工作，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-第二道止推-小轴滑动副-第一道止推，如图5.4所示。
目前国内外有的厂家生产的钻头已取消第一道止推，仅保留第二道止淮。
滑动轴承的摩擦面是面接触，承压面积大，接触压应力较小，轴承寿命较长。
由于不用滚珠，可加大轴颈直径和增加轮壳厚度，使轮壳强度增加。
图5.4滑动轴承结构示意图
3.牙齿
目前国内外生产的牙轮钻头按牙齿材料不同分为铣齿（也称钢齿）和镶齿（也称硬质合金齿）两大类。
（1）铣齿
铣齿牙轮钻头（如图5.5所示）的牙齿均为楔形齿，由牙轮毛坯直接铁削加工而成。
①铁齿敷焊碳化钨粉的方案为了提高牙齿的耐磨性或使牙齿有自锐作用，在钻极软～中地层钻头的牙齿表面敷焊一层碳化钨粉，。
敷焊部位有以下几种方案；敷焊牙齿啮出面；敷焊牙齿啮入面；敷焊牙齿啮出和啮入面；敷焊牙齿啮出面和啮入而的一部分。
牙轮因移轴等结构使牙齿在井底有轴向滑动，故需敷焊牙齿的内端面。
钻中硬和硬地层钻头的牙齿主要靠冲击、压碎作用破碎岩石，牙齿在井底滑动很小，不敷焊碳化钨粉，而是直接对牙齿表面渗碳、淬火处理。
这样可避免敷焊层剥落，增加了牙齿韧性。
（2）镶齿
镶齿的硬度和抗磨性比铣齿高，寿命比铣齿长。
特别是在高研磨性的极硬地层中钻进，镶齿更只示出其优越性。
目前国内外常用的镶齿齿形大致有六种，如图5.6所示。
其中瓢形齿是一种不对称的楔形齿，啮入面是向内凹的瓢形，啮出面是微向外凸的圆弧，适用于软到中软地层。
镶齿牙轮钻头如图5.7所示
图5.5铣齿钻头
。
图5.7镶齿密封滑动轴承三牙轮钻头
4.密封圈及储油补偿系统
O形密封圈（如图5.8所示）用在滑动密封轴承钻头上。
它是一种径向密封元件，由具有一定硬度的耐油橡胶制成，其结构简单，制造方便，密封性可靠。
要使O形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，一般为15%左右。
储油补偿系统一船包括压盖、卡簧、压力补偿膜（又称橡皮囊）、储油腔、护膜杯和长油道等六部分。
带传压孔的压盖装在爪背上方肩部处，也有的传压孔开在牙爪内侧。
后一种结构不仅可避免岩屑堵塞传压孔，而且还使传压孔处井内压力与密封圈外侧井内压力非常接近，可减少压力传递阻力，更容易保持密封圈外侧的压力平衡。
图5.9所示的为盘形波纹式压力补偿系统和风箱式压力补偿系统。
图5.8O形密封圈
a盘形波纹式压力补偿系统b风箱式压力补偿系统
图5.9储油补偿系统
第二节牙轮钻头牙轮及牙爪的加工工艺
一、牙爪的加工工艺
牙轮钻头不论是有体式还是无体式其牙爪都应采用锻压件，这是由于钻头在井下工作的恶劣条件所决定的，要有足够的强度，能承受大的铀压和扭矩，所以对金属材质也要求有高的机械性能，常用的是铬-镍-钼或镍钼等合金钢。
1）毛坯
用压力机、蒸汽锤模锻——精锻整形——切边。
锻造温度应严格控制，不能有过烧现象或终锻温度过低造成的裂纹。
比如20Ni4Mo合金的加热始锻温度在1300～1S50℃之间，毛坯需要正火消除内应力。
2）划线及加工120°结合面
划线的目的是为了找出120°结合面的相关位置。
所谓120°结合面是指钻头体由三个牙爪合成一个整体圆柱，因此有三个120°结合面。
在刨床或组合铣床上加工出120°结合面，为以后各工序的加工作定位基准，这一道工序不足之处是120°结合面的几何形状误差及角度误差都给以后的工序带来较大的积累误差从而影响钻头的直径。
3）精车“C”点平面及保证“C”点尺寸
“C”点平面的加工在牙爪加工中非常重要，“C”点尺寸误差直接影响钻头直径大小。
如“C”点尺寸大0.06毫米，则钻头直径就必然要大1．20毫米，反之亦小，所以“C”尺寸不仅在设计中是重要尺寸，而且在加工中也要特别注意“C”点尺寸的精度。
4）堆焊大、小轴颈及一、二道止推面的耐磨合金
牙轮在井底破碎岩石时的轴向力和径向力直接传递到牙爪轴的一、二道止推面和大、小轴颈，因此则要求大小铀颈及—、二道止推面除有足够的强度外，还要求耐磨。
目前国内常用的堆焊耐磨合金有以高碳钴钨粉制焊条和高铬合金铸铁焊条。
堆焊后应保证无裂纹和气孔，其洛氏硬度HRc48～50较好，加工时不易打刀。
5）牙爪的热处理
牙爪的热处理在钻头中十分重要，如果热处理不当会给使用中带来不少麻烦，容易发生井下事故，影响钻井时间，增加钻井成本。
比如牙爪尖发生断裂，如果是密封钻头则密封得不到应造成轴承的先期损坏从而大大减少了钻头的使用寿命。
又如牙有的保护使之易于损伤而造成泥浆或岩屑侵入轴承腔，这样便加速了轴承的磨损，爪轴的断裂致使牙轮掉落井底，牙轮的断裂掉落并底这些都给清洁井底和打捞带来很多麻烦，因此热处理这一环对钻头的制造和使用很重药。
我国各钻头制造厂在热处取方面出摸索到一些比较成功的经验，比如采用重复韧化处理收到比较好的效果。
其办法是；
第一次淬火——高温回火一一清洗；
第二次淬火——低温回火
其目的是为了提高它的综合机械性能。
6）大轴颈密封台肩抛光
7）磁力探伤
主要检查大轴颈123°处耐磨合金的焊接情况，如果123°堆焊的耐磨合全一经磨削后，经磁力探伤发现有裂纹或其它缺陷则需报废。
因为有了裂纹、夹渣、气孔等缺陷，钻头在井下工作处于高压和大的扭振情况易使裂纹扩展造成耐磨合金呈块状或片状剥落，从而造成轴承的剧烈磨损，影响钻头的使用寿命。
8）修整
修整120°两个接合面，塞肖孔倒毛刺，清洗干净准备选装。
二、牙轮的加工工艺
由于牙轮在井下工作担负着破碎岩石的任务，工作条件恶劣，因此对牙轮材料的要求在一定程度上比牙爪材料还高。
要求具有高的强度，高的抗冲击韧性，好的可淬性。
由于其结构和形状比较复杂，因而在加工中比较仔细。
1）毛坯制备
不论铣齿牙轮还是镶齿牙轮毛坯都是采用模锻而成，再经正火消除内应力，去掉氧化皮为机械加工作好准备。
2）加工牙轮底平面（端面）、内孔
该工序首先将底平面车出，再粗车牙轮内孔各尺寸为加工牙轮表面各尺寸作定位胀紧基准。
3）牙轮表面各尺寸加工
铣齿牙轮
①在防形车床上车出一、二、三牙轮主、副锥，第二牙轮切顶。
②在切槽车床上将第一、二、三牙轮的齿槽车出，然后在专用铣床上将齿铣出。
镶齿牙轮
①车第一、二、三牙轮主副锥面。
⑦车出排屑槽。
4）加工减磨合金镶焊沟槽及端面镶焊孔
镶齿牙抡内孔大轴颈开减磨合金镶焊沟槽，目前国内外有用铣削、电脉冲戎冲压加工的，二道止推面钻减磨合金镶焊孔。
然后再用氩弧焊或冷挤压将减磨合金镶焊到牙轮大铀颈所开的沟槽中，用氩弧焊将减磨合金堆焊到牙轮二道止推面所开的焊孔中。
日前国内用的减磨合金大部分是银—锰合金。
5）牙轮热处理前的准备
牙轮在热处理前应将不渗碳的地方敷上涂料，且要涂均匀并有一定的厚度，在渗碳过程中不致脱落。
否则在高温渗碳过程中碳原子会渗透到牙轮不该渗碳的地方，一经淬火处理就被会变硬，给下面的加工工序带来困难，甚至造成使用过程中的断裂。
6）热处理
牙轮和牙爪一样都采用重复韧化处理工艺，由于各厂都有自己的一套热处理规范，国外制造厂也是保密，因此就不作定论了。
7）镶齿牙轮钻齿孔
8）铣齿牙轮表面堆焊耐磨合金
目前在铣齿表面堆焊的耐磨合合金块状碳化钨40～60目，使用中性火焰，焊后不能有气孔、夹渣、裂纹、凹陷或粘结人牢等缺陷。
焊接时应注意在齿的主要受力侧面应焊宽些，背面次之。
9）牙轮内孔及“R”槽精加工
内孔表面光洁度要求在▽8以上，使滚珠、牙爪轴和牙轮之间有好的工作条件。
如果表面光洁度差，在清洗烘干后压入小轴套和止推块的结合效果也差。
“R”槽光洁度的高低直接影响滚珠的寿命，近年国内各厂家在这方面都非常注意。
三、装配工艺
1）牙爪与牙轮选配，分选
2）装滚珠
3）真空注油
4）焊接
高度调节：
专用夹具，牙爪丝扣端面的凹槽定位。
先点焊，然后整体焊接，注意焊接过程中的温度保护。
5）车丝扣，专用夹具，数控加工
四曲轴加工工艺
1、曲轴的功用及技术要求
曲轴是异形类零件，在钻井泵和内燃机中占有重要的地位。
曲轴受力相当复杂。
为保证工作可靠，曲轴必须有足够的刚度和强度。
下面以一内燃机曲轴为例介绍曲轴的常用加工工艺。
（1）、主要技术要求
（a）、主轴颈和曲拐轴颈应表面淬火，淬硬层2—5mm，硬度为HRC50—60。
（b）、主轴颈的曲拐轴颈按6g加工；
（c）、主轴颈和曲拐轴颈的圆柱公差为0.005mm
（d）、中间主轴颈相对基准轴心线AB的径向圆跳动为0.01mm
（e）、由拐轴颈相对基准AB的平行度公差为0.01/100mm
（f）、主轴颈和曲拐轴颈表面现象粗糙度为R30.2um
（g）、曲轴不加工表面应清洁，不得有分层、氧化皮、叠缝，夹渣、裂纹，且均需喷丸处理；
（h）、曲轴的精加工表面应清洁，不得有碰伤、凹痕、划伤、刀痕、毛刺等；
（i）、曲轴精磨后应100%磁力探伤并退磁；
（j）、有关其它要求参照图。
2、技术条件分析
（1）、各轴颈的尺寸精度直接影响与相配零件的配合性质，曲轴高速旋转，配合过松或过紧都达不到设计要求；
（2）、图中AB是设计基准，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，使各主轴颈及曲轴颈相对于主轴线不平行，这将引起主轴颈及曲拐轴颈与相应配合零件的配合表面现象接触不良，磨损不均，进而影响到主轴承孔也连杆大头孔的不均匀磨损。
（3）、各轴颈的圆度和圆柱误差，不仅影响配合状况，而且涉及到能否均匀磨损和配合性质的稳定性，将直接影响内燃机的性能；
（4）、表面粗糙大于规定值必然影响实际配合精度，不仅加快轴颈的初期磨损，还会使相应配合表面划伤并加剧磨损。
总之，技术条件直接影响产品性能和使用寿命，并与产品的经济技术效果相关，加工中应给予保证。
3、曲轴材料及毛坯制造
曲轴工作时要受到很大的扭力以及大小和方向都变化的弯曲应力，高速运转的曲轴还可能出现扭转振动，所以曲轴工作时可能发生裂断，轴颈易磨损。
因此要求曲轴材料具有较高的强度、高的冲击韧性、疲劳强度和耐磨性。
曲轴一般用普通中碳钢或球墨铸铁制造；高速强载的曲轴，则选用较好的钢材如合金钢；大型低速运转的曲轴，采用普通碳素钢和球墨铸铁为宜。
常用的材料有35、40、45号钢，或球墨铸铁QT60—2，合金钢40Cr、35CrMOA、45Mn、42Mn2V等。
毛坯制造，应根据批量、材料规格来决定。
通常球墨铸铁用铸造；钢材：
大批量、小型的，用模锻；中大型、小批单件的，用自由锻。
大型组合曲轴的同曲拐，采用铸钢件。
球墨铸铁的应用，不仅能减少金属切削量，降低材料消耗、工时和成本，而且有相当好的耐磨性和抗振性。
因此，在曲轴制造中，大力推广以铸代锻、以铁代钢的方针。
4、曲轴加工工艺过程及其分析
曲轴除具有轴类零件加工的一般规律处，还具有刚度差、形状特殊、技术要求高、工艺过程复杂、工艺路线长的特点。
曲轴的机械加工工艺过程随着生产纲领和结构特点的不同，将有很大差别。
图所示曲轴的加工工艺过程见表。
（1）、定位基准的选择
定位基准的选择对曲轴加工质量影响很大。
从曲轴的技术要求可知，曲轴的主要加工表面是主轴颈和曲拐轴颈，它们的精度高，粗糙度较低，且要求正确的相互位置，因此在选择定位基准时，无论是粗、精加工都应以保证达到技术要求的前提。
（a）、粗基准的选择：
对大批量生产的小型曲轴，由于一般采有用模锻毛坯，所以可用主轴颈定位，也可以用连杆轴颈定位，来加工两端面及顶尖孔。
对于大中型曲轴，自由锻毛坯，一般先按划线来钻两端顶尖孔。
曲轴加工工艺过程
阶段
序号
工序内容
基准
设备
粗加工
1
铣端面、钻中心孔
两端主轴颈
专用机床
2
车主轴颈，曲颊间距及大小端各轴颈
两中心孔
车床
3
车曲颊圆弧
大端主轴颈、小端中心孔
车床
4
铣贡颊8处飞边
主轴颈
铣床
5
铣平面
顶尖孔
铣床
6
铣1、2、3、1曲拐凹槽
主轴颈
铣床
热处理
7
调质至HRC27—31
半精加工
8
铣曲拐两侧面及轴颈
主轴颈
数控铣床
9
钻1、3曲拐斜油孔
主轴颈
专用钻床
10
钻2、4曲拐斜油孔
主轴颈
专用钻床
11
粗磨主轴颈
两端顶尖孔
专用磨床
12
车大头端面，精车中心孔及大头各外圆
两端顶尖孔
车床
13
车小头端面，螺纹孔，锥孔、退刀槽
两端顶尖孔
车床
热处理
14
高频淬火（主轴颈及曲拐轴颈）
精加工
15
修整大、小端顶尖孔
主轴颈
车床
16
精磨产轴颈
两端顶尖孔
专用磨床
17
精车主轴颈圆角及小头三轴颈
两端顶尖孔
车床
18
精磨曲拐颈
主轴颈
专用磨床
19
校正各主轴颈
主轴颈
油压机
20
精磨小头三轴颈及大头轴及端面
小头顶尖孔、轴颈
磨床
21
铣半圆键槽、小头两平面
两主轴颈
铣床
22
铰大头轴承孔
小头顶尖孔、轴颈
车床
23
钻攻6—10Ｍ10螺纹孔，钻铰定位销孔
钻、钳
24
钳工清除尖角、毛刺、斜油孔氧化皮、切屑
工作台
光整加工
25
研磨主轴颈及曲拐轴颈
专用机床
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