畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 機(jī)職 041 所在學(xué)院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械工程及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)題目：3NB—1300 鉆井泥漿泵——液力端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告班級(jí)： 姓名： 論文題目 3NB-1300 鉆井泥漿泵——液力端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、選題背景和意義：石油鉆井技術(shù)發(fā)展 90 年代, 由于海洋深水油氣田的開(kāi)發(fā)和大量水平井鉆井的需要, 不僅使鉆機(jī)的功率加大, 提升能力加強(qiáng), 而且使鉆井泥漿泵功率也增加到 1470～1618kW(2000～2200hp)。泵壓則由 35MPa 提到 52.7MPa。這種新參數(shù)的泥漿泵已經(jīng)在半潛式、浮動(dòng)鉆井船, 改造的自升式平臺(tái)上大量采用。并在英國(guó)北海油田、美國(guó)墨西哥灣油田、西非海岸的油氣開(kāi)發(fā)中服役。在南中國(guó)海也將 3NB1600 型泵的泵壓提高到 52.7MPa 后使用在鉆井平臺(tái)上。預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年中, 在我國(guó)的各類海洋平臺(tái)和鉆井船上 3NB1300 型和 3NB1600 型泵也將陸續(xù)改造為 52.7MPa 或更換成 3NB2200 型泵。而在沙漠中大于 7000m 的油氣井也將用 3NB2200 型泵來(lái)完成。采用大功率泥漿泵主要是解決在水平井段防止鉆桿卡鉆和清除井底巖屑, 加快進(jìn)尺, 為井下提供動(dòng)力, 縮短鉆井周期, 降低鉆井成本。目前在一般水深小于 1200m 的油田, 半潛式鉆井船日租費(fèi)用為$2.5 萬(wàn)元/d, 而在超深水域半潛式鉆井船將高達(dá)$12 萬(wàn)元/d 。因此, 采用安全可靠、性能先進(jìn)的高壓大功率泥漿泵是提高鉆井效益的有效途徑。目前, 國(guó)產(chǎn)大功率三缸泵最大為3NB1600型泵, 且壓力為35MPa。為了盡快適應(yīng)日益發(fā)展的鉆井技術(shù)的需要, 應(yīng)加快研制國(guó)產(chǎn)3NB2200型泥漿泵。大功率泥漿泵在海上油田的采用, 勢(shì)必?cái)U(kuò)展到陸上超深井和水平井鉆機(jī)上, 就像過(guò)去三缸單作用泵在海洋鉆機(jī)上替代雙缸雙作用泵一樣, 形成一場(chǎng)革命, 很快擴(kuò)展到陸地鉆機(jī)。隨著泵壓的升高, 對(duì)鉆機(jī)中各類鉆具的性能要求也將隨之提高, 否則, 采用高壓大功率泥漿泵后帶來(lái)的鉆井效益將由于鉆具的頻繁損壞而殆盡。關(guān)于輕便鉆井泵功率在955KW以下，主要配套于4000m以下鉆機(jī)，因此，輕便鉆井泵的市場(chǎng)前景基本依從于4000m以下鉆機(jī)的使用現(xiàn)狀和發(fā)展。隨著改革開(kāi)放的深入及中國(guó)加入世界貿(mào)易組織（WTO），我國(guó)石油鉆井隊(duì)伍“充分利用國(guó)內(nèi)外兩種資源、兩個(gè)市場(chǎng)”，實(shí)施走出去的戰(zhàn)略，進(jìn)入國(guó)際鉆井市場(chǎng)，為了滿足參與國(guó)際市場(chǎng)的需要，中石油、中石化都在不斷加大鉆井設(shè)備的投入，同時(shí)加快了老鉆機(jī)的更新改造和新型輕便鉆機(jī)的研制步伐，加之國(guó)際市場(chǎng)對(duì)鉆井泵的需求量增大，使得鉆井泵的供求矛盾更加突出，各類型鉆井泵的缺口每年達(dá)200臺(tái)左右。隨著新鉆井工藝的應(yīng)用和發(fā)展，要求開(kāi)發(fā)具有更高更好性能的新型鉆井泵。因此該項(xiàng)目具有良好的市場(chǎng)前景。隨著越來(lái)越多的國(guó)產(chǎn)設(shè)備步入國(guó)際市場(chǎng)，也會(huì)極大地提高我國(guó)石油裝備制造企業(yè)的國(guó)際聲譽(yù)，創(chuàng)造出更多的商機(jī)。二、課題關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)：本題目將設(shè)計(jì)一臺(tái) 3NB-1300 鉆井泥漿泵，主要有液力端部分，泵殼部分、動(dòng)力端部分、潤(rùn)滑部分等組成。本子題目將對(duì) 3NB-1300 鉆井泥漿泵液力端進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)閥箱、拉桿、活塞和缸套等進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)以下數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)① 泵型：臥式三缸單作用② 輸入功率：956 千瓦③ 齒輪傳動(dòng)比：I=128/35=3.657 ④ 主動(dòng)軸額定轉(zhuǎn)速：437.77 轉(zhuǎn)/分⑤ 外形尺寸（長(zhǎng)*寬*高）：5050*2406.5*2655⑥ 總質(zhì)量（包括皮帶輪、予壓空氣包和噴淋系統(tǒng)）：22300Kg難點(diǎn)：閥箱設(shè)計(jì)閥箱是三缸泵液力端的主體零件，外表呈方形。直通式液力端有三塊閥箱，而 L 形液力端有六塊閥箱。閥箱可視為開(kāi)有交義內(nèi)孔的厚壁高壓容器。在閥箱壁上布有一些聯(lián)結(jié)法蘭的螺柱孔和其它螺栓孔眼。實(shí)踐證明，由這些孔眼位置和尺寸所決定的閥箱壁厚一般超出了安全爆破壓力所需的壁厚。閥箱內(nèi)安裝吸入和排出閥的部位稱為閥腔。功率大的泵，流量大，要求閥座的通孔面積大，應(yīng)選擇較大的閥腔號(hào),實(shí)際使用中閥箱的正常失效形式是由脈動(dòng)內(nèi)壓和介質(zhì)腐蝕引起的內(nèi)表面應(yīng)力集中點(diǎn)的疲勞開(kāi)裂。閥箱的材料以采用挑 35CrMo 鍛鋼為好。這種材料調(diào)質(zhì)后有相當(dāng)?shù)挠捕?，其耐磨性和耐沖蝕性較好，有助于避免閥箱被高壓泥漿刺傷等。國(guó)外也有人主張用 35 , 40 等優(yōu)質(zhì)碳鋼制造閥箱，因?yàn)樵谀酀{的浸泡中碳鋼和鉻鉬鋼的疲勞極限是相近的，閥箱內(nèi)表面的疲勞極限和耐磨性最終主要決定于鍍層。鉆井泵閥箱在加工完畢后應(yīng)逐個(gè)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力規(guī)定為最高設(shè)計(jì)工作壓力的兩倍。這項(xiàng)試驗(yàn)的目的是防止成品閥箱因含有材料缺陷而在工作時(shí)發(fā)生整體爆炸事故。如果閥箱上原設(shè)計(jì)的有關(guān)密封件不能承受試驗(yàn)壓力，可在試驗(yàn)時(shí)換用其它密封方法。三、調(diào)研報(bào)告（或文獻(xiàn)綜述）：1.鉆井泥漿泵的發(fā)展趨勢(shì)目前，國(guó)內(nèi)外三缸單作用往復(fù)式鉆井泵存在的主要問(wèn)題a） 鉆井泵質(zhì)量大，難以適應(yīng)現(xiàn)代輕便鉆機(jī)的要求，制約鉆機(jī)的移運(yùn)性。b） 沖程短，沖次高。鉆井泵在不適合的沖次范圍內(nèi)工作，致使液力端壽命短。c） 泵壓低，不能完全滿足鉆井工藝的需要。d） 結(jié)構(gòu)不合理，部分強(qiáng)度冗余，部分剛度不足，可靠性低，難以滿足鉆機(jī)高可靠性要求。e） 缸套壽命短，難以滿足鉆機(jī)高效率要求。鉆井行業(yè)的發(fā)展方向是提高時(shí)效、降低成本和采用能夠降低成本的新工藝、新技術(shù)和新裝備。運(yùn)用高速高壓噴射鉆井工藝是這一趨向的必然選擇。高速由高可靠性的鉆機(jī)來(lái)保證，高壓噴射則由高可靠性的鉆井泵來(lái)保證。決定鉆井泵易損件壽命和工作效率的參數(shù)為泵沖次、沖程、排出壓力和吸入壓力。隨著鉆井工藝技術(shù)，特別是高壓噴射鉆井、近平衡鉆井、叢式定向井、水平井等新工藝、新技術(shù)的發(fā)展，鉆井泵進(jìn)一步向大功率、大排量和高泵壓方向推進(jìn)，作為鉆機(jī)“心臟”的鉆井泵，其性能水平和使用壽命同鉆井速度和生產(chǎn)成本有著直接關(guān)系，同時(shí)其工作條件又十分惡劣，工況也異常復(fù)雜，對(duì)鉆井泵的可靠性和安全性提出越來(lái)越高的要求。對(duì)于輕型鉆井泵來(lái)說(shuō)，排出壓力將進(jìn)一步增高，以適應(yīng)現(xiàn)代鉆井工藝的要求。多年來(lái)，鉆井的實(shí)踐證實(shí)，只有臥式活塞泵能滿足鉆井工藝要求，鉆井使用的活塞泵傳動(dòng)功率由300～2000kW，最大排量8～50 L/s，最小排量下的最高壓力為9～ 40 MPa。從排量的均衡性，對(duì)不同結(jié)構(gòu)泵的排量不均度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，曲柄錯(cuò)角120°的三缸泵比其他方曲柄錯(cuò)角等的多缸泵都有利；三缸以上的泵由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難和易磨損而難以廣泛應(yīng)用。近年相繼開(kāi)始研制出5缸、7缸斜盤(pán)型軸向柱塞泵、雙缸單作用液壓鉆井泵等新型鉆井泵，但由于維修不便及使用壽命等因素限制了其推廣應(yīng)用。所以目前國(guó)內(nèi)外鉆井泵的主要型式仍為三缸單作用往復(fù)泵。三缸泵的液力端為 L 形結(jié)構(gòu)，復(fù)合錐面閥膠皮，冷卻缸套活塞內(nèi)孔噴射移動(dòng)式噴淋裝置，直立式吸入空氣包；動(dòng)力端體外強(qiáng)力潤(rùn)滑系統(tǒng)，閉式內(nèi)固定導(dǎo)板機(jī)構(gòu)。因此，輕便鉆井泥漿泵的發(fā)展趨勢(shì)是降低額定沖數(shù)。降沖次可以提高易損件壽命，如活塞密封、缸套的使用壽命，還可以減少慣性損失、改善泵的吸入性能，同時(shí)提高泵動(dòng)力端齒輪、軸承等零部件的使用壽命，大大提高鉆井泵的可靠性。合理降低泵的沖次，適當(dāng)增加泵的沖程長(zhǎng)度，既滿足鉆井過(guò)程中的排量要求，又能確保泵的自吸性能，充分發(fā)揮了泵的效能，成為今后鉆井泵設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。2.液力端液力端由缸蓋總成、凡爾總成、拉桿、活塞與缸套等組成。1)缸蓋總成缸蓋總成的作用是封住液缸、壓緊缸套及調(diào)節(jié)缸套盤(pán)根的松緊，使其保證良好的密封狀態(tài)，以保證鉆井泵的正常工作。根據(jù)泵的傳動(dòng)功率、工作壓力的大小，缸蓋總成的結(jié)構(gòu)可分為兩大類。但不論哪一種結(jié)構(gòu)，缸蓋總成都承受全部的液力負(fù)荷。特別是高壓噴射鉆井工藝，對(duì)泵提出的要求更高。2)凡爾總成鉆井泵全部采用的是錐形盤(pán)狀凡爾體，液體沿凡爾體的外緣流動(dòng)，它的密封是靠凡爾體上的凡爾膠皮合金書(shū)面語(yǔ)凡爾座的金屬接觸實(shí)現(xiàn)的。凡爾膠皮突出干凡爾體的金屬部分，因此，凡爾膠皮除了起密封作用外，還對(duì)凡爾關(guān)閉起緩沖作用。凡爾彈簧的主要作用是保證凡爾及時(shí)關(guān)閉。為了使凡爾體平穩(wěn)準(zhǔn)確地座落在凡爾座上，凡爾還配備有導(dǎo)向裝置。凡爾座與凡爾穴孔靠一定加工精度的錐度配合來(lái)實(shí)現(xiàn)密封的。圖1 鉆井泵凡爾體3)拉桿拉桿一端與中間拉桿相連，一端與活塞相接，通過(guò)拉桿把動(dòng)力傳給活塞。圖 2 鉆井泵拉桿拉桿與活塞的配合：拉桿的一端靠錐度與活塞相配合，而實(shí)現(xiàn)密封。因此對(duì)拉桿錐度要進(jìn)行精密加工，以保證錐度配合有較大的接合面（要大于 70%） 。錐面上只要有很少一點(diǎn)銹，潤(rùn)滑液或泥漿都會(huì)妨礙配合。所以，在安裝活塞前，一定要將活塞孔和拉桿錐度部分洗凈抹干。必要時(shí)，可用較好的剛砂布或砂紙打磨，在安裝時(shí)，不使用潤(rùn)滑劑，因?yàn)闈?rùn)滑油膜會(huì)妨礙拉桿和活塞的金屬面接觸，易使活塞松脫，這樣，泥漿會(huì)將活塞錐孔和拉桿的錐度部分刺壞，另外，一定要按規(guī)定擰緊拉桿螺帽，以保證活塞的正常工作。拉桿盤(pán)根：拉桿盤(pán)根是用來(lái)封嚴(yán)拉桿和后缸之間的間隙的。最早采用的拉桿盤(pán)根是壓緊式矩形盤(pán)根。這種結(jié)構(gòu)全靠拉桿盤(pán)根擠緊拉桿實(shí)現(xiàn)密封的，工作時(shí)發(fā)熱十分嚴(yán)重，僅適于在 70 大氣壓以下工作。目前最常見(jiàn)的拉桿盤(pán)根有兩種結(jié)構(gòu)。一種是采用自封式多皮碗的拉桿盤(pán)根。這種盤(pán)根是靠泥漿壓力將拉桿盤(pán)根唇部撐開(kāi)，對(duì)拉桿實(shí)現(xiàn)密封的。因此，在低壓時(shí)，有時(shí)會(huì)有些泥漿通過(guò)拉桿盤(pán)根滲出來(lái)，等壓力提高了，滲漏的現(xiàn)象就消失了。又因?yàn)槭遣捎玫亩嗉苑馐奖P(pán)根，當(dāng)有砂粒進(jìn)入盤(pán)根盒后，就留在盤(pán)根的溝槽內(nèi)，不僅保護(hù)了拉桿，而且也避免刺壞盤(pán)根。圖3 拉桿的密封4)活塞與缸套目前活塞基本分為兩大類，即整體式活塞和組裝式活塞。整體式活塞（圖 4）的皮碗硫化在鑄鐵的活塞芯子上，皮碗和芯子成一整體，又稱硫化活塞。更換活塞時(shí)，皮碗和芯子一起換掉。圖4 整體式活塞由于活塞的壽命很短，因此又發(fā)展了單獨(dú)更換皮碗、鋼芯可重復(fù)使用的組裝式活塞（圖 5） 。組裝式活塞的皮碗套在鋼芯上，靠壓板和卡簧固定。圖 5 組裝式活塞另外，鉆井往復(fù)泵是用更換缸套的辦法來(lái)延長(zhǎng)液缸壽命的，并可通過(guò)更換不同內(nèi)徑的缸套來(lái)改變泵的排量和壓力。為了提高缸套的壽命，通過(guò)提高缸套內(nèi)表面的硬度，收到了一定的效果。采用碳氮硼共滲工藝處理的缸套，可使內(nèi)孔硬度提高到 Rc60 以上。選用雙金屬缸套的優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕性，抗研磨性，很好的磨合性及工作表面的高光滑度。缸套采用雙金屬制作，外套用 45 鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理獲得回火索氏體組織，具有較好的綜合性能。四、方案論證：液力端系統(tǒng)設(shè)計(jì)查閱相關(guān)資料，弄清楚鉆井泥漿泵液力端基本結(jié)構(gòu)。查閱得液力端由缸蓋總成、凡爾總成、拉桿、活塞與缸套等部件組成。在弄明白液力端基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)工具書(shū)確定組成液力端各部分的材料，如閥箱選擇由 35CrMo 鍛鋼制成，其耐磨性和耐沖蝕性較好，有助于避免閥箱被高壓泥漿刺傷等。在確定組成給液力端各部分的材料后，根據(jù)知識(shí)要點(diǎn)，考慮各部分的影響因素例如閥箱內(nèi)交叉孔的相貫線上和內(nèi)圓柱面直徑變化處都有明顯的應(yīng)力集中。液力端泵頭失效的主要原因有泵頭內(nèi)腔均受到泥漿和海水腐蝕介質(zhì)的侵蝕；泵頭表面發(fā)生變化的相貫線部分除受到與腔內(nèi)其他各處表面相同的交變載荷外，還由于應(yīng)力集中而存在著較大的拉應(yīng)力，使其平均拉應(yīng)力和最大拉應(yīng)力都大于泵頭腔體表面的其他區(qū)域，因此，腐蝕疲勞裂紋首先在此處形成。由于泵頭一直處于平均壓力不為零的狀態(tài)下，使裂紋始終處于張開(kāi)狀態(tài)，腐蝕介質(zhì)極易進(jìn)入裂紋尖端，而加速了腐蝕疲勞的擴(kuò)展。從腔體內(nèi)表面的蝕坑、宏觀斷口的海灘波紋，微觀斷口的腐蝕疲勞輝紋，晶界面上的腐蝕斑點(diǎn)和微坑，斷面上的泥狀總樣及多條裂紋源等，充分證明泵頭失效系腐蝕疲勞失效。因此在泵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)相貫線處應(yīng)盡量以大圓角過(guò)度，嚴(yán)格控制加工質(zhì)量，降低應(yīng)力集中；疲勞腐蝕主要與環(huán)境特性有關(guān)，可采用適當(dāng)?shù)谋砻鎻?qiáng)化工藝、表面涂鍍等工藝措施。在鉆井泵運(yùn)行時(shí)，缸套內(nèi)壁與活塞外圓材料會(huì)產(chǎn)生磨粒磨損、粘著磨損，磨粒磨損是其主要磨損形式。而這些磨粒主要是泥漿液中含有來(lái)自地層的各種礦物硬料，其中以石英硬粒為主。石英是六方晶系的致密結(jié)晶體，泥漿中的石英粒子尺寸一般為 0.09～0.30mm，硬度高達(dá) HV750～1300。當(dāng)活塞在缸套中往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些堅(jiān)硬礦物粒子就對(duì)缸套內(nèi)壁產(chǎn)生犁耕刮擦的作用，產(chǎn)生拉傷犁溝。當(dāng)犁溝尺寸較大時(shí)，高壓鉆井液將泄漏，并沖刷缸套內(nèi)壁，進(jìn)而出現(xiàn)更嚴(yán)重的侵蝕條件下的三體硬粒磨損，使缸體、活塞、缸套在短期內(nèi)失效。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般采用雙金屬缸套，采用雙金屬缸套的優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕性，抗研磨性，很好的磨合性及工作表面的高光滑度。缸套采用雙金屬制作，外套用 45 鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理獲得回火索氏體組織，具有較好的綜合性能。其內(nèi)層為高鉻白口合金鑄鐵，高鉻鑄鐵缸套失效的特點(diǎn)是，馬氏體基體的磨損及凸出的碳化物的折斷和脫落，交替發(fā)生直至失效。碳化物的折斷和脫落是缸套磨損失效的主要機(jī)制，為了提高缸套壽命，必須控制碳化物的折斷和脫落速率，優(yōu)選合適的缸套表面硬度可有效地提高高鉻鑄鐵套壽命?？刹捎秒x心澆注，經(jīng)淬火+ 回火處理，獲得馬氏體+ 合金碳化物+ 殘余奧氏體組織，硬度HRC61～68，加工內(nèi)襯內(nèi)孔時(shí)盡量控制內(nèi)壁加工余量小于 5mm，以保留澆鑄后的細(xì)晶區(qū)。通過(guò)以上知識(shí)要點(diǎn)進(jìn)行液力端設(shè)計(jì)，能夠保證設(shè)計(jì)任務(wù)更加完善。用 AutoCAD2004 軟件畫(huà)出平面圖形。用 Solid Works 軟件進(jìn)行三維造型。五、進(jìn)度安排：畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度表第 5、 6 周：畢業(yè)實(shí)習(xí)第 7、 8 周：調(diào)查研究，收集、查閱資料、資料翻譯，擬定方案、開(kāi)題第 9、 10 周：對(duì) 3NB-1300 鉆井泥漿泵的液力端系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并繪制草圖第 11、12 周：詳細(xì)設(shè)計(jì)缸蓋總成，并繪制零件圖第 13、14 周：詳細(xì)設(shè)計(jì)凡爾總成、拉桿等機(jī)構(gòu)，并繪制零件圖。第 15、16 周：詳細(xì)設(shè)計(jì)活塞與缸套機(jī)構(gòu)，并繪制總裝配圖和零部件圖第 17、18 周：對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、第 19 周：畢業(yè)答辯六、指導(dǎo)教師意見(jiàn)：簽字： 年 月 日七、教研室（或開(kāi)題審查小組）意見(jiàn)：簽字： 年 月 日注：不夠可以加附頁(yè) 教務(wù)處制