方钻杆旋塞阀的失效与受力分析_谢娟

方钻杆旋塞与顶驱考克比较研究作者：宋瑞宏陶加奇来源：《中国科技博览》2016年第09期[摘要]方钻杆旋塞和顶驱考克是钻机循环系统中的手动和自动控制阀，起到切断钻柱内部通道，实现高压密封防止井涌或井喷发生的作用。

本文针对方钻杆旋塞和顶驱考克二者结构特点和技术参数进行了详细分析和比较，对二者的区别从结构方面和工作便捷性方面进行总结归纳，便于钻井现场操作人员快速掌握方钻杆旋塞和顶驱考克的特点及区别。

[关键词]方钻杆旋塞顶驱考克结构特点二者区别中图分类号：TE923 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0176-01一、概述方钻杆旋塞是钻柱循环系统中的手动控制阀，起到切断钻柱内部通道，实现高压（35/70/105MPa）密封防止井涌或井喷发生的作用。

方钻杆旋塞阀分为方钻杆上旋塞阀和方钻杆下旋塞阀。

方钻杆上旋塞阀为左旋连接；方钻杆下旋塞阀为右旋连接。

方钻杆上旋塞阀接于水龙头下端与方钻杆上端之间。

方钻杆下旋塞阀接于方钻杆下端与钻杆保护接头的上端之间。

【1】顶驱考克是顶驱主机循环系统中的手动和自动控制阀，其压力等级和基本作用与方钻杆旋塞一致。

顶驱考克分为上、下考克，上下考克连接在一起，置于顶驱主轴和顶驱保护接头之间。

二、方钻杆旋塞结构介绍通过调研，国内绝大部分方钻杆旋塞采用如图1所示的结构。

主要由阀本体、上下阀座、旋钮、阀球、挡圈、弹簧等组成，旋塞阀本体采用整体式结构，侧面开有旋钮孔。

该结构有以下特点【2】：（1）核心机构采用常规球阀式结构，球阀与阀座之间采用金属密封，通过配合研磨实现球面啮合；（2）内球座安装波形弹簧，实现弹簧预紧力辅助密封。

最大0.5MPa背压下手动的带压打开，最大2MPa背压下遥控打开。

三、顶驱考克结构介绍顶驱考克是顶驱主循环承载系统内部的一个部件。

顶驱考克可实现钻具内快速（司钻操作旋钮后1-2s内完成）截止防喷，钳工手动截止防喷、接单跟防溅等功能。

国内顶驱考克主要有分体式和一体式两种结构类型。

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。

旋塞阀故障排除指南：快速诊断与修复技巧最近一个山东威海的我司合伙人牵线介绍的一个化工厂项目中，甲方着重提到了关于旋塞阀的问题，其实旋塞阀作为一种在化工行业广泛应用的阀门，其可靠性和稳定性对流程控制至关重要。

然而，任何机械设备都可能遇到故障，旋塞阀也不例外。

北高科阀门将在本文提供一份全面的故障排除指南，帮助快速诊断和修复旋塞阀的常见问题。

工作原理回顾旋塞阀通过旋转塞体来控制流体的流动。

塞体通常为圆柱形或锥形，其上设有通道，与阀体的通道对准时，流体可以流通；不对准时，则阻断流体流动。

这种阀门的设计使其具有快速启闭的特点，适用于需要频繁操作的场合。

常见故障及原因1. 密封面泄漏：- 密封副不密合，表面粗糙。

- 密封面中混入磨粒，擦伤密封面。

- 油封式油路堵塞或缺油。

- 自封式排泄孔被脏物堵死，失去自紧密封性能。

- 调整不当或调整部件松动损坏。

2. 阀杆旋转不灵：- 压盖压的过紧。

- 密封面压的过紧。

- 密封面擦伤，增加了操作力。

- 润滑条件变坏。

- 扳手位磨灭。

预防措施1. 提高制造质量：确保阀门在出厂前经过严格的质量控制和测试。

2. 定期检查和维护：定期对旋塞阀进行检查，特别是在恶劣的工作环境下，以预防故障的发生。

3. 正确的操作和维护：确保操作人员接受适当的培训，了解旋塞阀的正确操作方法和维护程序。

排除方法1. 密封面泄漏：- 停车卸压后，修理或更换阀门。

- 重新调整和紧固方法消除泄漏。

- 定期检查和沟通油路，按时加油。

- 采用冷冻法，改换密封法及其他方法修理、更换、改造阀门。

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加☆☆号北高科阀门2. 阀杆旋转不灵：- 适当松弛螺栓或螺盖，使其阀杆旋转灵活。

- 重新调整密封面的压紧力。

- 定期检修，油封式应定时加油。

- 填料装配时应涂上些石墨，油封式应定时定量加油。

- 调整扳手为正确位置，粘接、焊接牢固或用钳工方法修复。

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。

钻具失效分析及预防措施研究摘要：在钻井作业过程中，井下钻具的工作环境十分恶劣，要在高温高压环境下承受各种应变载荷和剧烈碰撞，同时要受到钻井液的冲刷和腐蚀。

当钻具在井下出现刺漏、断裂等失效问题后，轻者需要起钻更换钻具，重者会因为钻具断裂导致停钻打捞落鱼，对钻井施工造成严重损失。

因此对钻具失效原因进行系统分析并给出应对策略，对降低井下事故发生概率、提高油气田开发效率具有重要意义。

关键词：钻具；失效；预防措施油气田勘探开发过程中钻具受力状态十分复杂，所以其失效形式也多种多样。

在钻井作业中，井身结构复杂，作业工序繁杂，钻柱在井下运动，除了自转还有公转，受力有静载荷也有动载荷，还有拉、压、弯、扭等力，又有司钻操作或打捞震击等复杂工艺引起的冲击力。

在井下运转过程中还受到腐蚀、磨损、温度及压力的影响。

钻具在存放过程中，受到潮湿气候的锈蚀等。

钻具失效几率高。

分析钻具的使用情况，失效形式有如下几种：疲劳失效、磨损失效、腐蚀疲劳失效。

一、钻具失效的主要原因钻具失效往往是由于多种原因共同作用造成。

据统计，钻铤和钻杆是最易发生失效的部位，因钻具自身质量问题造成的失效比例是12.8%，因现场使用不当造成的失效比例为32.2%；因井下工作环境造成的失效比例是52%；由于运输、保存原因造成的失效比例是3%。

1、钻具自身材质因素。

对钻具失效的统计分析表明，生产过程中使用的原料材质品质较差、生产工艺不达标和产品尺寸偏差大，是导致钻具失效的主要原因，主要表现在：①钻杆加厚部位的结构存在问题；②钻杆、钻铤等钻具间的转换接头质量差；③螺纹加工标准低，在应力集中作用下发生问题，导致应力损伤；④钻柱强度不达标。

2、环境因素。

造成钻柱失效的最主要的环境因素是钻井液腐蚀，钻井液的含砂量、pH 值、润滑性、流态、温度等均对钻柱失效有着直接或间接的影响。

钻井液对钻柱的腐蚀性排序为：充气盐水钻井液>盐水钻井液、低pH钻井液>高pH钻井液>油基钻井液。

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。

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
【相关文献】
1.方钻杆上部旋塞阀失效分析及其改进建议
2.方钻杆旋塞阀的失效与受力分析
3.方钻杆旋塞阀的失效分析
4.方钻杆旋塞阀的失效分析及改进
5.方钻杆旋塞阀转动失效的理论分析与仿真
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钻杆螺纹失效分析及改进措施分析发布时间：2023-03-22T05:48:11.895Z 来源：《工程管理前沿》2023年第1月1期作者：刘洪涛[导读] 简单介绍了钻杆的受力状态及其接头螺纹断裂失效的主要类型、表现形式，基于有限单元分析方法分析了螺纹强度水平，创建了钻杆接头模型，解读造成螺纹失效的常见因素，探讨有效改进钻杆设施结构的技术方法。

刘洪涛中石化胜利石油工程有限公司管具技术服务中心山东东营 257100摘要：简单介绍了钻杆的受力状态及其接头螺纹断裂失效的主要类型、表现形式，基于有限单元分析方法分析了螺纹强度水平，创建了钻杆接头模型，解读造成螺纹失效的常见因素，探讨有效改进钻杆设施结构的技术方法。

结合实践情况，规范应用以上改进措施后显著增加了钻杆的使用周期，降低局部断裂事件发生的风险，帮助使用单位节省成本，提升项目施工质量，进而创造出更多的经济收益。

关键词：钻杆接头；螺纹失效；有限元分析；结构改造引言能源资源是经济建设与发展的物质基础，近些年社会各个行业运营发展中对能源的需求量不断增加，能源的开采力度也日益增大，国家相关部门对该项活动的执行情况给予高度重视。

天井钻机历经数十年的发展后，自身已经成为一种技术十分成熟的设备类型，多各类复杂地质环境表现出较强的适应能力，能一次成型建造出各类型天、斜井，但和发达国家同类设备相比较国内转机设备的技术发展水平还是体现出一定滞后性，主要是因为产品设计理念及手段落后，并且钻机自身可靠性还有很大提升空间[1]。

1.1受力状态现场钻进施工时，基于螺纹联接形式使钻杆成为细长的管柱，钻杆自身的受力变形主要由如下两部分构成[2]：其一是已经钻出的钻孔样态使钻杆局部出现弯曲变形；二是钻杆现场钻进期间出现了组合变形问题，造成钻头处生成较大的钻，钻杆变形直接影响着钻压大小，这属于几何非线性动力范围内的问题；另外在多种荷载的作用下，钻孔对杆的变形程度产生了较大的约束力，和孔壁在某一深度部位、孔壁圆周方向上相互触及，可以将其归结成接触非线性动力学问题。

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）。

旋塞阀常见故障及处理方法《旋塞阀常见故障及处理方法》嘿，朋友！今天我来跟你唠唠旋塞阀那些事儿。

你要是在工作或者生活里遇到旋塞阀出故障了，别慌，我这儿有独家秘籍呢！一、旋塞阀转不动的故障及处理方法咱先说说旋塞阀转不动这个糟心的事儿。

这就好比你想拧开一个特别紧的瓶盖，可怎么使劲儿都不行。

1. 原因一：可能是有杂质进入了旋塞阀。

你想啊，就像沙子进了齿轮里，能不卡吗？这时候呢，我们得先把阀门两边的管道里的介质都排空，就像把瓶子里的水倒干净一样，这样才能进行下一步操作。

排空之后，我们要拆开旋塞阀。

这就像给生病的人做手术，得小心谨慎。

把阀门拆开后，仔细清理里面的杂质，那些杂质可能就像小捣蛋鬼一样，藏在各个角落。

用干净的布或者小刷子把它们都清扫出来，然后再把阀门原样装回去。

2. 原因二：还有一种可能是密封油脂干了或者变质了。

这就好比你擦脸的面霜过期了，擦在脸上不仅不舒服，还可能让脸更难受。

这时候，我们要注入新的密封油脂。

但是注入的时候可不能像倒水一样乱来，要慢慢注入，直到看到有新的油脂从阀门的缝隙里渗出来一点，就像给干涸的土地浇水，看到水渗透出来就知道够量了。

二、旋塞阀泄漏的故障及处理方法旋塞阀泄漏这个事儿也挺让人头疼的，就像水桶破了个洞一直在漏水一样。

1. 原因一：密封面磨损了。

这就像是你鞋底磨破了，自然就不防水了。

如果是轻微磨损，我们可以尝试调整旋塞的位置。

就像调整鞋子里的鞋垫一样，看看能不能让密封效果变好。

要是磨损比较严重呢，那只能更换密封面了。

这就像鞋子破得太厉害，只能换双新的鞋底了。

在更换密封面的时候，一定要选择合适的型号和材质，就像你买鞋得买适合自己脚的尺码一样。

2. 原因二：阀门没有关紧。

有时候我们可能就像粗心的马大哈，以为关紧了，其实还留了个小缝。

这时候只要重新把阀门关紧就好了。

但是关的时候要用合适的力量，不能太猛，就像关门一样，太用力可能会把门框弄坏，太轻了又关不上。

三、旋塞阀开启或关闭困难的故障及处理方法这个故障感觉就像你在推开一扇很重的门，怎么推都推不动或者关不上。

【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）。