14a.下旋塞计算书XS105

牡丹江北方石油钻具有限责任公司

修订状态/版本：0/A BF/JW 14-2007

方钻杆下部旋塞阀 设计计算书

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2007年5月1日发布 2007年5月1日实施

XS105 方钻杆下部旋塞阀设计计算书

BF/JW14-2007 一、 概述：

方钻杆下部旋塞阀是循环系统中的手动控制阀，是防范井喷、井涌的有效工具之一。方钻杆旋塞阀分为方钻杆上部旋塞阀和方钻杆下部旋塞阀，方钻杆上部旋塞阀用于水龙头下端和方钻杆上端之间；方钻杆下部旋塞阀用于方钻杆下端和钻杆上端之间。方钻杆旋塞阀操作非常简单，只要用专用扳手按旋转指示要求转动90°即可实现开或关。 二、 设计依据：

方钻杆下部旋塞阀主要设计参数是按照API Spec7-1《旋转钻柱构件

规范》（第1版）的规定。 三、 基本参数：

1、 外径：选定υ105mm，与2-7/8″NC31 方钻杆相接； 2、 最小水眼孔径：υ40mm； 3、 上端母接头螺纹：NC31 (2-7/8IF) 4、 下端公接头螺纹：NC31 (2-7/8IF) 5、 工作压力：5000psi（35MPa) 四、结构设计：

方钻杆旋塞阀采用球阀这一密封方式，球阀与上、下阀座之间采用双向硬密封。球阀选用合金结构钢材料，经淬火后进行表面镀铬处理，阀座选用合金结构钢材料，经调质后进行表面镀镍处理，最大限度地防止泥浆的腐蚀和冲刷。该旋塞阀预紧力由压缩弹簧控制，球阀在密封受压时，由

卡环控制着轴向力，旋钮采用凸轮形式，旋转角由挡块控制，其最大旋转90°实现球阀的开或关。 五、强度计算：

根据设计具体尺寸进行如下强度校核。 1、 本体NC31螺纹抗拉屈服强度的校核：

本体材料采用：40CrMnMo σ由强度条件σ＝P/A≤σ

0.2

2

0.2≥758N/mm

式中：P—上提拉力 KN P = 1335.27K N（2-7/8″NC31 四方钻杆驱动部分抗拉屈服值）

A—危险截面的面积 mm2

σ—危险截面上的最大拉应力 N/mm2 σ

0.2—本体材料的抗拉屈服强度

危险截面A的确定与计算：

按照API RP 7G确定NC31螺纹在距公螺纹台肩面3/4″（19.05mm）处为危险截面， 其外径D危=D根 -

19.05

- 2hn 6

=86.131－3.175－2×3.09484 =76.766mm

式中：D危—危险截面直径

D根—NC31公螺纹大端大径 hn —牙型高度

其面积A1 =π（D危2－d2）/4 d：水孔直径 =π（76.7662－402）/4

=3371.729mm2

在母螺纹距台肩面3/8″（9.5mm）处为危险截面，

1052?(87.7?9.5?6)2其面积A2 =π =2834.533mm2

4

A2 ＜ A1 按A2 计算 σ=P/A2

σ= 1335270/2834.533 = 471N/mm2

由此可见σ＜σ

0.2

通过上面的计算校核，说明本体接头螺纹抗拉屈服强度足够。 2、旋钮剪切强度校核：

旋钮在壳体液压试验（试验压力值P=35 N/mm2）时，最大剪切力Qmax 受力面积为：S=πR2=π132=530.93mm2 剪切力：Qmax= P·S

= 35×530.93= 18582.55N 根据剪切强度条件：τ

max=Qmax / S J ≤［τJ］

［τJ］— 许用剪切应力

根据实验数据［τJ］= （0.6~0.8）［σ］ 材料选用40CrMnMo ： ［σ］= 483 N/mm2

［τJ］= 0.7×483 = 338 N/mm2 剪切面积：S J =πdJ·h

= π26×3.5 = 285.88 mm2 式中：dJ—剪切直径 h—剪切厚度 ττ

max =

18582.55 = 65 N/mm2 285.88max ＜［τJ］

由此可见剪切强度足够。

3、旋钮操作扭矩计算：

操作扭矩N = N球

N球= F1·K·L1 + F2·K·L2 N球—球阀与阀座旋转摩擦所产生扭矩 K — 摩擦系数 K=0.15 F1 — 上阀座力 F2 — 下阀座力

L1 — 球中心距上阀座受力点距离 L2 — 球中心距下阀座受力点距离 弹簧设计预紧力F = 4000N L1 = L2 = 20mm = 0.02m

N = N球 = 4000 × 0.15 ×0.02 × 2 = 24 N·m 4、本体压力试验变形校核：

根据厚壁圆筒的应力与位移理论计算变量：

URi=1E(K2?1)×［〔1-v〕k+〔1+v〕K2k］Pi 式中：U — 径向位移 Ri — 内半径 E —弹性模量 v—泊松比系数 k — r / Ri Ro— 外半径 r — 所求点半径

Ri = 37.5mm E=206GPa Ro= 52.5mm v=0.3 Pi=35MPa

K= Ro / Ri =

52.537.5 = 1.4 K = Ro / Ri Pi — 内压r = 37.5mm

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