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四川东瑞石油钻具有限公司 技术文件 修定次/版本： 0/A DR/JW-42 设 计 计 算 书 方钻杆下旋塞阀 2011年1月12日发布 2011年1 月12日实施 四川东瑞石油钻具有限公司发布 概述： 方钻杆下旋塞阀是钻井循环系统中的手动控制阀，是防止井喷、井涌的有效工具之一。方钻杆下旋塞阀分为方钻杆上部和下部旋塞阀，方钻杆上部旋塞阀用于水龙头和方钻杆上端之间，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便，只要用专用扳手按指示要求转动90°即可实现开或关。 主要设计参数: 方钻杆下旋塞主要设计参数是按照API Spec7-1《旋转钻柱构件规范》的规定 1. 方钻杆下旋塞外径: Φ161.9±0.8mm(63/8″±1/32″) 与5 1/4″方钻杆连接 2. 方钻杆下旋塞内径: Φ71.4＋1.6mm(213/16″＋1/16″) 3. 连接螺纹:NC50 4.正常工况条件下 压力 34.5MPa，静水压阀体试验压力68.9Mpa。钻柱密封件应承受外部压力，1.7 Mpa和最低高压13.8Mpa。承受上部和井下1.7 Mpa和最高工作压力。 2级阀。 5. 非金属密封件有效温度范围是-10℃~90℃。 6. 非气密封结构。 7. 非抗H2S内件。 8. 阀体的材料最小值应符合钻铤的材料要求。 9. 基本性能要求：在泥浆中反复使用、关闭后能切断钻柱内的泥浆流动、在设计的温度范围和拉伸载荷下能密封。 10. 连接螺纹采用旋转台肩式螺纹连接，并磷化处理。 11. 热处理后机械性能: 抗拉强度 σbMPa 屈服强度 σ0.2MPa 延伸率 % 夏比冲击功 AKV 调质硬度 HB ≥965 ≥785 ≥13 ≥42J(-20℃) 285-341 本体螺纹抗扭屈服 77.6 kN·m 本体螺纹屈服强度 6320 kN 最大上提拉力 4500KN 三、结构设计 方钻杆旋塞阀是采用球阀密封，球阀与上、下阀座之间采用双向金属接触密封。球阀与上、下阀座材料选用合金结构钢调质处理，球阀外表面镀铬处理，上、下阀座外表面镀镍处理；最大限度地防止钻井泥浆的腐蚀和冲刷。旋塞阀的密封面预紧力由压缩弹簧控制，球阀在密封状态下承受压力，由上拼合环承载所有轴向力。旋钮设计采用凸轮形式，旋转角由下拼合环控制，其最大旋转角为90°，实现球阀的开和关。 四、强度计算 根据主要设计参数进行如下强度校核： 本体NC50螺纹抗拉强度的校核： 本体材料采用：40CrMnMo б0.2=785 MPa 由强度条件 б=P/A≤б0.2 式中：P — 抗拉屈服强度 A — 危险截面的面积 Б — 危险截面上的最大拉应力 б0.2— 本体材料的屈服强度 危险截面面积A的确定与计算 参照API RP7G确定NC50外螺纹在距螺纹圆柱根部3/4″（19.05mm）处为危险截面，且5 1/4″方钻杆螺纹抗拉屈服强度值为6320KN。 其外径 D危＝D根－19.05/6－2hn ＝133.35－3.175－2×3.09484 ＝123.985 式中：D危— 危险截面直径 mm D根— NC50外螺纹大端大径 mm hn — 牙型高度 危险截面面积A＝π（D危2－d2）/4 ＝π（123.9852－71.42）/4 ＝8070.4 即： б=P/A =6320000/8070.4 =725.82 MPa 由此可见б≤б0.2 通过计算校核，证明本体接头螺纹抗拉屈服强度足够。 本体抗拉强度的校核： 产品设计本体内径最小壁厚处直径为120mm，即最小壁厚处截面积为9272.11mm2 б=P/A =4500000/9272.11 =485.33 MPa 由此可见б≤［б］ 通过计算校核，说明本体抗拉强度足够。 3、上拼合环剪切强度校核： 最大剪切力的确定：根据设计规范最大工作压力P=10000Psi （68.9MPa） 受力面积：S=πD2/4 =π×1102/4 =9498.5 mm2 剪切力：Q=PS =68.9×9498.5 =654446.65 N 剪切面积：SJ =πdJ H =π×110×22 =7598.8 mm2 式中： dJ—剪切直径 H—剪切面厚度 根据剪切强度条件：τmax=Q/SJ≤［τ］许用剪切应力 材料选用45钢 查表得：［τ］=128