石油壓裂活動(dòng)彎頭設(shè)計(jì)計(jì)算書

1、 編號(hào)：3103.5Mpa 活動(dòng)彎頭設(shè)計(jì)計(jì)算書1.0 概述我公司已經(jīng)形成節(jié)流及壓井系統(tǒng)元件批量生產(chǎn)的能力，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶需要，降低生產(chǎn)成本，特分別對(duì)各類整體接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。以下對(duì)3103.5Mpa 旋轉(zhuǎn)活動(dòng)彎頭各主要尺寸進(jìn)行計(jì)算校核。2.0活動(dòng)彎頭受內(nèi)壓時(shí)危險(xiǎn)截面處的強(qiáng)度校核從活動(dòng)彎頭受內(nèi)壓時(shí)受力狀況分析，如圖1所示D1處彎頭體截面壁厚最薄，強(qiáng)度最低。我們以活動(dòng)彎頭工作狀況最差時(shí)來校核該處的強(qiáng)度，工作壓力為P=103.5MPa。下面，我們來校核各類活動(dòng)彎頭的危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度。在此時(shí)用42CrMo材料制成的彎頭體設(shè)計(jì)許用應(yīng)力應(yīng)按API Spec 16c（第1版）第3節(jié)3.1.1 ASM

2、E方法確定：（即安全系數(shù)n1.5） 材料的機(jī)械性能按API Spec 16c（第1版）規(guī)范中75K級(jí)計(jì)算時(shí)，鋼材的最小屈服強(qiáng)度Sy517MPa；而42CrMo合金鋼管的力學(xué)性能Sy930MPa（鍛件用合金結(jié)構(gòu)鋼GB/T17107-1997），大于517MPa，取安全系數(shù)n1.5則額定工作壓力下設(shè)計(jì)應(yīng)力S=930/1.5=620MPa ;最大許用主薄膜應(yīng)力St=0.9Sy=558MPa（1）3活動(dòng)彎頭的強(qiáng)度校核：根據(jù)ASME第二冊(cè)2013版附錄5D中公式（5-D.14）=214.5MPa<St 其中：壓力P=103.5MPa，外徑=103.9mm，內(nèi)徑=63.5mm，壁厚t（）/220.2

3、mm （2）計(jì)算厚度t=9.7mm 實(shí)際壁厚為20.2mm，所以腐蝕裕量足夠，強(qiáng)度足夠。2.0 活動(dòng)彎頭承受拉伸力時(shí)應(yīng)力集中計(jì)算： 如圖1所示，當(dāng)活動(dòng)彎頭處于工作狀時(shí)，要受到一軸向拉伸力的作用，不可避免的要在臺(tái)肩面R處產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力集中引起的應(yīng)力大于材料屈服極限時(shí)，將引起R處局部屈服，產(chǎn)生裂紋，最后導(dǎo)致斷裂。因此，必須計(jì)算應(yīng)力集中對(duì)產(chǎn)品的影響。下面，計(jì)算以下當(dāng)前工作壓力P，用42CrMo材料制造的本體應(yīng)力集中的情況，材料的屈服極限Sy930MPa;當(dāng)P=103.5MPa時(shí),3活動(dòng)彎頭的應(yīng)力集中校核： H=( D2- D1)/2（116.28103.89）/26.195mm H/R=6.1

4、95/0.87.74，符合0.25 H/R20其中：D2=116.28mm，D1=103.89mm，R=0.8mm 而H/D2=0.10，根據(jù)圖4.14-34并用內(nèi)線性插值法求得應(yīng)力集中系數(shù)a=3.09所以在工作壓力P=103.5 Mpa時(shí)，R處于最大應(yīng)力值為max3.09X103.5324.45 Mpa安全系數(shù)n=s/max930/324.452.8由此可知，工作壓力103.5 Mpa下，不會(huì)因壓力集中而使產(chǎn)品破壞。3.0 高壓活動(dòng)彎頭螺紋強(qiáng)度校核：已知高壓活動(dòng)彎頭材料為42CrMo調(diào)質(zhì)處理硬度HRC2832，按ASTM規(guī)范的要求螺栓材料取最低屈服強(qiáng)度，根據(jù)ASME B31.3工藝管道302

5、.3.2設(shè)計(jì)應(yīng)力的基礎(chǔ)對(duì)螺栓材料設(shè)計(jì)應(yīng)力取值Sy=930MPa：螺栓材料取最低屈服強(qiáng)度：=2/3Sy=620MPa，許用拉伸應(yīng)力強(qiáng)度St=1/4Sy=232.5Mpa螺紋所受的載荷：1>.高壓活動(dòng)彎頭螺紋抗拉強(qiáng)度校核：33.93MPa<St2>高壓活動(dòng)彎頭螺紋剪切強(qiáng)度校核：340.13MPa<其中：Es:外螺紋的最小中經(jīng) Ks：外螺紋的最小內(nèi)徑Kn：內(nèi)螺紋最大內(nèi)徑結(jié)論：整體式高壓活動(dòng)彎頭螺紋強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。通過以上計(jì)算可知，103.5 Mpa活動(dòng)彎頭類產(chǎn)品設(shè)計(jì)是安全的，可靠的，也是成功的。參考文獻(xiàn)：機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社2004年8月出版；API Spec 16C節(jié)流和壓井系統(tǒng)規(guī)范石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所1993年1月29日翻譯出版；ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范