两用式C型水龙头结构设计

摘要：水龙头是用以连接回转的主动钻杆和不回转的冲洗液高压胶管的工具。本文根据浅孔用普通水接头和中深及深孔用的水接头的主要结构进行优化设计，并进行了对C型水龙头的部件和密封装置强度校核；同时水龙头接扣紧、体积小、重量轻、使用维护方便。根据用户的使用后情况反映来看，该款水龙头是达到用户使用要求的。

关键词：水龙头；体积小；重量轻；设计

0引言

水龙头是用来联接主动钻杆和高压胶管的。在钻进中，由于主动钻杆是回转的，而高压胶管是不回转的。所以它的组成应是不转动部件与转动部件。而且高压的泥浆冲洗液将从它的内部通孔作通道由高压胶管流入主动钻杆中。因此它的转动部件和不转动部件之间，应具有可靠的密封件型。按照适用孔深的不同，可分为浅孔用水龙头和深孔水龙头（提引用接头）两大类。

100米我公司有三十多年生产钻机的历史，已经形成从100到2000米系列机型，其机型曾荣获省、部优产品称号，并以其优越的结构和性能被中国科学院南极考察队选用，成功实现了世界首次在南极洲进行深层钻孔取样。100、200、300米该三种机型均通过煤安标志现场审核样机检测，获得煤安标志证书，准许进入煤矿行业使用。经过多年不断改进，钻机产品质量逐步提高，产品具备一定美誉度，在小型钻机市场上占有一席之地

近年来，由于国家政策的影响，1000米以上机型的钻机市场容量有突飞猛进的增长趋势。一是近年来国家对加强地质工作提出了新要求，全国地质工作会议在北京召开，国务指出要以石油、天然气、页岩气等重要矿产勘查为突破口，尽快形成一批新的资源接替基地。地质勘查与开发工作的加强为深孔钻机（千米以上钻机）提供了广阔的市场空间。二是近几年煤矿安全事故频频发生，国家花大力气整顿煤矿市场，关停了部分小型煤矿，我国是用煤大国，因此探寻新的煤矿资源成为当务之急，煤矿勘探任务的加大也为深孔钻机的发展提供了市场契机。

市场钻机的需求的增加和钻孔孔深加大，同时也是对钻机配套的钻具也是提取的考验。我公司经充分市场调研和论证，决定投入开发新型C型水龙头，不仅可拓宽公司水龙头系列，同时，C型水龙头的研制也将为钻具系列的持续发展提供更扎实的技术基础，从而增强自身竞争力。C型水龙头的推出，是公司现有的65水龙头研发成功的一种延续，是公司产品系列化完善的标志，它的成功推出，极大地增强我们公司钻具市场的竞争力，为公司提高钻具的市场占有量打下坚实的基础。

1 C型水龙头的设计方案的主要技术参数

1.1设计方案

C型水龙头的整体设计思路是：参照公司现有的65水龙头的结构，并在此基础上进一步完善其合理性；保证C型水龙头单动回转性能和高压密封性能；C型水龙头接扣紧、体积小、重量轻、使用维护方便。其原理是利用推力轴承实现单动回转性能，配合角接触球轴承保证同轴度，保持与立轴钻具平行一致，便于孔钻进，同时内配有多组水密封件，保证和保持泥浆的密封和钻孔的压力。借鉴了国外水龙头的结构，并在此基础上进一步改善其合理性；保证水龙头结构紧凑、轻便。

1.2 C型水龙头的主要技术参数

C型水龙头主要技术参数参考API Spec 8A《钻井和采油提升设备规范》和《岩心钻探设备及设计原理》对水龙头的设计和制造明确的规定，参数基本一致。C型水龙头主要技术参数如表1：

2 C型水龙头的结构组成

图1为C型水龙头的结构图。C型水龙头主要是由本体、转动部分、密封部分等部分要所组成。

（1）本体结构：由外壳、下盖、接头部分等零件组成。以外壳（图2为C水龙头外壳结构）为主体，外壳和下盖结构用铸钢SCT-C01-TYT材料，能承受较大的动态和静态的负载。同时外壳上有润滑油嘴孔，可用油枪注入黄油，以便于维护和保养，因此水龙头的使用寿命可以延长。下盖内的环形平台用来安装推力轴承51211和角接触球轴承52102RS配合，实现水龙头单动回转性能，并保证同轴度保持与立轴钻具平行一致，便于孔内钻进，同时本体上带有提环，适用于较深孔的减压钻机。正常钻机工作时候，要求本体不转动。接头是用来连接高压胶管接头。

（2）转动结构：由芯管、推力轴承、角接触球轴承、主轴连接管等零件组成。芯管较短且可拆性好，易于更换，因而使用寿命较长。主轴连接管与主动钻杆连接，承受全部钻具重量，减压钻进时载荷通过主轴传给本体，再经本体上的提环将载荷传给吊钩。并且主轴连接管上配合推力轴承51211和角接触球轴承52102RS保证与主动钻杆同轴度和轴向移动，保持与立轴钻具平行一致，便于孔钻进。角接触球轴承52102RS安装在主轴连接管上边，这样在工作中起到很好的扶正效果，主轴连接管摆动小，钻进中稳定。推力轴承51211安装在主轴连接管下边与下盖过盈装配，工作中灵活可靠，负载力强。主轴连接管下部为反扣，配合接手以确保旋转时主轴连接管与主动钻杆不松动。

（3）密封结构：由耐油橡胶密封圈组、密封环、压缩弹簧等零件组成。耐油橡胶密封圈组是由3组橡胶密封圈组成见图（图3耐油橡胶密封圈组外形图），并且每组又由一个橡胶密封圈和一个支承铜垫组成见图（图4耐油橡胶密封圈组结构图），支承铜垫能够很好的防止橡胶密封圈用久而变形失去密封效果。耐油橡胶密封圈组主要的作用是防止泥浆等赃物流入本体内部，并且防止内部润滑油溢出，使轴承失效和降低轴承使用寿命；同时密封组件是不转动结构与转动结构的过渡，它的高密封性的作用是保持稳定孔内泥浆压力，保持稳定的钻进。耐油橡胶密封圈组上装有压缩弹簧，如密封环磨损后，压缩弹簧可自动增加压力，以保障其密封性不受影响。

3 C型水龙头安全系数的设计计算

水龙头安全系数设计计算主要对屈服强度安全因数的计算。而影响安全安全因数的计算有：一是设备所使用材料的应力集中效应和材料的疲劳极限；二是设备的极限值（动态和静态的组合最大载荷值）。极限值越大的时候，则安全因数将变小。同时当安全因数满足已确定的设计安全因数时，可以只对最大静态载荷的计算，不用对材料的疲劳前度的计算。

根据《岩心钻探设备及设计原理》对水龙头的屈服强度设计安全因数的规定，屈服强度设计安全因数SFD的计算公式为：

式中R—载荷额定值，Short Ton。进行试算，屈服强度设计安全因数SFD =2.4

4 C型水龙头的结构特点

水龙头是用以联接回转的钻杆柱和不回转的冲洗液高压胶管的工具。因此其特点是由两组相对转动的部件所结构的。同时因高压冲洗液要通过这两组相对转动的部件中心。所以在此两种部件的接合部件必须有可靠的密封装置。市场上在使用中，分为浅孔用普通水接头和中深及深孔用的提引接头两类。

C型水龙头是同钻具内输送高压冲洗井各类孔深的重要工具，具有单动回转性能和高压密封性能，一头连接钻杆柱，一头通过高压胶管连接泥浆泵。转动结构中推力轴承51211和角接触球轴承52102RS都安装在主轴连接管上，两轴承采用隔距装配，角接触球轴承52102RS在工作起到较好的扶正效果，钻杆柱摆动小，工作稳定性好，孔内事故发生率低。推力轴承51211在工作起到降低钻杆柱的跳动，轴向负载力强，使用寿命长。轴承安装方式有利于孔内高压冲洗液压力的稳定性，降低钻杆柱摆动，减少套管的磨损，提高钻具的使用寿命长。

C型水龙头采用耐油橡胶密封圈组和强力压缩弹簧结构，可以防止密封环磨损后，压缩弹簧可自动增加压力，以保障其密封性不受影响，密封结构有利于泥浆泵压力的稳定性。密封圈组是由3组橡胶密封圈组成，在每个橡胶密封圈加装有一个支承铜垫，在高转速工作时，高温度环境保持橡胶密封圈不会变形，保障密封性；支承铜垫还能够很好的防止橡胶密封圈老化而变形失去密封效果；同时能提高橡胶密封圈使用寿命，减少维修。芯管和耐油橡胶密封圈组是易损件，C型水龙头的芯管与主轴连接管采用的螺纹连接方式，容易拆卸维护。

C型水龙头主要特点：接扣紧、体积小、重量轻、使用维护方便；通用、应用范围广泛，在特定区域应用效果好。

5 C型水龙头的应用状况与可行性

C型水龙头是钻机配套的钻具，同时也在是施工起着重要作用：一是保持泥浆的密封和钻孔的压力；二是同钻具内输送高压冲洗井。近来，客户使用C型水龙头时，操纵方便，装卸容易，使用寿命长，钻具管道内压力平稳，对施工效率提高很大，孔内事故发生率和钻孔报废率明显下降。

6 总结

当前随着经济发展，资源与环境越来越受到政府和民众的关注，人类在设法节能降耗。地质岩心钻探施工技术也在面对节能降耗、减排高效的挑战。我们设计的C型水龙头在国内市场是一种全新的突破，它具有高效，实用，通用、轻便简单的特点，这将大大提高我国地质岩心钻探技术水平，并将产生巨大的综合效益。通过此次技术开发，目前从客户使用的反映情况来看，完全达到客户要求，得到了市场的认可。

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