0 引 言

水龙头是钻机重要的组成部分，水龙头工作时，与钻机的游车大钩保持相对静止，同时能够带动钻杆旋转，是钻井起升、循环和旋转3大系统的交汇处，在钻井过程中起重要作用^{[1, 2]}。水龙头的工作性能与整套钻机的使用状况直接相关，其直接或间接影响着钻机钻进过程中的安全性能、井眼的光滑程度、钻井速度以及钻井成本等，因此水龙头的使用寿命与使用过程中的安全性一直都是钻井设备设计研究中普遍重视的问题。

针对水龙头的安全性，国内外众多学者对水龙头的各个部件进行了分析研究。黄勇等^[3]对反循环钻进中的水龙头弯管进行了数值模拟；陈海林^[4]、蒋波^[5]和薛明晋^[6]等对水龙头的提环进行了有限元分析；刘扬松^[7]则推导了转盘和水龙头主轴承受寿命估算的新公式。笔者将针对现场使用的SL120型水龙头，利用Solidworks三维实体建立水龙头主要部件整体的实体模型，然后将整个实体模型导入ANSYS的Workbench模块，在装配体下对水龙头的主要承载件进行分析。利用ANSYS有限元法分析了SL120水龙头在一定的工况下，水龙头提环、提环销、壳体和中心管装配体的各个零件的交变应力，结合试验获得各部件材料的S-N曲线，利用差分获得各零件的最小循环次数，并将所得的循环次数与预期的最大循环次数对比，从而验证水龙头的安全性。

SL120型水龙头的结构示意图如图 1所示。SL120型水龙头主要由旋转部分、固定部分、密封部分和连接部分构成。旋转部分主要由中心管、接头和轴承等组成，钻具组合的所有重力由中心管承受，经轴承传递给水龙头的壳体，再经水龙头的提环销和提环将所承受的载荷最终传递给大钩。固定部分主要由壳体、提环销、提环和外部盖板等构成，壳体与提环之间采用销轴固定。密封部分由各种密封圈、封水圈和冲管总成等组成^[8]。

1—提环；2—提环销；3—轴承；4—鹅颈管；5—冲管；6—壳体；7—接头总成；8—中心管。 图 1 SL120型水龙头结构示意图 Fig. 1 Structural schematic of SL120 swivel

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由于SL120型水龙头主要的承载件包括提环、中心管、壳体和提环销等，其中提环、中心管和提环销所用材料为42CrMo，壳体选用材料为ZG230-450，因此在做分析时主要考虑上述承载件的材料属性，通过查找各承载件的属性，得到提环、中心管和提环销的抗拉强度为1 080 MPa，屈服强度为930 MPa；壳体的抗拉强度为450 MPa，屈服强度为230 MPa，分析时所有材料的弹性模量设置为202 GPa，泊松比为0.3。

质量：551 kg；

工作载荷：800 kN；

冲管内径：54 mm；

最大耐压：35 MPa；

最高转速：200 r/min；

最大静载荷：1 200 kN。

针对SL120型水龙头的工作状况，疲劳分析中的循环次数按照钻井机械20 a服役年限计算，同时根据提升设备载荷循环次数在疲劳分析中的取值规定^[9]的要求，提升设备服役期中应力循环总数N_的计算式为：

式中：T为钻机服役年数，T=20 a；X为钻机每年钻井数；N_max为平均每口井立根总数；λ为每个立根应力循环次数，对于提升设备，λ≈2(起钻、下钻各1次)。

最终计算选择SL120水龙头预期最小循环次数(最大)N_f=3.3×10⁵。

疲劳强度分析计算所用材料S-N曲线通过疲劳测试试验获得，相关参考数据按照ASME锅炉及压力容器规范VIII中表KD-320.1M(抗拉强度1 080 MPa)列值选取^[10]，试验过程中选取的水龙头的最小循环次数大于预期的循环次数，在测试水龙头材料的疲劳特性中，试验试件按照材料力学疲劳试验样品标准制作，根据水龙头的受力情况，施加的载荷形式为正弦载荷，平均应力和应力幅按照试验规范所给值施加，并结合水龙头的工作状况在一定范围内改变平均应力和应力幅进行多次试验，设定的循环次数为10⁶次(＞3.3×10⁵)。根据20余次反复试验，最终获得SL120型水龙头主承载件材料42CrMo的S-N曲线，如图 2所示。表 1所示为图 2对应的S-N表列值。

图 2 SL120水龙头主承载件疲劳寿命的S-N曲线(42CrMo) Fig. 2 The fatigue life S-N curve (42CrMo) of the main load bearing component of the SL120 swivel

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为了计算分析更加符合实际工况，将SL120型水龙头主要承载件在装配体下进行有限元分析，采用Solidworks进行SL120型水龙头主要结构的三维实体建模，导入ANSYS的有限元模型，如图 3所示。分析模型选用实体单元Solid186、Solid187，接触单元为Conta174、Targe170。网格划分后，单元数为165 868，划分节点数为297 581。

图 3 装配体有限元模型 Fig. 3 Finite element model of the assembly

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结合SL120型水龙头的实际工况，约束连接中心管下部端面所有自由度，在提环上部与大钩接触面上施加载荷F=471.8 kN，如图 4所示。

图 4 装配体的约束与载荷 Fig. 4 Constraint and loads of the assembly

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通过ANSYS分析后，SL120型水龙头主承载件的交变应力如图 5~图 8所示。

图 5 提环交变应力图 Fig. 5 The alternating stress of the swivel bail

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图 6 提环销交变应力图 Fig. 6 The alternating stress of the swivel bail pin

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图 7 壳体交变应力命图 Fig. 7 The alternating stress of the swivel bail shell

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图 8 中心管交变应力图 Fig. 8 The alternating stress of the swivel bail central tube

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由图 5可以看出，在提环U形底部的内侧处出现最大应力，最大应力的值为294.80 MPa，结合提环材料的S-N曲线，计算得到的最小循环次数为1×10⁷。

由图 6可以看出，在提环销与提环接触的外侧处出现最大应力，最大应力的值为138.41 MPa，提环销与提环配合的外侧很可能出现磨损。结合提环销材料的S-N曲线，计算得到的最小循环次数为1×10⁷。

由图 7可以看出，壳体轴孔处出现最大应力的值为99.41 MPa，结合壳体材料的S-N曲线，最小循环次数为1×10⁷。

由图 8得到中心管最大应力的值为54.77 MPa，结合中心管材料的S-N曲线，其寿命值大于1×10⁷。

根据《提升设备载荷循环次数的分析》选定钻机预期的载荷循环次数和当量载荷，针对SL120型水龙头主要承载件进行疲劳分析，分析结果如表 2所示。

由上述分析可知，SL120型水龙头提环、提环销、壳体和中心管的最小疲劳循环次数N_min=1×10⁷>N_f=3.3×10⁵，这说明SL120型水龙头主承载件的疲劳寿命满足设计要求。

(1)在分析SL120型水龙头主要结构和材料的基础上，利用Solidworks软件建立了水龙头主要结构的三维模型，结合水龙头的工况，采用ANSYS计算了水龙头提环、提环销、壳体和中心管等各个零件的交变应力。

(2)通过电液伺服万能试验机得出了SL120型水龙头主要构件材料42CrMo的S-N曲线，结合ANSYS计算的结果得到水龙头各零件的疲劳寿命为1×10⁷次。研究结果为水龙头的结构优化和材料的优选提供了理论依据。