一種水龍頭旋轉(zhuǎn)加載試驗裝置的設(shè)計

南陽二機石油裝備（集團）有限公司 鄭惠玲 李 湛 張金全 彭 慷

一種水龍頭旋轉(zhuǎn)加載試驗裝置的設(shè)計

南陽二機石油裝備（集團）有限公司 鄭惠玲 李 湛 張金全 彭 慷

水龍頭是鉆采設(shè)備的關(guān)鍵部件，也是鉆機提升系統(tǒng)的主要受力部件，其主要功能是懸掛、旋轉(zhuǎn)、起升、下放鉆具，必須進行出廠試驗和見證載荷試驗。系列水龍頭的負荷范圍較大，且既有提升功能又有旋轉(zhuǎn)功能，一些部件還需要進行壓力試驗，這就要求試驗工裝具有復合試驗功能。本文，筆者提出的這一種水龍頭旋轉(zhuǎn)加載試驗裝置，在設(shè)計的同時考慮了對吊環(huán)、吊卡、游車大鉤和死繩固定器等鉆機提升系統(tǒng)的重要部件的試驗，實現(xiàn)了“一機多用”，取得了很好應(yīng)用效果。

一、試驗要求

1.試驗對象載荷要求。由于鉆機、修井機的系列化，水龍頭部件也有許多規(guī)格，要求的試驗載荷為1 450～5 400 kN。

2.試驗對象功能要求。由于水龍頭具有提升、承壓及旋轉(zhuǎn)功能，所以其旋轉(zhuǎn)加載裝置必須具備提升、壓力和旋轉(zhuǎn)試驗條件，并且，提升、壓力和旋轉(zhuǎn)試驗必須同時進行。

3.API標準要求。API（American Petroleum Institute)是美國石油協(xié)會的英文縮寫。由API制定與出版的標準在世界上個具有很大的影響，尤其是油田設(shè)備的標準已國際通用。API Spec 8A和API Spec 8C中所規(guī)定的鉆井和采油提升設(shè)備的標準和規(guī)范，對水龍頭的設(shè)計驗證試驗提出了明確規(guī)定。

（1）功能試驗。將試驗產(chǎn)品加載到設(shè)計載荷，在此載荷被解除后，檢查設(shè)備確定其設(shè)計功能及其零件均未因項加載而受到損害。

（2）設(shè)計驗證試驗。采用應(yīng)力應(yīng)變分析法，將應(yīng)變片貼到待試產(chǎn)品所有會產(chǎn)生高應(yīng)力的部位，對產(chǎn)品加載到設(shè)計驗證試驗載荷（設(shè)計驗證試驗載荷為0.8×R×SFd，但不得小于2R。R為額定載荷，SFd為設(shè)計安全系數(shù)），讀取應(yīng)變儀數(shù)值并觀察屈服情況，其應(yīng)力值不應(yīng)超過設(shè)計值。

（3）設(shè)計驗證試驗裝置。試驗裝置應(yīng)以與實際操作基本相同的方式和在載荷支撐表面上具有基本相同的接觸面積，對試驗產(chǎn)品進行加載。

二、水龍頭旋轉(zhuǎn)加載試驗裝置的結(jié)構(gòu)

1.支撐架體。水龍頭旋轉(zhuǎn)加載試驗裝置的支撐架體采用龍門框架結(jié)構(gòu)，由底座、立柱、懸掛橫梁組成。龍門式結(jié)構(gòu)承載能力大、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便。

2.加載系統(tǒng)。加載系統(tǒng)由電動液壓泵站、兩個雙作用千斤頂、控制閥、壓力表、管路組成。采用液壓加載方式，保證加載范圍廣，施力均勻、穩(wěn)定、易控制、可計量。壓力控制系統(tǒng)采用液壓控制原理，既精確、穩(wěn)定，又可實現(xiàn)遠程操作，使操作者避開危險區(qū)。

3.旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)采用自制液壓站、控制閥、液壓馬達輸出扭矩實現(xiàn)水龍頭的旋轉(zhuǎn)試驗。

4.試壓系統(tǒng)。試壓系統(tǒng)由智能觸摸試驗裝置、壓力自控器、液控閥等組成。其中，水壓試驗壓力可以設(shè)定，并自動處理、儲存、記錄；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由電腦操作，包括狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出等。

水龍頭旋轉(zhuǎn)加載試驗裝置如圖1所示，旋轉(zhuǎn)試驗液壓系統(tǒng)如圖2所示。

三、工作原理

1.載荷試驗原理。根據(jù)試驗要求，在試驗對象的規(guī)定部位粘貼應(yīng)變片。選擇合適的銷軸和插接件，將受試部件裝入試驗臺框架內(nèi)，連接好應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集器之間的信號線。操作液壓系統(tǒng)控制閥，使系統(tǒng)壓力回零，按下電源開關(guān)，給液壓站供電。操作調(diào)壓閥，給液壓千斤頂供油，通過改變液壓系統(tǒng)的壓力，使液壓缸產(chǎn)生不同的推力，從而對試驗對象施加不同的試驗載荷。同時，通過電腦屏幕觀察壓力曲線，記錄試驗數(shù)據(jù)，輸出試驗結(jié)果。

2.旋轉(zhuǎn)試驗原理。將水龍頭懸掛在以球體座支承的橫梁上，水龍頭的中心管與過渡接頭、聯(lián)接座聯(lián)接，水龍頭的提環(huán)與試驗裝置的底座聯(lián)接，將液壓馬達用專用聯(lián)接座與水龍頭的支架聯(lián)接。調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力，啟動液壓馬達，帶動水龍頭旋轉(zhuǎn)，通過改變液壓系統(tǒng)的流量，獲得所需的幾種不同的試驗轉(zhuǎn)速，同時使所加載荷符合試驗要求。通過測速儀、溫度傳感器、噪聲傳感器，測量實際運行狀況，輸入電腦分析，輸出結(jié)果、保存記錄。

3.測量系統(tǒng)原理。電氣部分采用微機狀態(tài)下手動和自動控制。電氣的控制和處理系統(tǒng)均裝在微機的主機內(nèi)，試驗力測量數(shù)據(jù)、位移測量數(shù)據(jù)、應(yīng)變測量數(shù)據(jù)及曲線等，均顯示在微機的屏幕上，并全部存儲、打印試驗報告。

4.壓力試驗原理。采用專用智能觸摸試驗機進行壓力試驗。試驗機采用柱塞泵加壓，壓力數(shù)值由傳感器傳遞，壓力與時間的變化曲線在屏幕上顯示，并全部存儲記錄下來。

四、主要技術(shù)參數(shù)

1.試驗裝置外形尺寸。即40 000 mm（長）×1 600 mm（寬）×3 700 mm（高）。

2.允許試驗對象外形尺寸。即1 200 mm（長）×1 090 mm（寬）×3 000 mm（高）。

3.最大拉試驗力。試驗裝置最大拉試驗力為6400 kN，試驗力為4%～100%，試驗力測量精度為±1%。

4.旋轉(zhuǎn)加載。旋轉(zhuǎn)加載為1800 N.m，旋轉(zhuǎn)負荷為500 kN，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍為0～400 r/min。

5.試壓系統(tǒng)。液壓站采用低壓大流量和高壓小流量組成的雙聯(lián)水泵340 L/min和15 L/min，最大額定壓力為100 MPa，總功率為5.5 kW。

五、技術(shù)關(guān)鍵

1.不同型號的水龍頭試驗載荷相差很大，設(shè)計采用液壓系統(tǒng)加載，利用壓力變化實現(xiàn)試驗載荷的變化。

2.不同型號的水龍頭尺寸差異很大，但要求在一個試驗裝置上能夠滿足不同尺寸試驗對象的試驗要求。因此，加載裝置采用2個320 t的液壓千斤頂，利用液壓千斤頂自身的行程及配備的調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)對不同噸位、不同規(guī)格、不同尺寸水龍頭部件的加載。

3.為保證施力均衡且受力在同一條直線上，將2個千斤頂?shù)纳隙伺c承載梁設(shè)計為浮動支點，使所加載荷穩(wěn)定、準確。

4.考慮旋轉(zhuǎn)試驗對速度的不同要求，調(diào)節(jié)液壓馬達的流量實現(xiàn)無級調(diào)速。

六、現(xiàn)場應(yīng)用情況

該試驗裝置可進行各項試驗，如水龍頭的出廠試驗和見證載荷試驗，游車大鉤的出廠試驗和見證載荷試驗，吊環(huán)、吊卡的出廠試驗和形式試驗，以及死繩固定器的出廠試驗和形式試驗等。其最大試驗載荷為5 515 kN，能夠滿足水龍頭、游車大鉤等提升系統(tǒng)的試驗要求。

七、應(yīng)用效果

水龍頭旋轉(zhuǎn)加載裝置不僅可以對系列水龍頭進行試驗測試，還能夠?qū)G180游車大鉤、YG225游車大鉤、DH250吊環(huán)、JZG18A－00死繩固定器、JZG20－00及JZG24－00（立式）死繩固定器、CD135吊卡等提升系統(tǒng)的產(chǎn)品進行型式試驗、出廠試驗、試驗證明，該裝置設(shè)計合理、自動化程度高、應(yīng)用范圍廣、試驗效率高和安全可靠。