基于API Spec 8C標準的設計及質量控制分析

馮琦

摘 要：貫徹執(zhí)行API Spec 8C標準，有利于提高鉆井和采油提升設備的產品質量和可靠性，特別是低溫環(huán)境和極地環(huán)境用鉆機的適應性。對提升我國石油鉆采裝備的質量水平有著十分積極的意義。

關鍵詞：API 8C標準 設計準則 質量控制 理解 認識

中圖分類號：F273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0085-01

API Spec 8C—2003第4版標準[1]是ISO13535：2002的修訂本，與API Spec 8A標準比較，其技術要求更具體，明確了設計、制造、試驗和質量控制要求。

1 設計準則

1.1 設計條件

（1）設備的操作人員應負責確定任一提升作業(yè)的安全工作載荷。這一條件是給用戶的操作者提出的要求。安全工作載荷（Safe Working Load）的定義：設計載荷減去動載荷。

（2）設計與最低操作溫度為-20 ℃。

（3）當最低操作溫度低于-20 ℃時，可按API Spec 8C標準的附錄A中A.3條確定主承載件材料的低溫試驗要求。

1.2 強度分析

API Spec 8C標準在“強度分析”中指出，設備的設計分析應提出超過屈服、疲勞或彎曲的可能發(fā)生失效的形式。強度分析一般以彈性理論為依據。然而，適當情況下可以采用極限強度（塑性）分析。有限元分析可以和分析方法一起使用。所有影響設計的力均應予以考慮。對于所考慮的每一個截面，應采用力的作用位置與方向的最不利的組合方式。

API Spec 8C標準中給出的最大允許應力為

（1）

式中：ASmax為零件某橫截面中的平均應力的最大允許應力；YSmin為規(guī)定的最小屈服強度；SFD為設計安全系數，與載荷額定值有關，在2.25～3.00之間變化，可以從API Spec 8C標準中查找公式計算出正確數值。

式（1）給出的最大允許應力沒有考慮到象彎曲應力、應力集中等應力影響。因此，在按照API Spec 8C標準進行強度分析時，還應當按照ASME Ⅷ第2冊[2]強制性附錄4進行應力分析。

2 材料要求

（1）對于規(guī)定最小屈服強度≥310 MPa的材料，在-20 ℃時平均沖擊韌性值（AKV）應取AKV≥42 J（3次試驗平均值），且其中沒有單個數值低于32 J。

（2）對于規(guī)定最小屈服強度<310 MPa的材料，在-20 ℃時平均沖擊韌性值應取AKV≥27 J（3次試驗平均值），且其中沒有單個數值低于20J。

（3）對于設計溫度低于-20 ℃的（例如在北極地區(qū)使用），應提出補充的沖擊韌性要求（見API Spec 8C標準附錄A.3，SR2）。在規(guī)定溫度（或更低）下的最低沖擊韌性值應取AKV≥27 J（3次試驗平均值），且其中沒有單個數值低于20 J。

（4）斷面收縮率≥25%。

（5）采用等效圓（ER）法確定用于某一零件合格試驗試樣的尺寸，具體規(guī)定見API Spec 8C標準6.4條。

3 質量控制

對于主承載件和承壓件，API Spec 8C標準對化學分析、抗拉試驗、沖擊試驗、可追溯性、目視檢測、無損檢測、試驗等方面做出了規(guī)定。本文主要對表面無損檢測、鑄件三維無損檢測、焊縫的無損檢測，見證載荷試驗作簡要介紹。

3.1 表面無損檢測

API Spec 8C標準8.4.7條規(guī)定，每個成品構件的所有可達到表面均應在最終熱處理后和最終機加工后按8.4.7要求進行檢驗。同時給出了檢驗方法、顯示的評定和驗收準則。

對于鑄件應在圖紙上規(guī)定“關鍵部件”，如果關鍵部位在圖紙上沒有標注的話，則該件的所有表面應視為都是關鍵的。關鍵部位應是該件中應力超過75%許用應力的所有部位。應采用ASTM E125作為評定鑄件磁粉檢測顯示的參考標準。API Spec 8C標準8.4.7.4.1條分別給出了PSL1級和PSL2級的驗收準則，并對關鍵部位和非關鍵部位提出了不同的要求。當構件中的應力是壓應力和/或應力低于10%許用應力時，應免除驗收準則的限制。因此，低應力部位應在圖紙中標出。

3.2 鑄件三維無損檢測

鑄件三維無損檢測的方法分為射線照相檢測和超聲波檢測。取樣方法見API Spec 8C標準8.4.8.2條。

驗收準則同上所述，鑄件分關鍵部位、非關鍵部位和低應力部位，不同部位有不同的要求。API Spec 8C標準8.4.8.3條分別給出了PSL1級和PSL2級的鑄件三維無損檢測的驗收準則。

3.3 焊縫無損檢測

制造焊縫的無損檢測包括：目視檢測、表面無損檢測及三維無損檢測。關于三維無損檢測，對于PSL1級僅適用于全焊透焊縫；對于PSL2級適用于所有焊縫。

返修焊縫的無損檢測包括：焊接坡口、鑄件的補焊焊縫、焊縫的返修。對于PSL2，如果返修厚度超過原壁厚的25%或25.4 mm（以較小者為準），則該返修應屬于大型返修，同樣應用射線照相法或超聲波法進行檢測。

3.4 見證載荷試驗

吊卡、吊環(huán)、卡盤（如果可用作吊卡時）、安全卡夾（如果可用作提升設備時）等設備的每臺產品均應進行見證載荷試驗。如果用戶在合同中要求進行見證載荷試驗，在上面沒有列出的設備也應進行見證載荷試驗。

見證載荷試驗的試驗載荷應等于1.5倍的額定載荷，且保持時間不得少于5 min。載荷試驗后的檢查應符合API Spec 8C標準8.6.2條的規(guī)定。

4 結論

（1）規(guī)定了產品規(guī)范等級PSL1和PSL2，確定主承載件和承壓件是設計者的責任。重點對主承載件和承壓件實施質量控制。

（2）設計與最低操作（環(huán)境）溫度為-20℃，并要求主承載件或承壓件的材料沖擊韌性AKV≥42 J。設計（環(huán)境）溫度低于-20℃時，AKV≥27 J。

（3）采用等效圓（ER）方法確定某一零件的合格試驗試樣（試棒）的尺寸。取樣部位在8C標準有明確規(guī)定。

（4）一般情況下，最大許用應力代表的是零件某截面中的平均應力的最大允許應力。在做API強度分析的同時，還應按ASME第Ⅷ卷第2冊的辦法進行應力分析。

（5）通過學習和貫徹執(zhí)行API Spec 8C標準，提高了提升設備的產品質量和可靠性，同時也加深了對API Spec 8C標準的理解和認識。對提升我國石油鉆采裝備的質量水平有積極意義。

參考文獻

[1] API Spec 8C—2003，鉆井和采油提升設備（PSL1和PSL2）[S].4版.

[2] API Spec 8A-1997，鉆井和采油提升設備[S].13版.