繃?yán)K松緊度對修井機(jī)井架承載力的影響分析

張 浩，譚曉林，冷傳基，趙金剛，張 坤

中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心 （山東 東營 257061）

車載修井機(jī)井架一般由兩節(jié)組成，在不工作時(shí)靠在底盤車上，需要工作時(shí)，由油缸頂起，上節(jié)從下節(jié)中抽出，整個(gè)井架與垂直方向呈5°夾角，下段由固定在車上的2根鋼絲繩固定，上段由固定于地面的4根鋼絲繩固定。如果各鋼絲繩松緊度不同，就會(huì)影響井架各主要構(gòu)件受力狀態(tài)，各立柱就會(huì)受力不均[1-2]，從而影響井架的承載能力，嚴(yán)重時(shí)還可能造成事故。

通過對千余臺(tái)修井機(jī)井架的檢測發(fā)現(xiàn)，有的井架盡管剛投產(chǎn)且無任何損傷，并且出廠檢驗(yàn)合格，但承載能力較低。據(jù)現(xiàn)場操作人員反映，在載荷并不大時(shí)，曾出現(xiàn)過井架甩頭扭彎事故。由于井架繃?yán)K松緊度不同，導(dǎo)致井架主構(gòu)件受力不均、個(gè)別構(gòu)件應(yīng)力過大，從而使整個(gè)井架承載能力下降，而產(chǎn)生井架甩頭扭彎事故則是由于井架繃?yán)K松緊度嚴(yán)重不均所致。

因此，從根本上摸清不同繃?yán)K的松緊度對井架各主構(gòu)件受力狀態(tài)的影響及其之間對應(yīng)關(guān)系，并研究其對井架整體承載能力的影響，為更加準(zhǔn)確地檢測評價(jià)井架承載能力，準(zhǔn)確分析井架承載能力下降原因，有的放矢的指導(dǎo)設(shè)備使用單位安全生產(chǎn)，避免事故發(fā)生具有重要意義。

1 相似模型設(shè)計(jì)

井架相似模型實(shí)驗(yàn)需要根據(jù)相似定理進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型之間不僅滿足幾何相似，更重要的是物理現(xiàn)象相似，即位移變化情況、受力情況、邊界條件等保持相似[3-4]。

在井架承載能力測試實(shí)驗(yàn)中，需要考慮的物理量有：載荷 F，kN；材料的應(yīng)力 σ，MPa；材料的彈性模量 E，MPa；材料密度 ρ，g/mm3；結(jié)構(gòu)的幾何尺寸 l，mm；結(jié)構(gòu)質(zhì)量m，g。井架模型和原型滿足的相似條件為：

公式（1）中，β表示模型和原型的相似比，設(shè)定井架模型與原型結(jié)構(gòu)幾何尺寸比為l：6，模型與原型材料的彈性模量比為1：1，模型與原型的材料密度比為1：1，即

由公式（1）和（2）可得，載荷 F、材料的應(yīng)力 σ、結(jié)構(gòu)質(zhì)量m的相似比為：

井架原型最大鉤載為900kN，則井架模型的最大鉤載為25kN。井架實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。井架模型按25kN加載測得的應(yīng)力值與井架原型加載900kN時(shí)對應(yīng)的測點(diǎn)的應(yīng)力值是相等的，即井架模型與井架原型在受力規(guī)律上是可以等效的。

圖1 井架實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

井架模型技術(shù)參數(shù)：①最大鉤載：25kN（3×4輪系）；②有效高度：4 970mm；③頂部開襠（正面/側(cè)面）：200/110mm；④底部開襠：330mm；⑤模型比例：1：6。

2 實(shí)驗(yàn)儀器與流程

2.1 布點(diǎn)方案

根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY 6326-2012《石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范》中的布點(diǎn)原則，在均勻受力區(qū)以及應(yīng)力集中區(qū)和彈性撓曲區(qū)等危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)，選擇主要受力桿件、有損傷或破壞的桿件、井架大腿斷面突變處、井架大腿損傷處、井架大腿斷面開口處、井架二層臺(tái)處等受力偏大的部位進(jìn)行布點(diǎn)[5]。本次測試方案共布點(diǎn)6層，從上往下依次為井架立柱頂部收縮處、井架上段底部連接處、井架下段頂部連接處、井架起升液缸連接橫梁處上下各一層以及井架底部三角支架處，每層4個(gè)立柱，每個(gè)立柱布一個(gè)測點(diǎn)，按照從上往下數(shù)、從左往右順時(shí)針數(shù)的原則編制編號。

2.2 儀器

井架起升應(yīng)力測試中使用的應(yīng)變片為90°應(yīng)變片，電阻值為（120±0.2）Ω，靈敏系數(shù)為 2.08，應(yīng)變片的柵長為2mm，用膠水將應(yīng)變片粘貼在待測部位，通過半橋電路接入應(yīng)變測量系統(tǒng)中，利用快速接頭和屏蔽的導(dǎo)線連接無線發(fā)射模塊，無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊的量程為±15 000με，測量精度為±2με，每個(gè)無線發(fā)射模塊可以連接并采集4個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，安裝時(shí)通過磁座吸附在被測量桿件上，在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線接收網(wǎng)關(guān)，然后通過電腦中的應(yīng)變測量軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2.3 流程

首先要根據(jù)井架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)布點(diǎn)方案；接著將應(yīng)變片粘貼在井架所選定的測點(diǎn)上，并將應(yīng)變片和無線應(yīng)變采集模塊連接好，打開電源。將無線接收網(wǎng)關(guān)與電腦連接。將所有設(shè)備連接完畢后，調(diào)試系統(tǒng)，確認(rèn)每個(gè)測點(diǎn)完好。根據(jù)井架在工作中的主要工況進(jìn)行應(yīng)力測試。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算井架承載能力，并綜合外觀檢測結(jié)果和無損檢測結(jié)果，對井架的安全性進(jìn)行評定。

3 結(jié)果與分析

修井機(jī)井架繃?yán)K共有6根，前面2根風(fēng)載繃?yán)K和二層臺(tái)繃?yán)K在正常作業(yè)時(shí)受力較小，主要是在有風(fēng)載的情況下發(fā)揮作用。因此，主要研究井架在正常作業(yè)過程中后面2根風(fēng)載繃?yán)K和內(nèi)負(fù)載繃?yán)K在不同松緊度下井架的受力狀態(tài)。

對井架模型進(jìn)行加載測試，60s內(nèi)將載荷按照10、15、25kN的階梯進(jìn)行加載，穩(wěn)住載荷值后保存測試數(shù)據(jù)，測3次取平均值，共有7種工況：

工況①：所有繃?yán)K都設(shè)置合適的預(yù)緊力。

工況②：左后風(fēng)載繃?yán)K松，其余正常。

工況③：左后風(fēng)載繃?yán)K和右側(cè)內(nèi)負(fù)載繃?yán)K同時(shí)松，其余正常。

工況④：右側(cè)內(nèi)負(fù)載繃?yán)K松，其余正常。

工況⑤：右后風(fēng)載繃?yán)K和右側(cè)內(nèi)負(fù)載繃?yán)K同時(shí)松，其余正常。

工況⑥：左后風(fēng)載繃?yán)K和右后風(fēng)載繃?yán)K同時(shí)松，其余正常。

工況⑦：左、右側(cè)內(nèi)負(fù)載繃?yán)K同時(shí)松，其余正常。

在工況①條件下，階梯加載的應(yīng)變曲線如圖2所示，3個(gè)階梯分別是加載10、15、25kN時(shí)的應(yīng)變曲線，在加載到最大鉤載25kN時(shí)的最大應(yīng)變值為690με，采集出各測點(diǎn)在各載荷下的應(yīng)變值，并進(jìn)行校核計(jì)算。同理，可采集到在其他6種工況下各測點(diǎn)在加載10kN時(shí)的應(yīng)變值，見表1。由表1可知，在其他測試條件不變的情況下，只改變井架繃?yán)K的松緊度，同一測點(diǎn)的應(yīng)變值不同，部分測點(diǎn)的應(yīng)變值變化較大，個(gè)別測點(diǎn)甚至出現(xiàn)了拉壓力轉(zhuǎn)換，比如6號點(diǎn)和10號點(diǎn)在工況⑥條件下受拉力，而在其他工況下受壓力，由此可得，左后風(fēng)載繃?yán)K和右后風(fēng)載繃?yán)K同時(shí)松的工況下，會(huì)導(dǎo)致井架整體受力不均勻，從而使井架的承載能力降低。

圖2 工況①條件下各測點(diǎn)應(yīng)變曲線圖

表1 各工況下加載10kN時(shí)各測點(diǎn)的應(yīng)變值

根據(jù)表1中的應(yīng)變數(shù)據(jù)，依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY 6326-2012《石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范》，計(jì)算得工況①時(shí)各立柱的強(qiáng)度校核系數(shù)小于1，即該井架承載能力滿足設(shè)計(jì)最大載荷25kN（3×4輪系），同理得其他工況下井架的承載能力（表2）。

表2 各工況下測試的井架承載力

根據(jù)表2，風(fēng)載繃?yán)K對井架承載能力影響較大，會(huì)直接降低井架的承載能力。對照工況①和②可知，在左后風(fēng)載繃?yán)K松時(shí)，井架承載能力已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)鉤載要求；對照工況③和⑤，松開同側(cè)風(fēng)載繃?yán)K和內(nèi)負(fù)載繃?yán)K比松開異側(cè)風(fēng)載繃?yán)K和內(nèi)負(fù)載繃?yán)K對井架承載能力影響要大；對照工況②和⑥，松開兩側(cè)風(fēng)載繃?yán)K比松開單側(cè)風(fēng)載繃?yán)K對井架承載能力影響大；對照工況①、④和⑦，松開內(nèi)負(fù)載對井架承載能力影響不大，井架承載能力依然滿足設(shè)計(jì)鉤載要求。

4 結(jié)論

以XJ90修井機(jī)井架模型為例，對井架的2根風(fēng)載繃?yán)K和內(nèi)負(fù)載繃?yán)K組合放松，測試不同工況下井架各測點(diǎn)的應(yīng)力值，根據(jù)應(yīng)力測試結(jié)果，可看出井架后側(cè)2根風(fēng)載繃?yán)K對井架的承載能力影響最大，內(nèi)負(fù)載繃?yán)K對井架的應(yīng)力影響相對較小。因此，在修井作業(yè)時(shí)，一定要將風(fēng)載繃?yán)K選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力并正確安裝，以保證修井機(jī)井架在正常狀態(tài)下工作，發(fā)揮井架最大的承載力，降低井架倒塌事故的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]彭高華，楊敬源，賈敏華．井架繃?yán)K受力分析及其合理使用要求[J]．石油礦場機(jī)械，1991，20（2）：28-34．

[2]賴永星，陳金剛，王玉合．繃?yán)K對石油鉆機(jī)井架力學(xué)性能的影響分析[J]．石油機(jī)械，2011，39（8）：21-23．

[3]符彥惟．相似與模型設(shè)計(jì)法在石油機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．石油礦場機(jī)械，1998，27（6）：38-41．

[4]王國棟，趙宏林，段夢蘭，等．JZ20-2MUQ型導(dǎo)管架平臺(tái)相似模型設(shè)計(jì)研究[J]．石油礦場機(jī)械，2011，40（11）：1-5．

[5]SY 6326-2012石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范[S]．