基于API標準的CD51/2IEU—250鉆桿吊卡的設計

摘要：API是美國石油學會的英文縮寫。API在石油機械行業(yè)享有很高的聲望，它是美國承認的石油機械認證機構。它所制定的石油技術標準被許多國家采用，并在招標采購時，一般都要求有API標志的產(chǎn)品才能參加投標。因此，擁有API標志的石油機械設備不僅被認為是質(zhì)量可靠而且具有先進水平。因此，客戶在定購石油機械產(chǎn)品時都會要求我們按照API標準進行設計。基于API 標準的鉆桿吊卡就是在這種情況下開發(fā)的，經(jīng)過現(xiàn)場使用，得到用戶的認可。并且通過了認證， 取得API Spce 8C標志使用權。

關鍵詞： API 標準； 鉆桿吊卡； 設計； 安全系數(shù)；應力；疲勞分析

CD51/2IEU-250鉆桿吊卡是石油鉆采中用于鉆井或修井作業(yè)懸持鉆桿起升或下降的重要工具。我公司應客戶要求設計生產(chǎn)了基于API Spce 8C《鉆井和采油提升設備》標準的CD51/2IEU-250鉆桿吊卡。

1.設計條件：API Spce 8C4.2條款設計條件中規(guī)定可知吊卡的設計溫度為-20℃（-4°F）。

2.主要參數(shù)：由API Spce 8C9.8條款相關要求確定主要參數(shù)：

根據(jù)API SPEC 8C，吊卡（250 ton）吊耳相關尺寸取G2取為50mm， H2取為65mm。G2 和H2位置如下圖所示。

3.材料： 主體及活門材料均采用GB/T3077-35CrMoA鍛件，調(diào)質(zhì)HB289-335。

力學性能：σb≥980MPa；σS≥835MPa；δ≥12%；Z≥45%； （-20℃） ≥42J

4.設計準則

4.1 設計安全系數(shù)

依據(jù)API Spce 8C 表1，該吊卡額定載荷為2250kN，設計安全系數(shù)SFD按下式確定[1]：

SFD=3.0-[0.75×（R-1334）/3114]=3.0-[0.75×（2224-1334）/3114]=2.78

4.2 許用應力的確定

4.2.1 依據(jù)彈性理論，由設計載荷引起的公稱等效應力不應超過最大許用應力A Smax [1]。

A Smax =σS /SFD=835MPa/2.78=300.3MPa

4.2.2 依據(jù)塑性分析，由設計載荷引起的公稱等效應力不應超過最大許用應力A Smax [1]。

A Smax =σb /SFD=980MPa/2.78=352.5MPa

4.2.3 涉及到剪切：剪切屈服強度與抗拉屈服強度的比值為0.58。

5.強度校核

鉆桿吊卡懸持鉆桿時，其兩側的耳孔與吊環(huán)相連，鉆桿吊卡和鉆桿的重量由兩側耳孔與吊環(huán)接觸處承擔。吊卡耳孔與吊環(huán)的接觸處為吊卡受力的最危險區(qū)域，對此截面（A-A）進行強度校核。

Fmax最大可取2225kN，取Fmax=2250kN，則A-A截面的拉力

FA-A=F/2=2225/2=1112.5kN，A-A截面的應力：

[σ]= FA-A/ SA-A=1112.5×103/7966=139.656 Mpa，滿足上面4.2 中許用應力的要求。

故A-A截面滿足設計要求，同時所選材料也符合要求。

6.設計驗證試驗載荷（國內(nèi)作為型式試驗的載荷）的確定

根據(jù)API Spce 8C5.3.2條款關于設計驗證試驗的要求，

設計驗證試驗載荷=0.8×R×SFD=0.8×2225×2.78=4948kN。（R -額定載荷、SFD—設計安全系數(shù)）

當載荷為設計驗證試驗載荷時，A-A截面的應力：

[σ]= （4948÷2）/ 7966=310 Mpa<352.5Mpa， 在設計驗證試驗載荷作用下設計也符合要求。

7.疲勞分析

根據(jù)API 8C中4.3.7條款對CD吊卡進行疲勞分析。根據(jù)材料疲勞極與抗拉強度的關系[2]的有關內(nèi)容，我們對吊卡主體及活門（材料為35CrMoA）的疲勞極限進行估算。

由式（2-17）σ-1=fσb[2]，可得對應的疲勞極限σ-1=0.47x980=460.6MPa。

由前面的計算來看，吊卡的主要構件所受應力均小于材料的疲勞極限值。由σ-1疲勞極限的定義[3]可知，用N=（0.5-1）x107 為基數(shù)作為確定鋼的疲勞極限，N為應力循環(huán)數(shù)。我們以CD吊卡每天工作400次計算，一年工作天數(shù)為150天進行估算（實際沒有這么多次數(shù)），則CD吊卡一年的應力循環(huán)數(shù)為：N′=150x400=6x104，20年的應力循環(huán)數(shù)為N″=20x6x104=1.2x 106。我們?nèi)=0.5x107=5x106。

N″

8.結語

基于API Spce 8C《鉆井和采油提升設備》標準設計的CD51/2IEU-250鉆桿吊卡經(jīng)過在江蘇油田現(xiàn)場使用后，得到用戶的認可，完全滿足礦場使用要求。日前該型鉆桿吊卡已經(jīng)通過了API Spce 8C認證， 取得API Spce 8C標志使用權。由此可見，該鉆桿吊卡的設計是成功的，值得推廣。

參考文獻

[1]API Spec 8C《鉆井和采油提升設備》

[2]《抗疲勞設計：方法與數(shù)據(jù)》（趙少汴、王忠保主編）

[3]《機械設計手冊》第四版（成大先主編、化學工業(yè)出版社）

作者簡介：李建紅（1974.11-），男，江蘇如東人，工程師，現(xiàn)從事石油機械的研發(fā)和技術管理工作。

通信地址：江蘇省如東縣掘港鎮(zhèn)朝陽路17號