防噴器組起吊裝置承載試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周利明，孟慶榮，王建偉，王紅杰，董淑榮，王義朋，徐 茂，齊瑞騫（．河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北　任丘0655；．四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評(píng)中心，四川　德陽6800；．中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇　無錫406）

防噴器組起吊裝置承載試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周利明1，孟慶榮1，王建偉1，王紅杰1，董淑榮1，王義朋1，徐 茂2，齊瑞騫3
（1．河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552；2．四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評(píng)中心，四川德陽618300；3．中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇無錫214063）

在進(jìn)行防噴器組起吊裝置承載試驗(yàn)時(shí)采用起吊成組防噴器的加載方法，此試驗(yàn)方法有3個(gè)弊端：第一，防噴器組的拆裝耗費(fèi)很大的人力、物力，效率不高；第二，有時(shí)無法找到與起吊裝置試驗(yàn)載荷相同的防噴器組；第三，防噴器組高度較高，存在一定的安全隱患。為了設(shè)計(jì)防噴器組起吊裝置承載試驗(yàn)臺(tái)，通過2種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，以及不同工況下承重梁的有限元分析，選擇方案二，具有安裝簡便、安全性高、可任意調(diào)節(jié)中心距等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過試驗(yàn)和應(yīng)用，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的合理性及廣泛的適用性，不僅有效地解決了以上3個(gè)問題，并且還可以兼顧環(huán)形防噴器吊耳的承載能力試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

防噴器；起吊裝置；試驗(yàn)臺(tái)；設(shè)計(jì)

防噴器組起吊裝置的作用是在防噴器的安裝和拆卸過程中，將防噴器組進(jìn)行整體吊裝。該起吊裝置是涉及現(xiàn)場安全的關(guān)鍵設(shè)備，按照規(guī)范要求，在出廠之前需對(duì)每件起吊裝置進(jìn)行載荷驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷值為額定載荷的1．5倍。近年來，為了提高井口裝置的安裝和拆卸效率，用戶需求的防噴器組起吊裝置的數(shù)量和種類越來越多，因此制造廠的產(chǎn)量也在不斷增加。以前在對(duì)防噴器組起吊裝置進(jìn)行出廠試驗(yàn)時(shí)，采用起吊防噴器組的方法進(jìn)行加載，已無法滿足生產(chǎn)要求，且存在安裝、拆卸難；試驗(yàn)時(shí)間長；試驗(yàn)載荷不合適；存在安全隱患等弊端，急需設(shè)計(jì)和制造防噴器組起吊裝置的試驗(yàn)臺(tái)來解決以上難題。試驗(yàn)臺(tái)要滿足不同載荷和不同中心距的起吊裝置的載荷試驗(yàn)要求。本文采用三維建模，有限元計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析［1-3］，避免了以前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)公式近似計(jì)算導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長、安全性低、設(shè)計(jì)尺寸過大、浪費(fèi)成本、不能全面了解裝置受力的薄弱環(huán)節(jié)［4］，無法準(zhǔn)確的制定出裝置復(fù)驗(yàn)的關(guān)鍵位置，長期使用會(huì)造成安全隱患等問題，實(shí)現(xiàn)起吊裝置試驗(yàn)的快速、安全、可靠，具有極高的推廣價(jià)值。

1 起吊裝置的結(jié)構(gòu)和受力分析

通常情況下，防噴器組的起吊裝置由平板、吊耳、卸扣等組成，起吊時(shí)環(huán)形防噴器位于起吊裝置的上方，環(huán)形防噴器的法蘭穿過起吊裝置的中心孔，其法蘭脖頸上端面位于如圖1所示的陰影環(huán)面上。起吊裝置的受力情況如圖1。

中間環(huán)帶（環(huán)帶的最大外圓與接觸的最大外圓相同）受向下的力F1（起吊防噴器組的重力），兩端卸扣受向上的力F2（一端），承重裝置的重力為G，兩卸扣中心之間的距離為L。

試驗(yàn)載荷F＝1．5×F1＋G

承重裝置的重力相對(duì)防噴器組的重力可以忽略不計(jì)，因此試驗(yàn)載荷F＝1．5×F1＝3F2

圖1 防噴器組起吊裝置的受力狀況

2 試驗(yàn)裝置的整體方案

根據(jù)起吊裝置的受力情況，考慮采用兩端固定，下壓中心環(huán)帶的受力方式來模擬起吊裝置工作時(shí)的受力情況。采用液壓缸施加載荷，通過改變液壓缸內(nèi)輸入的液壓油的油壓，得到不同的試驗(yàn)載荷，結(jié)構(gòu)方案如圖2～3。方案一：在試驗(yàn)時(shí)，起吊裝置放置在試驗(yàn)臺(tái)下部，試驗(yàn)臺(tái)對(duì)被試驗(yàn)的起吊裝置向下施加載荷來模擬實(shí)際起吊時(shí)的受力狀況；方案二：在試驗(yàn)時(shí)，起吊裝置放置在試驗(yàn)臺(tái)上部，試驗(yàn)臺(tái)對(duì)被試驗(yàn)的起吊裝置施加向上的載荷來模擬實(shí)際起吊時(shí)的受力狀況。

兩種方案均采用液壓缸加載方式施加載荷，在液缸施加載荷腔內(nèi)注入液壓油，推動(dòng)缸內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連接在活塞和活塞軸上的底板一起運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)被試驗(yàn)裝置的加載，并通過調(diào)節(jié)注入的液壓油的壓力，來得到滿足試驗(yàn)要求的載荷。

式中：p為液壓缸的液壓油壓力；S為液壓缸活塞的面積。

圖2 試驗(yàn)裝置（方案一）結(jié)構(gòu)及受力

圖3 試驗(yàn)裝置（方案二）結(jié)構(gòu)及受力

2．1 極限載荷的確定

通過對(duì)起吊裝置的中心距和起吊載荷進(jìn)行分析（環(huán)形頂蓋的起吊載荷與起吊裝置的載荷相同，但中心距比起吊裝置的中心距小，可以不必考慮），計(jì)算力矩，得到承重梁需要承受的最大彎矩作為設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，經(jīng)歸類數(shù)據(jù)如表1。

計(jì)算得出該試驗(yàn)臺(tái)的強(qiáng)度只需滿足表1中，序號(hào)1（彎矩最大）和序號(hào)2（中心距最大）的數(shù)據(jù)要求，就可以滿足所有的數(shù)據(jù)要求。

表1 起吊裝置基本參數(shù)

3 承重梁設(shè)計(jì)

承重梁是該試驗(yàn)裝置的核心部件［5］，主要有2個(gè)技術(shù)指標(biāo)：承重梁承受試驗(yàn)載荷；滿足中心距為1 400～3 000mm的所有規(guī)格起吊裝置的承載試驗(yàn)要求。按照表1工況數(shù)據(jù)，真實(shí)的模擬承重裝置的受力狀態(tài)和保證試驗(yàn)的安全是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，確保試驗(yàn)裝置能夠長時(shí)間安全的使用是設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。為此設(shè)計(jì)了2種承重梁的方案，三維模型如圖4～5。起吊裝置承載試驗(yàn)臺(tái)2種方案對(duì)比，如表2。

圖4 承重梁方案一

圖5 承重梁方案二

3．1 承重梁設(shè)計(jì)方案的對(duì)比

表2 起吊裝置承載試驗(yàn)臺(tái)2種方案對(duì)比

經(jīng)上述對(duì)比分析，以安全、簡便操作為設(shè)計(jì)的主要出發(fā)點(diǎn)，因此采用承重梁方案二作為試驗(yàn)臺(tái)裝置的承重梁。

3．2 有限元分析

選用方案二進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其承重梁的結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 方案二試驗(yàn)臺(tái)的承重梁結(jié)構(gòu)模型

經(jīng)過不同上板壁厚H進(jìn)行有限元模擬分析，工況為表1中第1、2項(xiàng)兩種情況。

1） 方案1。初步確定H＝80mm。

2） 方案2。在方案1的基礎(chǔ)上H減少20mm。

3） 方案3。在方案1的基礎(chǔ)上H增加20mm。

上下板和吊耳的材料采用彈性模型定義，其彈性模量為2．06×105m Pa，泊松比為0．3。單元類型選用計(jì)算精度較高的六面體結(jié)構(gòu)。在吊耳處施加位移約束。吊耳之間的中心距分別為2 300mm和2 750mm，在承壓面上施加均布?jí)毫?，其等效載荷分別為1 500 000 N和900 000 N。其有限元模型如圖7所示，應(yīng)力云圖如圖8所示。不同工況和方案下的應(yīng)力值如表3所示。

圖7 承重梁網(wǎng)格劃分

圖8 承重梁應(yīng)力云圖

表3 應(yīng)力及位移結(jié)果對(duì)比

根據(jù)圖7承重梁應(yīng)力云圖顯示，圖示①、②位置為最大應(yīng)力區(qū)域，對(duì)兩種工況，3種方案的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，分別得到了①、②位置處的應(yīng)力數(shù)據(jù)

起吊裝置承重梁上下板設(shè)計(jì)厚度不同，對(duì)上板和掛耳主要零部件的最大應(yīng)力值的對(duì)比，主要考慮裝置的安全系數(shù)和裝置的重量和位移，上板厚度為H時(shí)裝置的安全系數(shù)為2．27，質(zhì)量約為4 950 kg，最大位移3．15mm。上板厚度為H-20時(shí)，裝置的安全系數(shù)為1．86，質(zhì)量為3 996 kg，最大位移4．95mm。上板厚度為H＋20時(shí)，裝置的安全系數(shù)為3．8mm，質(zhì)量約為5 905 kg，最大位移2．55mm。綜合考慮選擇方案1。

4 試驗(yàn)情況

為保證該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和制造的合理性和安全可靠性，對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)按以下程序進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，其試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9～10所示。

圖9 試驗(yàn)裝置現(xiàn)場使用情況1

圖10 試驗(yàn)裝置現(xiàn)場使用情況2

試驗(yàn)準(zhǔn)備：組裝試驗(yàn)臺(tái)和起吊裝置，保證人員撤離現(xiàn)場后進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程：

1） 試驗(yàn)工況：中心距2 700mm、試驗(yàn)載荷900 k N；中心距2 300mm、試驗(yàn)載荷1500kN。

2） 注入液壓油，經(jīng)由液控臺(tái)控制注入油壓的大小和注入油壓的體積，推動(dòng)液缸內(nèi)的活塞向上運(yùn)動(dòng)。

3） 逐級(jí)提高液缸壓力，并穩(wěn)壓1min，最終達(dá)到試驗(yàn)載荷。在壓力上升的過程中，確保試驗(yàn)臺(tái)和起吊裝置平穩(wěn)且沒有其他影響安全的異常情況發(fā)生。

4） 達(dá)到試驗(yàn)壓力后，穩(wěn)壓10min。

5） 試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的橫梁進(jìn)行了尺寸及位置度檢測，經(jīng)檢測橫梁的關(guān)鍵尺寸較試驗(yàn)前未出現(xiàn)變化。

6） 對(duì)施加壓力的液缸內(nèi)的關(guān)鍵件進(jìn)行了檢測，未出現(xiàn)損壞和影響再次使用的問題；受力的零件未出現(xiàn)變形，密封件完好。

7） 對(duì)受力的零件進(jìn)行了無損檢測，承重梁、吊耳、螺栓等零部件未出現(xiàn)裂紋，對(duì)有限元分析中應(yīng)力較大的部位重點(diǎn)進(jìn)行了檢測，未出現(xiàn)裂紋。

5 結(jié)論

1） 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足起吊裝置、環(huán)形頂蓋吊耳等零部件強(qiáng)度驗(yàn)證或出廠試驗(yàn)的要求，使用范圍幾乎可以涵蓋這兩類零部件中所有的規(guī)格。

2） 在滿足使用功能的前提下，合理選擇了試驗(yàn)臺(tái)的橫梁，拆裝快速簡單，易于操作，拆裝時(shí)間短，效率高。

3） 經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)橫梁進(jìn)行有限元分析和驗(yàn)證試驗(yàn)，綜合考慮了尺寸、質(zhì)量、安全系數(shù)、最大變形量等因素，減輕試驗(yàn)臺(tái)的質(zhì)量，節(jié)約了成本，確保試驗(yàn)臺(tái)的安全可靠，便于搬運(yùn)；由分析可知該試驗(yàn)臺(tái)的危險(xiǎn)區(qū)域，為以后定期復(fù)檢提供了理論依據(jù)。

4） 防噴器組起吊裝置承載試驗(yàn)臺(tái)推廣后，為類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作提供了思路和重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］ 張永澤，梁政，蔣發(fā)光，等．復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元分析強(qiáng)度判定方法［J］．石油礦場機(jī)械，2009，38（5）：5-8．

［2］ 孟慶榮，鄭傳周，翟桂新，等．2FZ54-35型雙閘板防噴器殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．石油礦場機(jī)械，2011，40（1）：63-66．

［3］ A SmE Boiler and Pressure Vessel code（Section VIII．Division 2）［S］．The American Society ofmechanical Engineers，2004．

［4］ 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì)．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［5］ G B／T 3811—2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［6］ 《實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)》編委會(huì)．實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)［K］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［7］ 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編委會(huì)．焊接手冊(cè)［K］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

There are three disadvantages in this testmethod．W hen adopting the bearingmethod of B O P stack lifting device during B O P stack was used to do the experimentin the past．Firstly，disassem bling and assem bling B O P stack will waste lots ofmanpower andmaterial resources and is inefficiency．Secondly，sometimes，we cannot find the B O P stack that it has the same weight to bear experience of B O P stack lifting device．T hirdly，the B O P stack is too high and there will be some potential safety problems．In this article，comparison ismade between the disadvantages and advantages ofthe design project II and the finite element analysis of the bearing beamsin different working conditions．The second projectis selected．Itismuch easier and safer to assem ble and can adjust the center distance arbitrary．T he rationality of the structure and extensive applicability has been verified and applied，the test stand not only solves the above problems effectively，but also considering the bearing experiment of A nnular B O P lifting ring to achieve the desired effect．

BOP；lifting device；test stand；design

T E933．8

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．0123