防噴器吊導軌梁強度分析及運維安全措施

吳奇兵

（中海油安全技術服務有限公司， 天津 300457）

防噴器吊作為防噴器的吊移裝置，可滿足海洋石油鉆修井作業(yè)對防噴器進行安裝、檢修、拆卸的需求[1-6]。導軌梁是防噴器吊的主要承載結(jié)構(gòu)，其強度是確保防噴器吊安全運行的重要保障。為分析某導軌梁在防噴器吊使用過程中的受力狀態(tài)，采用有限元方法進行強度校核計算。同時為了保證導軌梁在使用期間的安全運行，從使用注意事項及載荷試驗兩方面提出運維措施。

1 防噴器吊概述

某型防噴器吊懸掛于鉆修機鉆臺下部，主要由左、右兩個導軌上的可獨立運行的防噴器起吊裝置（兩臺）、液控操縱箱、液控管線（兩組）等組成。該防噴器吊采用液壓油為動力，具有防爆特點。其主要功能為：吊裝單個防噴器進行安裝或吊裝組合好的防噴器組進行安裝，或使用單側(cè)起吊裝置單獨吊工具、輔助件等。由于其操作是通過遠離防噴器的液壓操縱箱進行，所以保證了防噴器安裝過程中人員的安全，具有操作簡單、安全、可靠的特點。

1.1 主要技術參數(shù)

該型防噴器吊主要技術參數(shù)見表1。

表1 防噴器吊主要技術參數(shù)

圖1 防噴器吊結(jié)構(gòu)構(gòu)造

1.2 結(jié)構(gòu)與功能

防噴器吊起升用兩臺帶自鎖的250kN液壓環(huán)鏈葫蘆共同吊起防噴器，可以確保起吊的重物懸停在所需要的位置。左、右兩臺單獨的起吊裝置組合成防噴器吊移裝置，兩臺起吊裝置分別懸掛于鉆機鉆臺面下部的導軌上。移動由兩臺單軌行車為主體，每臺行車用2臺液壓馬達驅(qū)動。本機構(gòu)全部采用了平衡結(jié)構(gòu)，使負荷均勻分布在每個滾輪上，輪壓比較合理，以確保移動的可靠性。本裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本裝置為液壓控制，驅(qū)動為液力傳動，由鉆修機液壓提供液壓動力。每臺起吊裝置由起吊馬達作動力的環(huán)鏈葫蘆、行走馬達作動力的行車及液控系統(tǒng)組成。液壓油經(jīng)控制閥組后驅(qū)動行車液壓馬達或升降液壓馬達，使行車往復行走或環(huán)鏈葫蘆升降。用操縱箱分別控制左行車、右行車移動及左葫蘆、右葫蘆升降，以滿足防噴器整體或部分的吊移安裝。

2 導軌梁強度分析

2.1 模型建立

采用ABAQUS軟件進行防噴器吊導軌梁受力分析。鑒于該結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，為減小計算規(guī)模，采用1/2模型進行計算分析，同時忽略行車車輪等附屬結(jié)構(gòu)。最終模型由一根工字梁及5個焊接在其上翼緣的吊耳組成。

2.2 工況分析

由于防噴器吊在工作過程中，導軌梁承載位置會隨著行車的移動而變化。為全面分析導軌梁可能承受的載荷，在此選取6個代表性的工作位置作為分析工況。各工況下行車所處具體位置示意圖見圖2。

圖2 防噴器吊導軌梁分析工況

2.3 邊界條件

由于防噴器吊所承受的載荷全部由行車滾輪傳遞到導軌梁上，因此最終施加在導軌梁上的載荷是行車輪壓載荷。加載時首先需要確定輪軌的接觸面積。

輪軌接觸面積采用如下公式計算[7-8]：

其中：c為輪壓載荷沿吊車梁跨度方向的支撐長度，mm；P為輪壓集中載荷，N；R為車輪半徑，m；b為車輪寬度，m。

由圖3可知，行車滾輪半徑82mm，滾輪寬度50mm。從設計得知該防噴器吊行車滾輪單輪輪壓集中載荷62.5kN，依據(jù)公式（1）計算得出車輪支撐長度c=2.25mm。

施加載荷時，在滾輪軸中心位置創(chuàng)建參考點，將參考點與導軌梁輪軌接觸面施加耦合約束，并對參考點施加向下的62.5kN的集中載荷，完成輪壓載荷的施加。將5個吊耳施加固支約束，工字梁剖面施加對稱約束，完成邊界條件的施加。有限元網(wǎng)格大小設置為12mm，單元類型為C3D8R，模型共計劃分74784個網(wǎng)格。

2.4 結(jié)果分析

將有限元模型按圖2所示6種工況進行計算分析。

圖3 滾輪與導軌梁細部結(jié)構(gòu)

由圖4應力分析結(jié)果可得，導軌梁受力大小與行車所處位置相關。行車所處位置導軌梁應力水平遠大于其他位置。

圖4 導軌梁整體應力云圖

由圖5可見，結(jié)構(gòu)最大應力值195.3MPa，小于許用應力206.59MPa，滿足強度要求。最大應力出現(xiàn)在行車行至位置6處吊耳位置，這與吊耳是主要承載構(gòu)件且整體尺寸較薄有關。該處應力較大，后續(xù)在使用及維保過程中要加強關注及檢驗檢測。

由圖6位移分析結(jié)果可得，導軌梁變形大小同樣與與行車所處位置相關。行車所處位置導軌梁變形水平遠大于其他位置。

圖5 行車行至位置6處導軌梁局部應力云圖

圖6 導軌梁整體變形云圖

由圖7可見，最大變形值出現(xiàn)在行車行至位置5處，這與該位置遠離吊耳約束較小有關，同樣與其處于結(jié)構(gòu)跨中位置撓度較大相吻合。變形量0.0146mm，遠小于導軌梁跨度，說明該導軌梁剛度較大。

3 導軌梁運維安全措施

為確保防噴器吊導軌梁在使用過程中避免因結(jié)構(gòu)破壞而造成事故，需要結(jié)合現(xiàn)場工況采取必要的安全維保措施。

3.1 使用注意事項

圖7 行車行至位置5處導軌梁局部變形云圖

（1）外觀配套完整，結(jié)構(gòu)外觀無明顯缺陷，焊縫平整、均勻無脫層。

（2）在起吊重物過程中，禁止在起吊或下放操作時突然反向操作，避免損壞機件。

（3）在起吊作業(yè)中，嚴禁超負荷工作，確保人員和設備安全。

（4）在起吊作業(yè)中，如出現(xiàn)異常現(xiàn)象，應立即停車進行檢查。

（5）在移運防噴器吊裝裝置時不準翻滾，避免損壞機件。存放時應避免日曬雨淋。

3.2 載荷試驗

載荷試驗是直觀地反映防噴器吊導軌梁的結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)，因此對評估防噴器導軌梁結(jié)構(gòu)性能具有指導意義。

（1）空載試驗

左右行車分別前后移動≤500mm，各2次，動作應靈活；左右行車同時前后移動1000mm，共5次，動作靈活，同步誤差小于5%（可轉(zhuǎn)換至單獨移動補償）；左右行車分別升降≤500mm，各2次，升降靈活，剎車和限位可靠；左右行車同時升降500mm，共5次，同步誤差小于5%（可換至單獨升降補償）。升降靈活，剎車和限位可靠。

（2）負載試驗（單邊載荷275kN）

左右行車分別前后移動≤500mm，各2次；再同時前后移動1000mm，共5次。要求：移動平穩(wěn)，行車馬達溫升正常，行車減速箱無異聲，結(jié)構(gòu)件無永久變形和損壞，焊縫無開裂，連接處無松動，油漆無脫落；左右行車分別升降≤500mm，各2次；再左右行車同時升降500mm，共5次。要求升降平穩(wěn)，提升葫蘆無異聲，結(jié)構(gòu)件無永久變形和損壞，焊縫無開裂，連接處無松動，環(huán)鏈及吊鉤無裂紋，油漆無脫落。

4 結(jié)論及建議

（1）通過防噴器吊導軌梁結(jié)構(gòu)有限元分析，可知結(jié)構(gòu)強度及剛度滿足要求。確定了不同工況下導軌梁的應力及變形分布情況，對應力及變形較大位置要在鉆修機檢驗檢測時重點關注。

（2）結(jié)合防噴器吊使用特點，提出了導軌梁運維安全技術措施，可在使用過程中最大限度避免導軌梁因自身結(jié)構(gòu)造成的安全事故。

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