鉆修機(jī)天車承載能力評估技術(shù)研究

摘 要：針對鉆修機(jī)天車承載能力傳統(tǒng)評估技術(shù)的不足，本文提出采用大型有限元軟件ANSYS結(jié)合數(shù)值分析方法對鉆修機(jī)天車承載能力進(jìn)行評估。首先基于國標(biāo)和行標(biāo)對鉆修機(jī)主要零部件天車滑輪及滑輪軸的主要缺陷進(jìn)行了總結(jié)分析，其次以某油田在役ZJ50/3150鉆機(jī)天車為例，探討了主要缺陷的等效處理方法，通過建立天車主要承載部件的有限元模型并模擬其在設(shè)計最大鉤載下的應(yīng)力分布情況，從而得到了該天車的承載能力。該評定方法符合油氣田現(xiàn)場情況實(shí)際，應(yīng)用簡單，可靠度高，有工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：鉆修機(jī);天車;承載能力;有限元分析;評估技術(shù)

1 緒論

鉆修機(jī)天車是石油鉆機(jī)和修井機(jī)提升系統(tǒng)中重要的組成部件，與絞車和大鉤等裝備共同完成鉆井和修井工作[1-3]。天車的承載能力不僅是鉆修機(jī)綜合性能的一個重要指標(biāo)，也關(guān)系到鉆井、修井作業(yè)效率及其經(jīng)濟(jì)效益與安全保障。由于工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，隨著鉆機(jī)和修井機(jī)的服役次數(shù)頻率不斷上升，作為游動系統(tǒng)主體的天車，尤其是滑輪軸和滑輪要承受相當(dāng)大的靜載荷和沖擊動載荷。使得滑輪和滑輪軸會產(chǎn)生不同程度的磨損、裂紋以及不同程度的其他損傷，導(dǎo)致長期作業(yè)過程中產(chǎn)生各種不同類型的缺陷，這些缺陷直接影響鉆修機(jī)天車游車承載能力，使其承載能力下降及安全事故的發(fā)生。

本文基于有限元數(shù)值模擬方法提出了一種鉆修機(jī)天車承載能力評估的技術(shù)，重點(diǎn)討論了鉆修機(jī)天車的主要承載零部件滑輪與滑輪軸的承載能力。該評估技術(shù)貼近現(xiàn)場實(shí)際，具有工程應(yīng)用前景。

2 天車承載能力評估技術(shù)研究

傳統(tǒng)方法對天車的承載能力進(jìn)行評估需要獲得滑輪軸及滑輪本身的幾何參數(shù)及應(yīng)力分布情況。幾何參數(shù)借助卡尺、樣板尺等工具容易獲得，而滑輪軸及滑輪本身承受載荷后的應(yīng)力分布情況是傳統(tǒng)評估方法不易得到的，近年來迅速發(fā)展的計算仿真技術(shù)是獲得構(gòu)件應(yīng)力分布情況的一種行之有效的重要方法。目前有限元數(shù)值仿真模擬方法是比較成熟的一種計算機(jī)仿真技術(shù)。因此，本文采用有限元數(shù)值仿真模擬方法對天車關(guān)鍵部件的承載能力進(jìn)行分析，從以下兩個方面可以體現(xiàn)相對其他方法的優(yōu)勢：

（1）通過建模，自由約定邊界條件等因素，有利于直觀全面地了解滑輪及滑輪軸在服役過程中的整個承載狀態(tài)，有利于了解滑輪及滑輪軸在不同載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，從而能夠克服傳統(tǒng)評估方法中只能按照粗略應(yīng)力分布計算承載能力而導(dǎo)致的計算精度不高的問題，精度相對較高;

（2）對滑輪及滑輪軸進(jìn)行有限元分析，可以更全面的得到實(shí)際受力、變形及應(yīng)力分布情況，當(dāng)承載能力不足時，有利于提出修補(bǔ)方案。

3 天車主要承載部件缺陷因素分析

根據(jù)天車的結(jié)構(gòu)和其作為鉆修機(jī)的游動系統(tǒng)主要部件的工作的特殊性，以及關(guān)于天車在現(xiàn)場出現(xiàn)的事故及故障原因的分析結(jié)果，可知其失效概率較高的主要承載部件是其滑輪及滑輪軸。

基于《石油鉆機(jī)大修理技術(shù)條件》中關(guān)于鉆機(jī)和修井機(jī)的天車在工作過程中產(chǎn)生的各種缺陷分析，可以得出主要存在以下幾點(diǎn)因素，具體見表1：

分析以上天車的各種類型的缺陷，除了有裂紋時該部件按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須報廢停止使用外，而其他缺陷在對承載能力的影響上有重合，因此對天車承載能力影響較大的常見缺陷可歸結(jié)為：

（1）天車軸的腐蝕、表面凹坑、彎曲和應(yīng)力集中。

（2）天車的滑輪槽與輪孔的磨損，腐蝕，表面不平滑，以及應(yīng)力集中。

4 某油田在役ZJ50/3150鉆機(jī)天車主要缺陷仿真模擬與承載能力分析

某油田ZJ50/3150鉆機(jī)采用6×7輪系，在現(xiàn)場服役13年，根據(jù)天車的使用情況和維修保養(yǎng)記錄，經(jīng)幾何參數(shù)、磁記憶等檢測發(fā)現(xiàn)天車滑輪和滑輪軸存在磨損、腐蝕、彎曲及凹坑等問題，在仿真模擬時可以采用等效截面處理法對這些缺陷進(jìn)行簡化。

4.1 幾何模型建立

針對天車軸與滑輪表面磨損和銹蝕這類缺陷，通常做法是利用幾何測量手段確定磨損腐蝕部位直徑與面積的大小，通過與鉆修機(jī)天車或游車設(shè)計說明書上出廠數(shù)據(jù)對比，獲得了軸與滑輪的磨損量和銹蝕情況，幾何模型創(chuàng)建時采用等效截面法對磨損和銹蝕進(jìn)行等效處理。

根據(jù)幾何參數(shù)檢測，天車軸外徑與滑輪輪槽腐蝕磨損較大，分別為0.80mm及2.13mm。由于天車軸與滑輪幾何形狀較為簡單，采用等效截面處理法直接利用Solid Works建立了其幾何模型。

4.2 網(wǎng)格劃分設(shè)置

針對結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中這類缺陷，通常在有限元分析時可以采用網(wǎng)格細(xì)化及子模型分析兩種方法，針對天車軸和滑輪的幾何結(jié)構(gòu)較簡單的特點(diǎn)，本文采用對其模型局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化的方法進(jìn)行處理。

4.3 邊界條件設(shè)置

針對天車的滑輪軸彎曲的這類缺陷，參考文獻(xiàn)[7-8]所述在使用ANSYS軟件對滑輪軸整體進(jìn)行有限元分析，具體步驟如下：（1）把天車軸彎曲的單元去掉，用MATRIX27單元代替;（2）將所求得的等效剛度矩陣數(shù)值代入MATRIX27單元中;（3）單元控制開關(guān)KEYOPT（3）設(shè)置為4。通過以上三步即可完成軸彎曲在ANSYS中的等效處理。

通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該鉆機(jī)天車軸兩端存在兩個凹坑，按凹坑評定理論分析，兩個相隔較遠(yuǎn)的凹坑不存在干涉，且都在安全范圍內(nèi)，因而認(rèn)定這兩凹坑不足以達(dá)到影響承載能力的程度[6，7]，因此分析時不考慮凹坑的影響。

4.4 仿真結(jié)果分析

在有限元模型的基礎(chǔ)上，對鉆機(jī)滑輪軸及滑輪在最大鉤載工況時進(jìn)行了有限元分析，圖1為鉆機(jī)在設(shè)計最大鉤載下滑輪軸有限元應(yīng)力分析結(jié)果圖。由圖可見滑輪軸中部與兩端支撐處應(yīng)力較大，滑輪軸中部變形最大。該有限元分析結(jié)果與材料力學(xué)經(jīng)典分析方法計算結(jié)果有一定的差異，產(chǎn)生這種差異的主要原因是考慮了應(yīng)力集中的影響。圖2為鉆機(jī)在設(shè)計最大鉤載下滑輪有限元應(yīng)力分析結(jié)果圖。由圖2可見，滑輪的上端輪槽與鋼絲繩接處的應(yīng)力較大。有限元分析結(jié)果與材料力學(xué)分析方法計算結(jié)果也有一定的差異，產(chǎn)生這種差異的主要原因是同樣是考慮了應(yīng)力集中的影響。

由圖1、圖2可見，在設(shè)計最大鉤載下滑輪軸的最大應(yīng)力為244MPa，產(chǎn)生在輪滑軸的兩個端面的固定約束處;最大變形為0.284mm，產(chǎn)生在滑輪軸的中部?；喌淖畲髴?yīng)力為109MPa，產(chǎn)生在滑輪的上端的加強(qiáng)筋與滑輪中心連接處，最大變形為0.373mm，產(chǎn)生在滑輪上端與鋼絲繩接觸處。

天車軸的材料為40CrNiMoA，滑輪材料為35CrMoA，材料屬性見表2。

由此可計算在最大鉤載下天車軸的安全系數(shù)為835/244=3.42，滑輪的安全系數(shù)為835/109=7.66，均滿足強(qiáng)度要求，同時變形量也滿足剛度要求?？梢娫撎燔嚦休d能力為設(shè)計最大鉤載，即315噸，與該天車目前還在用的實(shí)際情況相符。

而在用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論進(jìn)行計算時，滑輪軸的安全系數(shù)為n=3.49，比上述考慮缺陷后利用有限元法計算的結(jié)果偏大?？梢姡ㄟ^對鉆修機(jī)天車的主要承載部件缺陷進(jìn)行等效處理后，借助數(shù)值模擬，進(jìn)行有限元分析得到的結(jié)果更加符合實(shí)際情況，有利于保障鉆井作業(yè)安全，為油田現(xiàn)場設(shè)備的承載能力評估工作提供更加可靠的方法。

5 結(jié)語

鉆修機(jī)天車工作環(huán)境惡劣，承載大，長期運(yùn)行過程中必然產(chǎn)生磨損、腐蝕、應(yīng)力集中等缺陷，這些缺陷的存在必將對天車承載能力造成影響。定性評估或僅從強(qiáng)度剛度理論出發(fā)得到的在役天車承載能力的傳統(tǒng)評估方法勢必使評估結(jié)果偏于安全，本文提出的采用大型有限元軟件ANSYS結(jié)合數(shù)值分析技術(shù)對在役鉆修機(jī)天車承載能力進(jìn)行評估的方法考慮因素全面、采用方法先進(jìn)，有利于提高計算評估結(jié)果的精度，有利于保證鉆修井過程安全。

針對在役ZJ50/3150鉆機(jī)天車存在的磨損、腐蝕、應(yīng)力集中等缺陷，本文通過缺陷等效處理技術(shù)，探討了應(yīng)用于ANSYS分析的過程，為同類問題提供了參考解決方案，其評估結(jié)果符合油田現(xiàn)場實(shí)際，得到現(xiàn)場工程師的肯定。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王晶（1986— ），男，漢族，湖北荊州人，本科，工程師，研究方向：鉆修機(jī)。