小噸位一體化游車(chē)大鉤靜載荷試驗(yàn)

高成，葉銳,2，王雨豪，李瑞東，孟慶澤，高妍

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心, 陜西 寶雞 721002）

0 引言

游車(chē)、大鉤是石油鉆機(jī)重要的提升設(shè)備。在鉆井作業(yè)中主要用于懸吊和起下鉆桿柱、更換鉆頭、下套管等[1]。一體化游車(chē)大鉤則是游車(chē)和大鉤的組合體，設(shè)計(jì)采用了游車(chē)與大鉤整體相連的結(jié)構(gòu)。游車(chē)部分主要由滑輪、滑輪軸、軸承、左側(cè)板組、右側(cè)板組、護(hù)罩、吊梁等零件組成；大鉤部分主要由筒體、緩沖彈簧、鉤桿、轉(zhuǎn)環(huán)、主軸承、定位環(huán)、滾輪環(huán)、鉤身、鉤桿銷(xiāo)、安全銷(xiāo)軸、緩沖裝置、轉(zhuǎn)鎖裝置等零部件組成。兩部分通過(guò)銷(xiāo)軸連接為一個(gè)整體。

一體化游車(chē)大鉤主要為了配套ZJ15/30-40鉆機(jī)，結(jié)構(gòu)上整體長(zhǎng)度大大縮短，可簡(jiǎn)化連接過(guò)程，可節(jié)約制造和使用成本，并且對(duì)于井架有效高度較低、內(nèi)開(kāi)襠較小的輕便式鉆機(jī)、快速移運(yùn)鉆機(jī)、車(chē)載鉆機(jī)、修井機(jī)等產(chǎn)品具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

1 一體化游車(chē)大鉤的靜載荷試驗(yàn)內(nèi)容及特點(diǎn)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)一體化游車(chē)大鉤《試驗(yàn)大綱》的要求，一體化游車(chē)大鉤需要做靜載荷試驗(yàn)，從而對(duì)一體化游車(chē)大鉤部件的實(shí)際性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 試驗(yàn)特點(diǎn)

根據(jù)API Spec 8A中關(guān)于提升設(shè)備試驗(yàn)載荷的規(guī)定，一體化游車(chē)大鉤出廠前必須在最大額定載荷下進(jìn)行各部件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證性試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)驗(yàn)證性試驗(yàn)中部分部件不允許使用產(chǎn)品部件，所以需要重新設(shè)計(jì)工裝對(duì)一體化游車(chē)大鉤的受力情況進(jìn)行近似的模擬，從而在試驗(yàn)中達(dá)到模擬實(shí)際受力工況的目的。試驗(yàn)時(shí)在最大試驗(yàn)載荷范圍內(nèi)由小到大進(jìn)行加載和保壓。加載的同時(shí)通過(guò)電阻應(yīng)變片對(duì)一體化游車(chē)大鉤試驗(yàn)部位的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證試驗(yàn)結(jié)果的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，從而判定一體化游鉤的實(shí)際受力分布和各部件受載情況[2]。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)分析

根據(jù)API Spec 8A 中關(guān)于游吊系統(tǒng)的驗(yàn)證性試驗(yàn)載荷標(biāo)準(zhǔn)，以YG135一體化游鉤為例，試驗(yàn)拉力需根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算：試驗(yàn)載荷=0.8×R×SFD；計(jì)算額定載荷值R=1350 kN；選用的設(shè)計(jì)安全系數(shù)SFD=3.0；試驗(yàn)載荷=0.8×R×SFD=0.8×1350×3.0=3240 kN。

YG135一體化游鉤驗(yàn)證性試驗(yàn)載荷最大值為3240 kN，所以必須在大于3240 kN額定鉤載的鉆機(jī)上進(jìn)行。

在鉆機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)就需要解決以下問(wèn)題：1）鉆機(jī)額定鉤載必須大于3240 kN；2）一體化游鉤與鉆機(jī)游吊系統(tǒng)、靜載荷試驗(yàn)裝置之間的連接；3）不能安裝產(chǎn)品用滑輪和軸承，還要模擬滑輪銷(xiāo)軸上的受力工況，所以必須設(shè)計(jì)代替滑輪和軸承的連接部件；4）由于沒(méi)有產(chǎn)品游鉤吊梁的支撐，在受力后游鉤兩側(cè)可能產(chǎn)生向內(nèi)靠攏的力，所以必須要有對(duì)游鉤側(cè)板支撐的部件；5）對(duì)一體化游鉤在試驗(yàn)過(guò)程中部件應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及在各個(gè)拉力值時(shí)的應(yīng)變情況監(jiān)測(cè)。

2.2 試驗(yàn)方案的提出與解決辦法

在鉆機(jī)井口位置選擇一臺(tái)鉆深7000 m，額定鉤載為4500 kN鉆機(jī)對(duì)YG135一體化游鉤進(jìn)行靜載荷加載試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如圖1所示。

圖1 一體化游鉤在鉆機(jī)上試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)及校核計(jì)算

3.1 連接工裝設(shè)計(jì)

連接工裝包括連接板總成、連接軸總成、提環(huán)、提環(huán)銷(xiāo)軸。

3.1.1 連接板總成

連接板總成是代替產(chǎn)品滑輪與軸承的連接部件，是為了模擬鋼絲繩穿入滑輪而在滑輪銷(xiāo)軸、兩側(cè)板上產(chǎn)生力的作用而設(shè)計(jì)。連接板總成是由4件形狀相同的連接板組成（如圖2），上端通過(guò)連接軸總成與試驗(yàn)用吊環(huán)相連、下部通過(guò)滑輪軸與游鉤兩側(cè)板相連。

圖2 連接板總成

綜合上述分析計(jì)算，連接板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

3.1.3 連接銷(xiāo)校核計(jì)算

將銷(xiāo)軸兩端簡(jiǎn)化為懸臂梁，銷(xiāo)軸只在兩端吊環(huán)的作用下受到剪切力和彎矩，所以只需要計(jì)算銷(xiāo)軸的剪切力和彎矩符合要求就可以[3]。

MPa，[σ]=208 MPa，σmax＜[σ]，所以連接銷(xiāo)軸抗彎承載能力符合要求。

綜合上述分析計(jì)算，連接銷(xiāo)軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

3.1.4 提環(huán)銷(xiāo)軸校核計(jì)算

將提環(huán)銷(xiāo)軸兩端簡(jiǎn)化為懸臂梁，銷(xiāo)軸只在兩端吊環(huán)的作用下受到剪切和彎矩，所以只需要計(jì)算銷(xiāo)軸的剪切和彎矩符合要求就可以。

1）提環(huán)銷(xiāo)軸剪切承載力計(jì)算。

[σ]=341.3 MPa，σmax＜[σ]，提環(huán)銷(xiāo)軸抗彎承載能力符合要求。

綜合上述分析計(jì)算，提環(huán)銷(xiāo)軸的設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

3.1.5 提環(huán)校核

采用ANSYS分析結(jié)合ASME Ⅷ標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行提環(huán)的強(qiáng)度驗(yàn)證，提環(huán)材料為20SiMn2MoVA，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后σs≥1090 MPa[4]。

根據(jù)ASME Ⅷ標(biāo)準(zhǔn)，在以下三種工況上進(jìn)行判斷：1）Pm≤0.9σs，由表查出Pm=473.4 MPa，所以473.4 MPa＜981 MPa；2）Pm+Pb≤1.35σs，由表查出Pm+Pb=1238 MPa，所以1238 MPa＜1471.5 MPa；3）Pm+Pb≤2.35σs-1.5Pm，由表查出Pm+Pb=1238 MPa，所以1238 MPa＜1851.4 MPa。

綜合上述三種計(jì)算及判斷標(biāo)準(zhǔn)，提環(huán)的力學(xué)性能符合要求，可以承受載荷試驗(yàn)所加載荷。

4 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

通過(guò)在鉤體上貼電阻應(yīng)變片來(lái)監(jiān)測(cè)鉤體上的應(yīng)力應(yīng)變，然后通過(guò)試驗(yàn)得出鉤體上應(yīng)力應(yīng)變的相應(yīng)分布。

圖3 提環(huán)ANSYS受力分析圖及數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

小噸位一體化游車(chē)大鉤的現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)完全按照預(yù)先設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，工裝完全符合試驗(yàn)要求，完成了YG135一體化游車(chē)大鉤在兩種工況和相應(yīng)狀態(tài)下的各種靜載荷試驗(yàn)，得出了各種試驗(yàn)參數(shù)和相關(guān)工作性能參數(shù)，最終順利完成了全部試驗(yàn)，并且符合SHE的相關(guān)要求。

通過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：1）由于20 000 kN靜載荷拉伸試驗(yàn)機(jī)載荷波動(dòng)過(guò)大，不適合小噸位一體化游鉤的試驗(yàn)；2）連接板總成工裝的設(shè)計(jì)和使用更加準(zhǔn)確地模擬一體化游鉤兩側(cè)板、滑輪軸的受力情況，同時(shí)避免滑輪軸承無(wú)法承受最大試驗(yàn)載荷而造成產(chǎn)品軸承的破壞；3）兩種試驗(yàn)方案相比，在鉆機(jī)上進(jìn)行一體化游鉤驗(yàn)證性試驗(yàn)更能模擬其真實(shí)的受力狀況，更能檢測(cè)出各部分的應(yīng)力應(yīng)變情況；4）鉆機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，可以通過(guò)兩套檢測(cè)系統(tǒng)（加載裝置本身檢測(cè)系統(tǒng)、鉆機(jī)的鉆井儀表系統(tǒng)）對(duì)試驗(yàn)載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，更有利于數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。