CDZ500鉆桿吊卡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 東，周井玲，許波兵，張 坤

（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.江蘇如東通用石油機(jī)械股份有限公司，江蘇 南通 226499）

1 引言

目前國(guó)內(nèi)石油資源短缺的問題日益嚴(yán)重，陸地油井的開采已經(jīng)進(jìn)入中后期，石油勘探開發(fā)向深海進(jìn)軍已成必然趨勢(shì)。海洋石油鉆井因其環(huán)境惡劣、開采難度大，因此對(duì)現(xiàn)有的鉆采工具的安全性、穩(wěn)定性提出了更加嚴(yán)格的要求。

石油鉆井作業(yè)中最重要的環(huán)節(jié)是起下鉆，而鉆桿吊卡是用于起下鉆桿的專用工具[1?2]，工作時(shí)，吊卡兩端吊臂由吊環(huán)勾住起吊，中間的錐形臺(tái)階卡住鉆桿，從而達(dá)到吊起鉆桿的目的。吊卡工作示意圖，如圖1所示。

圖1 吊卡工作示意圖Fig.1 The Working Diagram of Elevator

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者很久之前就開始了對(duì)吊卡的研究，文獻(xiàn)[3]對(duì)CD350鉆桿吊卡三維應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，為預(yù)測(cè)帶裂紋的鉆桿吊卡的承載能力、剩余壽命，確定探傷周期、制定判廢標(biāo)準(zhǔn)等提供了必要的斷裂分析參數(shù)。文獻(xiàn)[4]等采用有限元位移法求解出了牛頭鉆桿吊卡裂紋前沿應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律。

文獻(xiàn)[5]通過在將內(nèi)襯材料聚氨基酸酯加入到吊卡鋼模和鋼管之間，并且在內(nèi)襯層上設(shè)計(jì)溝槽，提高了吊卡的承載能力。文獻(xiàn)[6]針對(duì)因不完整的鎖閂、安全銷引起的意外事故問題，改進(jìn)液壓吊卡的結(jié)構(gòu)，使致動(dòng)器張開迅速并容易連接鉆桿，提供了一種在提升鉆桿單個(gè)接頭的同時(shí)提高安全性和運(yùn)營(yíng)效率的方法。

這里以CDZ500型鉆桿吊卡為研究對(duì)象，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)吊臂尺寸參數(shù)，減小彎曲應(yīng)力，提高吊卡強(qiáng)度儲(chǔ)備，使吊卡適應(yīng)更為苛刻的作業(yè)環(huán)境，計(jì)算結(jié)果有利于豐富海洋石油鉆采作業(yè)井口工具的設(shè)計(jì)理論。

2 吊臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吊臂與吊環(huán)相連，是吊卡中承受載荷最大，應(yīng)力最集中的部位。吊臂受力處的危險(xiǎn)截面，如圖2（a）所示。吊卡主體吊臂區(qū)域示意圖，如圖2（b）所示。吊臂的主要尺寸，如表1所示。

表1 吊臂主要尺寸Tab.1 Main Dimensions of Lifting Lug

圖2 吊臂尺寸示意圖Fig.2 Diagram of Lifting Lug’s Main Dimensions

查閱參考手冊(cè)及借鑒相關(guān)文獻(xiàn)，通過已有的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算吊臂的機(jī)械強(qiáng)度[7]。計(jì)算公式為：

式中：F—吊卡支撐力；R1—吊臂半徑；β—截面偏移角度；R—吊臂截面半徑；α—弓形截面弧所對(duì)圓心角的一半；b—吊臂截面橫向厚度；h—吊臂截面縱向厚度。

將表1中吊臂原始參數(shù)代入到上述公式中，計(jì)算得當(dāng)β取33°時(shí)，最大應(yīng)力為1014MPa。吊卡主體的材料為35CrMoA，通過拉伸試驗(yàn)，得到其拉力位移曲線，如圖3所示。計(jì)算得35CrMoA屈服強(qiáng)度為1027MPa，其主要力學(xué)屬性，如表2所示。

表2 35CrMoA力學(xué)屬性Tab.2 The Mechanical Properties of 35CrMoA

圖3 35CrMoA單軸拉伸曲線Fig.3 Uniaxial Tension Curve of 35CrMoA

靈敏度分析指系統(tǒng)固有參數(shù)變化引起系統(tǒng)輸出參數(shù)變化[8]，根據(jù)變化大小，確定固有參數(shù)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響程度，對(duì)吊卡進(jìn)行靈敏度分析，從而通過改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

如圖4（a）所示為應(yīng)力σ隨著吊臂截面橫向厚度b與偏離角度β變化的等值線，當(dāng)b小于97mm時(shí)，等值線較為密集，吊臂最大應(yīng)力降低幅度較大，當(dāng)b大于97mm時(shí)，等值線較為稀疏，吊臂最大應(yīng)力降低幅度較低，即靈敏度較小。因此，考慮到加工成本問題，橫向厚度b的最佳優(yōu)化值為98mm，此時(shí)最大應(yīng)力為978.7MPa。

圖4 應(yīng)力等高線圖Fig.4 The Stress Contour

圖4（b）所示為應(yīng)力σ隨著吊臂截面半徑R與偏離角度β變化的等值線，隨著R的變化，等效應(yīng)力變化幅度并不明顯，靈敏度不變。考慮到最大應(yīng)力為1014MPa，與屈服強(qiáng)度極為接近，可能影響吊卡在深海石油平臺(tái)安全使用，將R值適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)API 8C[9]的規(guī)定，500短噸的鉆桿吊卡R值不得超過82.55mm，并將加工成本納入考慮，截面半徑R的最佳優(yōu)化值為81mm，此時(shí)最大應(yīng)力為1002MPa。

通過上述計(jì)算得出，當(dāng)b取99mm，R取81mm，偏離角度β為34°時(shí)，最大等效應(yīng)力σmax為965.1MPa，相較優(yōu)化前的最大應(yīng)力，減少了4.8%左右，提高了CDZ500吊卡的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

3 吊卡有限元分析

有限元模型采取CDZ500吊卡壓力試驗(yàn)工裝的模型，用圓柱代替吊環(huán)。因吊卡工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型的建立在SolidWorks中完成。

設(shè)置吊卡與吊環(huán)之間摩擦系數(shù)為0.15的接觸對(duì)，接觸表面處理方式選擇Adjust to Touch，能夠?qū)⒛繕?biāo)面與接觸面移動(dòng)至互相接觸的位置。對(duì)吊卡劃分網(wǎng)格，為了確保吊卡與吊環(huán)接觸面的網(wǎng)格質(zhì)量添加Contact Sizing，控制接觸面的網(wǎng)格尺寸相關(guān)度為100，控制其他體網(wǎng)格大小為15mm，網(wǎng)格劃分完成后共計(jì)69773個(gè)單元，168654個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元平均質(zhì)量為0.8429。網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖5所示。

圖5 吊卡網(wǎng)格劃分情況Fig.5 The Meshing of Elevator

根據(jù)吊卡工裝壓力試驗(yàn)的情況對(duì)模型施加邊界條件。對(duì)四個(gè)支撐圓柱的下底面施加固定約束[10]，對(duì)吊卡吊臂與吊環(huán)接觸位置施加y向位移約束，在錐套上施加壓力10125kN。

求解后應(yīng)力分布，如圖6所示。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)吊臂與吊環(huán)接觸的位置，為1041.7MPa。為了得出最大應(yīng)力點(diǎn)的偏移角度，通過APDL的General Postproc模塊對(duì)吊臂內(nèi)側(cè)應(yīng)力進(jìn)行路徑映射，分析得最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)所在的吊臂截面偏移角度為30度，由以上分析可知，有限元模擬與理論計(jì)算所得的結(jié)果的對(duì)比：偏移角度的誤差為9.1%，最大彎曲應(yīng)力的誤差為7.9%。

圖6 吊卡主體應(yīng)力分布Fig.6 Stress Distribution of Elevator Body

4 應(yīng)力貼片試驗(yàn)

通過貼片實(shí)驗(yàn)獲取吊臂上的應(yīng)力分布情況，因吊臂內(nèi)圓面與代替吊環(huán)的圓柱直接接觸，影響應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果，因此將應(yīng)變片布置在吊臂側(cè)面，因貼片數(shù)量及貼片位置的限制，在吊卡側(cè)面30°、35°、45°、60°分別貼片，在應(yīng)變片上粘上膠布防止應(yīng)變片脫落。

試驗(yàn)采用YES?1000噸液壓壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)CDZ500型吊卡施加載荷，在吊臂側(cè)面布置應(yīng)變片，測(cè)量吊卡在2.25倍額定載荷下吊臂側(cè)面的應(yīng)變情況，在應(yīng)變測(cè)試儀器上讀取各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變，由公式σ=εE計(jì)算出各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力。

式中：σ—應(yīng)力；ε—應(yīng)變；E—彈性模量。

由表3 可以看出，30°到35°屬于高應(yīng)力區(qū)，偏離角度為35°時(shí)，吊臂應(yīng)力最大，σmax為1017.2MPa，與理論計(jì)算偏差為5.4%。

圖7 吊卡應(yīng)力貼片試驗(yàn)Fig.7 Stress Patch Test of the Elevator

表3 試驗(yàn)與理論結(jié)果的比較Tab.3 Comparison of Test Results with Theoretical Results

5 結(jié)論

（1）應(yīng)石油開采逐漸向海洋進(jìn)軍的背景，對(duì)大荷載吊卡CDZ500進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過計(jì)算得出，吊臂橫向厚度b為98mm、截面半徑R為81mm 吊卡主體承受最大彎曲應(yīng)力有可有效的降低4.8%左右。

（2）優(yōu)化后的有限元分析結(jié)果最大彎曲應(yīng)力與理論計(jì)算結(jié)果誤差為7.9%，應(yīng)力貼片實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果誤差為5.4%，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性，通過優(yōu)化吊卡結(jié)構(gòu)，提高了吊卡主體的安全性能，為海洋石油鉆井設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。