基于API標(biāo)準(zhǔn)的CD51/2IEU—250鉆桿吊卡的設(shè)計(jì)

摘要：API是美國(guó)石油學(xué)會(huì)的英文縮寫。API在石油機(jī)械行業(yè)享有很高的聲望，它是美國(guó)承認(rèn)的石油機(jī)械認(rèn)證機(jī)構(gòu)。它所制定的石油技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)被許多國(guó)家采用，并在招標(biāo)采購(gòu)時(shí)，一般都要求有API標(biāo)志的產(chǎn)品才能參加投標(biāo)。因此，擁有API標(biāo)志的石油機(jī)械設(shè)備不僅被認(rèn)為是質(zhì)量可靠而且具有先進(jìn)水平。因此，客戶在定購(gòu)石油機(jī)械產(chǎn)品時(shí)都會(huì)要求我們按照API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于API 標(biāo)準(zhǔn)的鉆桿吊卡就是在這種情況下開發(fā)的，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用，得到用戶的認(rèn)可。并且通過(guò)了認(rèn)證， 取得API Spce 8C標(biāo)志使用權(quán)。

關(guān)鍵詞： API 標(biāo)準(zhǔn)； 鉆桿吊卡； 設(shè)計(jì)； 安全系數(shù)；應(yīng)力；疲勞分析

CD51/2IEU-250鉆桿吊卡是石油鉆采中用于鉆井或修井作業(yè)懸持鉆桿起升或下降的重要工具。我公司應(yīng)客戶要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)了基于API Spce 8C《鉆井和采油提升設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)的CD51/2IEU-250鉆桿吊卡。

1.設(shè)計(jì)條件：API Spce 8C4.2條款設(shè)計(jì)條件中規(guī)定可知吊卡的設(shè)計(jì)溫度為-20℃（-4°F）。

2.主要參數(shù)：由API Spce 8C9.8條款相關(guān)要求確定主要參數(shù)：

根據(jù)API SPEC 8C，吊卡（250 ton）吊耳相關(guān)尺寸取G2取為50mm， H2取為65mm。G2 和H2位置如下圖所示。

3.材料： 主體及活門材料均采用GB/T3077-35CrMoA鍛件，調(diào)質(zhì)HB289-335。

力學(xué)性能：σb≥980MPa；σS≥835MPa；δ≥12%；Z≥45%； （-20℃） ≥42J

4.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

4.1 設(shè)計(jì)安全系數(shù)

依據(jù)API Spce 8C 表1，該吊卡額定載荷為2250kN，設(shè)計(jì)安全系數(shù)SFD按下式確定[1]：

SFD=3.0-[0.75×（R-1334）/3114]=3.0-[0.75×（2224-1334）/3114]=2.78

4.2 許用應(yīng)力的確定

4.2.1 依據(jù)彈性理論，由設(shè)計(jì)載荷引起的公稱等效應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)最大許用應(yīng)力A Smax [1]。

A Smax =σS /SFD=835MPa/2.78=300.3MPa

4.2.2 依據(jù)塑性分析，由設(shè)計(jì)載荷引起的公稱等效應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)最大許用應(yīng)力A Smax [1]。

A Smax =σb /SFD=980MPa/2.78=352.5MPa

4.2.3 涉及到剪切：剪切屈服強(qiáng)度與抗拉屈服強(qiáng)度的比值為0.58。

5.強(qiáng)度校核

鉆桿吊卡懸持鉆桿時(shí)，其兩側(cè)的耳孔與吊環(huán)相連，鉆桿吊卡和鉆桿的重量由兩側(cè)耳孔與吊環(huán)接觸處承擔(dān)。吊卡耳孔與吊環(huán)的接觸處為吊卡受力的最危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)此截面（A-A）進(jìn)行強(qiáng)度校核。

Fmax最大可取2225kN，取Fmax=2250kN，則A-A截面的拉力

FA-A=F/2=2225/2=1112.5kN，A-A截面的應(yīng)力：

[σ]= FA-A/ SA-A=1112.5×103/7966=139.656 Mpa，滿足上面4.2 中許用應(yīng)力的要求。

故A-A截面滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)所選材料也符合要求。

6.設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)載荷（國(guó)內(nèi)作為型式試驗(yàn)的載荷）的確定

根據(jù)API Spce 8C5.3.2條款關(guān)于設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)的要求，

設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)載荷=0.8×R×SFD=0.8×2225×2.78=4948kN。（R -額定載荷、SFD—設(shè)計(jì)安全系數(shù)）

當(dāng)載荷為設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)載荷時(shí)，A-A截面的應(yīng)力：

[σ]= （4948÷2）/ 7966=310 Mpa<352.5Mpa， 在設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)載荷作用下設(shè)計(jì)也符合要求。

7.疲勞分析

根據(jù)API 8C中4.3.7條款對(duì)CD吊卡進(jìn)行疲勞分析。根據(jù)材料疲勞極與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系[2]的有關(guān)內(nèi)容，我們對(duì)吊卡主體及活門（材料為35CrMoA）的疲勞極限進(jìn)行估算。

由式（2-17）σ-1=fσb[2]，可得對(duì)應(yīng)的疲勞極限σ-1=0.47x980=460.6MPa。

由前面的計(jì)算來(lái)看，吊卡的主要構(gòu)件所受應(yīng)力均小于材料的疲勞極限值。由σ-1疲勞極限的定義[3]可知，用N=（0.5-1）x107 為基數(shù)作為確定鋼的疲勞極限，N為應(yīng)力循環(huán)數(shù)。我們以CD吊卡每天工作400次計(jì)算，一年工作天數(shù)為150天進(jìn)行估算（實(shí)際沒(méi)有這么多次數(shù)），則CD吊卡一年的應(yīng)力循環(huán)數(shù)為：N′=150x400=6x104，20年的應(yīng)力循環(huán)數(shù)為N″=20x6x104=1.2x 106。我們?nèi)=0.5x107=5x106。

N″

8.結(jié)語(yǔ)

基于API Spce 8C《鉆井和采油提升設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的CD51/2IEU-250鉆桿吊卡經(jīng)過(guò)在江蘇油田現(xiàn)場(chǎng)使用后，得到用戶的認(rèn)可，完全滿足礦場(chǎng)使用要求。日前該型鉆桿吊卡已經(jīng)通過(guò)了API Spce 8C認(rèn)證， 取得API Spce 8C標(biāo)志使用權(quán)。由此可見(jiàn)，該鉆桿吊卡的設(shè)計(jì)是成功的，值得推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]API Spec 8C《鉆井和采油提升設(shè)備》

[2]《抗疲勞設(shè)計(jì)：方法與數(shù)據(jù)》（趙少汴、王忠保主編）

[3]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版（成大先主編、化學(xué)工業(yè)出版社）

作者簡(jiǎn)介：李建紅（1974.11-），男，江蘇如東人，工程師，現(xiàn)從事石油機(jī)械的研發(fā)和技術(shù)管理工作。

通信地址：江蘇省如東縣掘港鎮(zhèn)朝陽(yáng)路17號(hào)