海洋修井機應力測試加載裝置設計

關雙會，鹿海田，于 雷，綦耀光，余焱群

（1.中海油能源發展股份有限公司油田建設工程分公司，天津300452；2.西南石油大學經濟管理學院，成都610500；3.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；4.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266580）①

海洋修井機應力測試加載裝置設計

關雙會1，2，鹿海田1，于 雷3，綦耀光4，余焱群4

（1.中海油能源發展股份有限公司油田建設工程分公司，天津300452；2.西南石油大學經濟管理學院，成都610500；3.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；4.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266580）①

針對海洋修井機檢測時需對井架和底座同時加載的要求，設計了專用的海洋修井機應力測試加載裝置。介紹了裝置的結構和工作原理，并對關鍵部件進行了力學分析和強度校核。現場試驗表明：該加載裝置安裝方便快捷，加載穩定可靠，整體結構設計合理。

海洋修井機；加載裝置；機構設計

根據API標準、中國石油天然氣行業標準，以及有關石油鉆修井類設備在海洋石油生產中使用的規范和相關管理部門的要求［1-3］，海洋石油生產平臺配套的固定式海洋鉆修井設備的井架、底座（包括上底座總成和下底座總成）每3 a要進行1次檢測。對于前次評定的井架承載能力為設計能力60%～85%的井架，應每2 a進行1次檢測。檢測評定方法中以承載能力試驗為主，使用情況調查和井架外觀檢查為輔的評定原則［4-6］。

現有測試加載方法均不能對井架和底座實現同時加載［7］，為了進一步完善海洋修井機整體主要結構部件應力測試檢驗工作，基于海洋石油平臺工作環境及海洋修井機結構情況［8］，設計了1套海上修井機應力測試加載裝置，實現對主要結構件同時施加外部測試載荷。

1 總體設計

海洋修井機應力測試加載裝置主要由平臺加載機構主體、索具測量組件2部分組成。圖1為平臺加載機構主體，圖2為索具測量組件。

平臺加載裝置主體安裝于平臺井口蓋之上，通過4個外伸液壓缸，利用外伸臂總成分別將4個導軌夾具機構安裝在導軌上，縱向錯開修井機滑靴，采用可調節剛性結構支撐并固定，如圖1所示。

圖1 平臺加載機構主體

4個加載夾具機構通過卸扣與4條測量吊帶相連，每條吊帶均安裝無線應力測試儀，構成4路測量信號，末端匯聚于主加載索具卸扣；主加載索具組另一端與游車大鉤相連，通過主索具組的雙向作用液壓缸的活塞桿回縮來給加載夾具機構加載，從而實現對修井機井架和底座結構同時加載的目的，如圖2所示。

圖2 索具測量組件構成

海上平臺修井機應力測試整體加載裝置設計的主要技術和性能參數如表1所示。加載裝置主體機構采用可伸縮式結構，應力測試采用無線拉力傳感器。

表1 加載裝置主要性能設計參數

2 主體機構設計

平臺加載機構主體要承受水平橫向和水平縱向的加載分力，在給井架和底座加載的同時，保證滑軌以及平臺其他構件不受損傷。平臺加載機構主體是該測試加載裝置的關鍵部件及主要結構。

2.1 受力分析

主體機構單個加載吊耳主要承受4個方向的力，即測試索具的拉力、橫向液壓缸的推力、縱向支撐臂的推力以及平臺滑軌的作用反力，如圖3所示。

圖3 加載夾具機構受力分析

基于整體機構受力平衡，得到的靜力學方程為

式中：a為平臺導軌跨距（橫向），m；b為縱向支撐長度（縱向），m；h為單臂測試索具綜合長度，m；F為1／4游車大鉤載荷，k N。

按照設計要求，最大鉤載500 k N時導軌縱向最大受力為162 k N，導軌橫向最大受力為242 k N；取導軌縱向承載165 k N，橫向承載245 k N作為設計依據。

2.2 水平橫向支撐機構

平臺修井機導軌橫向跨距變化為7.5～14.0 m，采用液壓缸和擴充節組合可實現伸縮調節。水平橫向支撐機構如圖4所示，主要由外伸臂總成、液壓缸總成、擴充節等組成。

圖4 水平橫向支撐機構

水平橫向支撐機構薄弱環節是液壓缸的活塞桿（所選液壓缸活塞桿直徑為80 mm），按照兩端自由鉸鏈計算，橫向設計最大載荷為245 k N。

則橫向最大穩定長度為

式中：l為裝置橫向穩定長度，m；E為材料彈性模量；Imin為材料慣性矩，cm4；η為長度系數，本文取值為1；Pe為橫向載荷，N。

修井機應力測試加載裝置目標平臺導軌橫向最大跨度為14 m，故該加載裝置橫向可滿足尺寸和強度要求。

2.3 水平縱向支撐機構

為減輕裝置整機質量以及便于安裝、加強穩定性，且水平縱向上導軌夾具機構必須錯開修井機滑靴位置，并且實際和理論上縱向跨距不像橫向尺寸要求嚴格，因此縱向支撐采用可調節剛性結構錯接形式，兩端分別與水平橫向支撐結構連接，其調節形式如圖5所示。

圖5 縱向導軌組合模式

據此，設計中選用20號槽鋼，Q235材質，縱向設計最大載荷為165 k N。基于材料力學應力計算公式［9］，得壓應力為

式中：F1為縱向最大載荷，k N；S1為20號槽鋼截面積，mm2。

則安全系數為式中：n1為結構安全系數；σs為Q235材料屈服極限，MPa；σ1為縱向支撐結構壓應力，MPa。

上述計算表明，縱向支撐機構滿足設計要求。

2.4 導軌夾具機構

導軌夾具機構具有連接、固定、夾緊功能，其中夾具的尺寸大小必須保證能夠進入設計所提供的平臺滑軌最小尺寸要求。導軌夾具機構主要由夾具體本體、提升調整螺栓、支撐旋轉軸、夾緊固定螺栓、夾具體上部結構等組成，如圖6所示。

圖6 導軌夾具機構

外伸臂進入修井機導軌，向導軌中心移動使夾具體本體靠緊導軌立板。調整前后對稱方向上的2個提升調整螺栓，抬高夾具體本體，頂住修井機導軌；夾具體上部結構繞著支撐旋轉軸轉動到圖示位置，緊固螺栓即可（結構前后對稱）。

夾具機構接觸面承受的載荷F2為125 k N，設計的接觸面面積S2＝360×45＝16 200 mm2，最小受剪面積S3＝20×360＝7 200 mm2。

基于材料力學理論［9］，得到接觸應力為

式中：F2為結構接觸載荷，k N；S2為結構接觸面積，mm2。

接觸安全系數為

式中：n2為結構安全系數；σ2為結構接觸應力，MPa。

剪切應力為

剪切安全系數為

式中：［τ］為Q235材料許用剪切應力，MPa；τ為結構承受剪切應力，MPa。

由上述計算結果，表明夾具機構接觸面的接觸強度及局部剪切強度均滿足設計要求。

3 現場應用

經陸地試驗后，海洋修井機應力加載裝置在BZ29-4 WHPA平臺HXJ90型修井機上得到應用。BZ29-4平臺HXJ90型修井機導軌跨距為11 m，修井機支撐腿滑靴之間的距離為4 m。所設計加載裝置在海上現場與所需測試修井機連接后，為修井機井架及上下底座主體結構同時施加了所需的模擬載荷，應用效果良好，海上平臺現場試驗情況如圖7所示。

圖7 HXJ90型修井機井架底座整體加載現場

4 結語

通過海上平臺現場試驗，表明所設計的海洋修井機應力測試加載裝置安裝快捷方便，加載連續穩定，整體設備安全可靠，完全能夠滿足海洋修井機的井架和底座同時加載的試驗要求。

［1］ 王紫陽，楊本靈，胡建啟，等.井架和底座承載能力測試及安全性評估方法［J］.石油礦場機械，2012，41（6）：88-90.

［2］ 賈慧靈，顏廷俊，李向東，等.海洋鉆機井架剩余承載能力測試和計算［J］.石油礦場機械，2010，39（8）：20-22.

［3］ 閆天紅，周國強，王延民.基于模糊綜合評判方法的鉆井隊設備現狀評估［J］.石油礦場機械，2009，38（7）：5-9.

［4］ API Spec 4F，Specification for Drilling and Well Servicing Structures［S］.2008-07.

［5］ SY／T 6326—2008，石油鉆機和修井機井架、底座承載能力檢測評定方法［S］.

［6］ 關雙會，丁輝，武永清，等.海洋修井機改造工程實施方案分析及經驗總結計［J］.石油工程建設，2012，38（5）：11-16.

［7］ 關雙會，鄧忠彬，武永清，等.海洋修井機承載能力檢測評定標準討論［J］.中國造船，2012，53（S2）：445-451.

［8］ 關雙會.海洋鉆修機滑軌標準化研究及應用［J］.石油工程建設，2013，39（1）：22-28.

［9］ 呂英民，陳海亮.材料力學［M］.東營：中國石油大學出版社，2007.

Design of the Ocean Workover Rig Load Stress Test Device

marine workover rig；load device；mechanism design

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.011

1001-3482（2014）11-0044-04①

2014-05-06

國家科技支撐計劃資助項目（2012BAH26F04）

關雙會（1975-），男，滿族，黑龍江寧安人，高級工程師，主要從事海洋鉆修井裝備研究。

Abstract：Aim at the requirements for ocean workover rig that it is need to loaded at the same time when it was testing.The special ocean workover rig load stress test device was designed.Introducing the structure and working principle of device.Then mechanical analysis and intensity check of the key components.Through the field test shows that the load device installation fast and convenient，stable and reliable load，integral structure design is reasonable.