21 m井架額定鉤載受力解析與穩(wěn)定力矩?cái)?shù)值計(jì)算

徐瑞波

（大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶 163400）

0 引言

XJ-250作業(yè)機(jī)是大慶油田主力作業(yè)機(jī)型，對油井作業(yè)起著至關(guān)重要的作用。近些年為了適應(yīng)壓裂管柱和其它下井工具長度增加的生產(chǎn)需要，新購入的XJ250作業(yè)機(jī)井架高度采用21 m結(jié)構(gòu)形式，比原來18 m井架高出3 m，3 m的高度變化對井架起立傾角、井架實(shí)際受力狀態(tài)，以及對作業(yè)機(jī)整體的穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響，有的井隊(duì)甚至發(fā)生了作業(yè)機(jī)整體傾翻事故，造成了較大經(jīng)濟(jì)損失。由于購入的21 m井架XJ250作業(yè)機(jī)，廠家沒有給提供詳細(xì)的受力狀態(tài)數(shù)據(jù)表，導(dǎo)致作業(yè)機(jī)在安裝和運(yùn)行中僅能夠參照數(shù)據(jù)不夠明確，與實(shí)際操作有一定偏差的使用說明書，這就使21 m井架XJ250作業(yè)機(jī)的安裝、使用帶來了一定的困難。為了解決無井架受力數(shù)據(jù)的問題，本文對井架實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行了解析和相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算。

1 21 m井架實(shí)際受力狀態(tài)解析

1.1 井架受力種類描述

正常情況下井架承受負(fù)荷繃?yán)K拉力，鉤載負(fù)荷拉力，防風(fēng)繃?yán)K拉力，以及風(fēng)吹產(chǎn)生的推力。其中負(fù)荷拉力又會(huì)分解為井架后向拉力，井架順向壓力，井架基座垂直壓力，井架基座水平橫向推力。只有這些力或分力小于穩(wěn)定狀態(tài)力數(shù)值時(shí)，井架才會(huì)處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 作業(yè)機(jī)現(xiàn)場實(shí)際安裝狀態(tài)

（1）正常情況下，作業(yè)機(jī)車尾與井口間需要留有一定的距離，以保證給井口操作留有適當(dāng)?shù)目臻g（圖1）。

（2）不同井架傾角情況下，車尾千斤中心距離井口的距離是 3°為 1.1 m，4.5°為 1.65 m，5°為 1.87 m；最大鉤載（67.5 t）在井架垂直方向上形成的拉力為3°為 3.533 t，4.5°為 5.296 t，5°為5.883 t（圖2）。從表1中可以看出井架后向傾角越大，井架后傾拉力就越大，當(dāng)這一力量達(dá)到一定程度時(shí)，其造成的后傾力矩就會(huì)導(dǎo)致井架向后傾翻。

圖1 作業(yè)機(jī)現(xiàn)場安裝狀態(tài)

（3）傾角為5°，最大鉤載（67.5 t）時(shí)，井架基座存在向車頭方向5.86 t的推力，垂直向下壓力66.98 （t圖3）。當(dāng)鉤載數(shù)值一定時(shí)，傾角越大井架基座承受的向前推力就越大，使作業(yè)機(jī)整體有向車頭方向滑動(dòng)的趨勢。當(dāng)這一數(shù)值大于最大滑動(dòng)力時(shí)，作業(yè)機(jī)就會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，同時(shí)井架就會(huì)向后傾翻。因此，在設(shè)備安裝時(shí)，必須保證井架基礎(chǔ)的牢固。當(dāng)鋪墊鋼質(zhì)基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)在井架基座與基礎(chǔ)減添加一定量的泥土，保證基座與基礎(chǔ)具有較大的摩擦力。

圖2 不同傾角井架垂直拉力狀態(tài)

表1 不同傾角井架后傾拉力

（4）井架側(cè)向1.5°時(shí)，天車中心側(cè)向偏移0.55 m（嚴(yán)重超出垂直標(biāo)準(zhǔn)），在最大鉤載（67.5 t）情況下，天車受到的側(cè)向拉力為1.767 t，大大降低井架的穩(wěn)定性，甚至?xí)斐傻咕苁鹿实陌l(fā)生。

圖3 井架傾角5°基座受力狀態(tài)

2 21 m井架受力數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算所需基本數(shù)據(jù)

XJ250作業(yè)機(jī)總重量27.44 t。井架自身重量8.169 t。作業(yè)機(jī)自身重量（除去井架重量）19.271 t。井架總高度21.05 m。井架重心高度9.5 m。作業(yè)機(jī)重心位置：井架千斤中心向車頭方向4.987 m。井架實(shí)際傾角，正常傾角為3°～5°。大鉤實(shí)際負(fù)荷，最大鉤載67.5 t，設(shè)定不同井架傾角。

2.2 井架受力數(shù)值計(jì)算過程描述

計(jì)算井架鉤載負(fù)荷分力：井架負(fù)荷后傾拉力、井架負(fù)荷順向壓力。計(jì)算井架鉤載后傾力矩：井架鉤載后傾拉力×21.05 m。計(jì)算井架自重負(fù)荷分力：井架自重后傾方向拉力、井架自重順向方向力。計(jì)算井架自重后傾力矩：井架自重后傾方向拉力×9.5 m。計(jì)算井架后傾力矩之和：井架鉤載負(fù)荷后傾力矩+井架自重后傾力矩。計(jì)算井架后傾拉力合力：井架鉤載負(fù)荷后傾拉力+井架自重后傾力。計(jì)算井架順向壓力合力：井架負(fù)荷順向壓力+井架自重順向方向壓力。計(jì)算井架基座負(fù)荷分力：基座水平向前推力、基座垂直向下壓力。計(jì)算井架極限傾翻力矩：作業(yè)機(jī)自身重量（除去井架重量）×4.987 m。計(jì)算鉤載臨界點(diǎn)數(shù)值：（井架極限傾翻力矩—井架自重后傾力矩）/21.05 m。臨界點(diǎn)鉤載說明：①假設(shè)井架、鋼絲繩、大鉤及復(fù)合繃?yán)K均有足夠大的強(qiáng)度；②井架傾角3°時(shí)的最大鉤載可以達(dá)到83.543 t；③井架21m的XJ250作業(yè)機(jī)最佳井架傾角為4°或4.5°，與滾筒大繩承載能力匹配；④井架4.5°傾角最大靜鉤載＜54 t；⑤井架5°傾角最大靜鉤載＜48 t；⑥原廠使用說明所給出的67.5 t最大鉤載實(shí)驗(yàn)，是在井架傾角＜3.5°條件下進(jìn)行的拉力負(fù)荷試驗(yàn)。