小噸位一體化游車大鉤靜載荷試驗

高成，葉銳,2，王雨豪，李瑞東，孟慶澤，高妍

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心, 陜西 寶雞 721002）

0 引言

游車、大鉤是石油鉆機重要的提升設備。在鉆井作業中主要用于懸吊和起下鉆桿柱、更換鉆頭、下套管等[1]。一體化游車大鉤則是游車和大鉤的組合體，設計采用了游車與大鉤整體相連的結構。游車部分主要由滑輪、滑輪軸、軸承、左側板組、右側板組、護罩、吊梁等零件組成；大鉤部分主要由筒體、緩沖彈簧、鉤桿、轉環、主軸承、定位環、滾輪環、鉤身、鉤桿銷、安全銷軸、緩沖裝置、轉鎖裝置等零部件組成。兩部分通過銷軸連接為一個整體。

一體化游車大鉤主要為了配套ZJ15/30-40鉆機，結構上整體長度大大縮短，可簡化連接過程，可節約制造和使用成本，并且對于井架有效高度較低、內開襠較小的輕便式鉆機、快速移運鉆機、車載鉆機、修井機等產品具有獨特的結構優勢。

1 一體化游車大鉤的靜載荷試驗內容及特點

1.1 試驗內容

根據一體化游車大鉤《試驗大綱》的要求，一體化游車大鉤需要做靜載荷試驗，從而對一體化游車大鉤部件的實際性能進行試驗驗證。

1.2 試驗特點

根據API Spec 8A中關于提升設備試驗載荷的規定，一體化游車大鉤出廠前必須在最大額定載荷下進行各部件的設計驗證性試驗。在設計驗證性試驗中部分部件不允許使用產品部件，所以需要重新設計工裝對一體化游車大鉤的受力情況進行近似的模擬，從而在試驗中達到模擬實際受力工況的目的。試驗時在最大試驗載荷范圍內由小到大進行加載和保壓。加載的同時通過電阻應變片對一體化游車大鉤試驗部位的應力和應變進行實時監測，保證試驗結果的連續性和準確性，從而判定一體化游鉤的實際受力分布和各部件受載情況[2]。

2 試驗方案設計

2.1 試驗分析

根據API Spec 8A 中關于游吊系統的驗證性試驗載荷標準，以YG135一體化游鉤為例，試驗拉力需根據如下公式進行計算：試驗載荷=0.8×R×SFD；計算額定載荷值R=1350 kN；選用的設計安全系數SFD=3.0；試驗載荷=0.8×R×SFD=0.8×1350×3.0=3240 kN。

YG135一體化游鉤驗證性試驗載荷最大值為3240 kN，所以必須在大于3240 kN額定鉤載的鉆機上進行。

在鉆機上進行試驗就需要解決以下問題：1）鉆機額定鉤載必須大于3240 kN；2）一體化游鉤與鉆機游吊系統、靜載荷試驗裝置之間的連接；3）不能安裝產品用滑輪和軸承，還要模擬滑輪銷軸上的受力工況，所以必須設計代替滑輪和軸承的連接部件；4）由于沒有產品游鉤吊梁的支撐，在受力后游鉤兩側可能產生向內靠攏的力，所以必須要有對游鉤側板支撐的部件；5）對一體化游鉤在試驗過程中部件應力的實時監測，以及在各個拉力值時的應變情況監測。

2.2 試驗方案的提出與解決辦法

在鉆機井口位置選擇一臺鉆深7000 m，額定鉤載為4500 kN鉆機對YG135一體化游鉤進行靜載荷加載試驗，試驗方案如圖1所示。

圖1 一體化游鉤在鉆機上試驗方案

3 試驗工裝設計及校核計算

3.1 連接工裝設計

連接工裝包括連接板總成、連接軸總成、提環、提環銷軸。

3.1.1 連接板總成

連接板總成是代替產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軸、兩側板上產生力的作用而設計。連接板總成是由4件形狀相同的連接板組成（如圖2），上端通過連接軸總成與試驗用吊環相連、下部通過滑輪軸與游鉤兩側板相連。

圖2 連接板總成

綜合上述分析計算，連接板的設計強度滿足試驗要求。

3.1.3 連接銷校核計算

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

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

綜合上述分析計算，連接銷軸的設計強度滿足試驗要求。

3.1.4 提環銷軸校核計算

將提環銷軸兩端簡化為懸臂梁，銷軸只在兩端吊環的作用下受到剪切和彎矩，所以只需要計算銷軸的剪切和彎矩符合要求就可以。

1）提環銷軸剪切承載力計算。

[σ]=341.3 MPa，σmax＜[σ]，提環銷軸抗彎承載能力符合要求。

綜合上述分析計算，提環銷軸的設計強度滿足試驗要求。

3.1.5 提環校核

采用ANSYS分析結合ASME Ⅷ標準進行提環的強度驗證，提環材料為20SiMn2MoVA，經過調質處理后σs≥1090 MPa[4]。

根據ASME Ⅷ標準，在以下三種工況上進行判斷：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。

綜合上述三種計算及判斷標準，提環的力學性能符合要求，可以承受載荷試驗所加載荷。

4 應力應變監測

通過在鉤體上貼電阻應變片來監測鉤體上的應力應變，然后通過試驗得出鉤體上應力應變的相應分布。

圖3 提環ANSYS受力分析圖及數據

5 結語

小噸位一體化游車大鉤的現場靜載荷試驗完全按照預先設計的試驗方案進行試驗，工裝完全符合試驗要求，完成了YG135一體化游車大鉤在兩種工況和相應狀態下的各種靜載荷試驗，得出了各種試驗參數和相關工作性能參數，最終順利完成了全部試驗，并且符合SHE的相關要求。

通過試驗得出以下結論：1）由于20 000 kN靜載荷拉伸試驗機載荷波動過大，不適合小噸位一體化游鉤的試驗；2）連接板總成工裝的設計和使用更加準確地模擬一體化游鉤兩側板、滑輪軸的受力情況，同時避免滑輪軸承無法承受最大試驗載荷而造成產品軸承的破壞；3）兩種試驗方案相比，在鉆機上進行一體化游鉤驗證性試驗更能模擬其真實的受力狀況，更能檢測出各部分的應力應變情況；4）鉆機上進行試驗，可以通過兩套檢測系統（加載裝置本身檢測系統、鉆機的鉆井儀表系統）對試驗載荷進行監測，更有利于數據采集的準確性。