液壓貓頭載荷試驗方案改進的研究

李晨，高成，彭輝，葉銳，周華妮，金澤秦

（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

液壓貓頭是鉆機的基礎配套部件，它與吊鉗配套用于鉆桿、鉆鋌、套管等的上卸扣作業[1]。液壓驅動使輸出轉矩可方便地根據管徑大小進行調節，與機械貓頭相比較，它不但減輕了鉆井工人的勞動強度，降低了鉆井成本，更主要的是有力保證了鉆井工人的人身安全，順利地完成鉆井作業。隨著鉆井工業的發展，自動化鉆井工具在鉆機上得以應用，各種形式的鐵鉆工已經可以代替液壓貓頭的上卸扣功能，但是作為性能可靠的備用工具，液壓貓頭仍然具有不可代替地位。所以現在每套鉆機都將液壓貓頭配置齊全，并且在鉆機安裝完成后進行液壓貓頭的各項功能試驗。

1 液壓貓頭試驗介紹

根據鉆機出廠要求，所有鉆機配套液壓貓頭在出廠前都必須進行空運轉和載荷試驗。液壓貓頭空運轉是為了確保液壓源、控制部件、液壓貓頭三者之間的連接正確、控制部件邏輯正確，能夠順利實現預定的動作。載荷試驗是為了驗證液壓貓頭、液壓源的性能，以及現場配焊的液壓貓頭座連接耳板的焊接強度。

進行空運轉試驗時，只需要啟動液壓源、接通各控制管路即可完成。但是進行載荷試驗時則需要將液壓貓頭的出繩端固定，通過貓頭油缸的伸出來繃緊出繩，當油缸無法伸出時液壓源壓力逐漸升高直至16 MPa額定壓力，溢流閥開始溢流為止。然后通過液壓貓頭出繩端與固定樁之間的拉力傳感器測試出液壓貓頭的拉力值。

現在井場普遍采用的試驗連接方法是將液壓貓頭的出繩端與拉力傳感器連接好后將活繩端固定在鉆機大門立柱根部，操作液壓貓頭來完成載荷試驗。試驗過程中工作人員要扶住連接繩，防止繩索受力轉動導致傳感器連接插頭碰壞，并且還要隨時關注與大門立柱相連接的繩索不能沿立柱上滑從而拉彎大門立柱。

以往在進行該試驗時出現過大門立柱被拉彎、立根臺前鋪臺拉翻、液壓貓頭出繩拉斷、液壓貓頭座連接耳板拉脫、液壓貓頭后部固定伸出繩的楔塊拉飛等危險狀況，雖未造成嚴重事故，但也存在極大的安全隱患。

由此，我們希望研究一套液壓貓頭載荷試驗方案，在方便現場使用的前提下減少工作人員的近距離操作，保證現場人員的安全，并且使試驗結果更直觀。

2 液壓貓頭載荷試驗改造方案

2.1 試驗分析

根據鉆機試驗大綱要求，液壓貓頭需進行最大拉力為16 t的載荷試驗，而載荷試驗的通常做法有如下兩種：1）將液壓貓頭伸出繩端頭固定，通過拉力傳感器來測試拉力；2）直接懸掛16 t配重，通過相應的導繩裝置舉升配重。

試驗完成后必須達到以下效果：1）不能損壞鉆機部件和液壓貓頭部件；2）試驗完成后對液壓貓頭座在鉆臺面上的連接耳板焊縫進行探傷，要求不能有裂紋或其他缺陷出現。

2.2 難點分析

1）通過拉力傳感器來測試拉力就必須在鉆機上尋找合適的固定點，該固定點應當足夠堅固，且能夠提供足夠反作用力抵抗液壓貓頭最大16 t的拉力。

2）通過懸掛配重進行拉力試驗就必須將液壓貓頭水平方向的出繩通過導向滑輪轉化為垂直方向的拉力，從而提升配重進行試驗。但是導向輪安裝位置必須具有足夠的強度，防止配重提升過程中鉆機部件的損壞。并且保證工裝與鉆臺面的固定可靠。

2.3 試驗方案設計

根據現場查看NDC鉆機鉆臺面及查閱其他各型號鉆機圖樣總結出液壓貓頭載荷試驗有以下幾種方案[2]：1）將液壓貓頭伸出繩端頭連接好拉力傳感器后固定在大鉗尾繩樁上進行試驗；2）將液壓貓頭伸出繩端頭連接好拉力傳感器后固定在鉆機大門立柱上進行試驗；3）在轉盤上增加工裝，將液壓貓頭出繩導向到鉆臺面以下，通過懸掛配重、提升配重來實現載荷試驗。

2.3.1 改進方案一

將液壓貓頭出繩端頭連接拉力傳感器后固定在大鉗尾繩樁上進行試驗。方案分析如下：

1）大鉗尾繩樁在各種類型的鉆機上都會配備，并且其下部固定在底座大梁上，經過計算校核其焊縫強度也足以承受最大16 t的拉力。

2）常規液壓貓頭所配鋼絲繩長度為8 m左右，在不裁剪鋼絲繩長度的情況下，要求液壓貓頭與大鉗尾繩樁之間的距離至少應在7 m以上，否則將無法繃緊鋼絲繩產生拉力并完成試驗。但是很多型號鉆機液壓貓頭與大鉗尾繩樁之間的距離太近，無法滿足連接要求。

3）還有一些鉆機司鉆房位置太靠近轉盤，液壓貓頭與大鉗尾繩樁間的連接繩與司鉆房房體會相干涉，導致試驗困難。

綜上所述，將大鉗尾繩樁作為連接固定裝置進行試驗時對大鉗尾繩樁的位置要求較為嚴格，對于不同類型鉆機的兼容性較差。所以只能選擇其他方案進行試驗。

2.3.2 改進方案二

在轉盤上增加工裝，將液壓貓頭出繩導向到鉆臺面以下，通過懸掛配重、提升配重來實現載荷試驗。

2.3.2.1 改進方案分析

1）通過現場查看結合鉆井工具的使用選擇將導繩輪工裝固定在鉆機轉盤上相應的驅動銷軸孔上，液壓貓頭出繩繞過滑輪通過轉盤中心下放到鉆臺面以下，通過提升最大16 t的配重實現載荷試驗。

2）試驗工裝安裝在轉盤上，可以通過轉動轉盤鎖定導向輪的方向來適應各種液壓貓頭座方向偏轉的情況。

2.3.2.2 工裝設計

新設計工裝利用工裝下部的連接銷將其固定在轉盤上相應的驅動銷孔內，實現抵抗試驗時向后作用力的目的。

為了降低工裝高度、減輕工裝質量、方便運輸和使用，根據液壓貓頭水平出繩高度在800 mm左右，上部導向滑輪外徑設計為φ500 mm，工裝安裝在轉盤上以后液壓貓頭出繩引入工裝滑輪處中心離地高度為565 mm。

圖1 工裝安裝在轉盤上

2.3.2.3 工裝關鍵件校核

1）連接銷軸強度校核。連接銷軸直徑為φ82.93 mm，總共4件，選擇材料為35CrMo，承受橫向載荷為160 kN，此處按照中間連接銷承受全部160 kN載荷進行校核計算，單個中間銷軸受力大小為Q=80 kN，安全系數ns=3；連接銷軸材料為35CrMo，σs=540 MPa。則許用應力[σ]=σs/ns=180 MPa；許用剪應力[τ]=0.58×[σ]=104.4 MPa；連接銷軸剪應力τ=Q/S=29.64 MPa。計算可知：τ<[τ]，連接銷軸抗剪切強度滿足要求。

2）工裝抗傾翻校核。液壓貓頭出繩點高度在500～1200 mm之間，一般出繩點高度為800 mm，合力作用點在工裝底板長度以內，并且懸掛配重所產生的力矩大于液壓貓頭拉力所產生的力矩，所以工裝不會向后翻轉。

3）滑輪軸強度校核計算。當液壓貓頭出繩點位置最低時滑輪軸所受合力最大為226.3 kN，即滑輪軸所受最大剪切力P=226.3 kN，Q=P/2=113.15 kN，滑輪軸直徑D=80 mm，材料為35CrMo，安全系數ns=3[3]。則許用應力[σ]=σs/ns=180 MPa；許用剪應力[τ]=0.58[σ]=104.4 MPa；滑輪軸剪應力τ=Q/S=11.3 MPa。計算可知：τ<[τ]，滑輪軸抗剪切強度滿足要求。

4）導向滑輪強度校核。導向滑輪選用鑄造實心滑輪，由于直徑較小，其強度主要取決于鑄造工藝條件，此處無需進行強度校核。

3 工裝在現場的使用

1）試驗時先將工裝安裝在轉盤上，然后根據液壓貓頭的位置和偏轉角度轉動轉盤，使工裝滑輪的繩槽與液壓貓頭的出繩方向在一條直線上，然后將轉盤補芯鎖定。

2）操作手柄將液壓貓頭油缸全部縮回，然后將液壓貓頭的出繩繞過滑輪穿過轉盤中心導向到鉆臺面下。

3）將配重懸掛在液壓貓頭出繩上，調整繩索長度使繩索基本處于繃緊狀態。

4）操作手柄，使液壓貓頭提升配重，然后按要求進行試驗。

圖2 液壓貓頭載荷試驗方式示意

4 結語

鉆機液壓貓頭載荷試驗一直以來都被視為鉆機組裝試驗中參與人員較多、危險性較大的試驗內容，并且試驗結果還時常遭到監造人員的質疑。使用新工裝后最大限度地減少了試驗過程中對操作人員造成傷害的不安全因素，并且新試驗方案還具有以下幾方面的特點：1）新工裝適用于所有類型帶轉盤的鉆機，對液壓貓頭的位置能夠全方位地兼容。2）新工裝投入使用后將消除大門立柱被拉彎、前鋪臺拉翻、損壞的安全隱患，減少操作人員在危險區域的停留，極大地降低液壓貓頭載荷試驗的危險性。3）新工裝使用后使試驗結果更加直觀，徹底消除了由于拉力傳感器損壞所造成的試驗結果不可信的隱患。