關(guān)雙會(huì)，鹿海田，于 雷，綦耀光，余焱群

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津300452；2.西南石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，成都610500；3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452；4.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580）①

海洋修井機(jī)應(yīng)力測(cè)試加載裝置設(shè)計(jì)

關(guān)雙會(huì)1，2，鹿海田1，于 雷3，綦耀光4，余焱群4

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津300452；2.西南石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，成都610500；3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452；4.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266580）①

針對(duì)海洋修井機(jī)檢測(cè)時(shí)需對(duì)井架和底座同時(shí)加載的要求，設(shè)計(jì)了專用的海洋修井機(jī)應(yīng)力測(cè)試加載裝置。介紹了裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了力學(xué)分析和強(qiáng)度校核?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：該加載裝置安裝方便快捷，加載穩(wěn)定可靠，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

海洋修井機(jī)；加載裝置；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及有關(guān)石油鉆修井類設(shè)備在海洋石油生產(chǎn)中使用的規(guī)范和相關(guān)管理部門的要求［1-3］，海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)配套的固定式海洋鉆修井設(shè)備的井架、底座（包括上底座總成和下底座總成）每3 a要進(jìn)行1次檢測(cè)。對(duì)于前次評(píng)定的井架承載能力為設(shè)計(jì)能力60%～85%的井架，應(yīng)每2 a進(jìn)行1次檢測(cè)。檢測(cè)評(píng)定方法中以承載能力試驗(yàn)為主，使用情況調(diào)查和井架外觀檢查為輔的評(píng)定原則［4-6］。

現(xiàn)有測(cè)試加載方法均不能對(duì)井架和底座實(shí)現(xiàn)同時(shí)加載［7］，為了進(jìn)一步完善海洋修井機(jī)整體主要結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力測(cè)試檢驗(yàn)工作，基于海洋石油平臺(tái)工作環(huán)境及海洋修井機(jī)結(jié)構(gòu)情況［8］，設(shè)計(jì)了1套海上修井機(jī)應(yīng)力測(cè)試加載裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要結(jié)構(gòu)件同時(shí)施加外部測(cè)試載荷。

1 總體設(shè)計(jì)

海洋修井機(jī)應(yīng)力測(cè)試加載裝置主要由平臺(tái)加載機(jī)構(gòu)主體、索具測(cè)量組件2部分組成。圖1為平臺(tái)加載機(jī)構(gòu)主體，圖2為索具測(cè)量組件。

平臺(tái)加載裝置主體安裝于平臺(tái)井口蓋之上，通過(guò)4個(gè)外伸液壓缸，利用外伸臂總成分別將4個(gè)導(dǎo)軌夾具機(jī)構(gòu)安裝在導(dǎo)軌上，縱向錯(cuò)開修井機(jī)滑靴，采用可調(diào)節(jié)剛性結(jié)構(gòu)支撐并固定，如圖1所示。

圖1 平臺(tái)加載機(jī)構(gòu)主體

4個(gè)加載夾具機(jī)構(gòu)通過(guò)卸扣與4條測(cè)量吊帶相連，每條吊帶均安裝無(wú)線應(yīng)力測(cè)試儀，構(gòu)成4路測(cè)量信號(hào)，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(guò)主索具組的雙向作用液壓缸的活塞桿回縮來(lái)給加載夾具機(jī)構(gòu)加載，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)修井機(jī)井架和底座結(jié)構(gòu)同時(shí)加載的目的，如圖2所示。

圖2 索具測(cè)量組件構(gòu)成

海上平臺(tái)修井機(jī)應(yīng)力測(cè)試整體加載裝置設(shè)計(jì)的主要技術(shù)和性能參數(shù)如表1所示。加載裝置主體機(jī)構(gòu)采用可伸縮式結(jié)構(gòu)，應(yīng)力測(cè)試采用無(wú)線拉力傳感器。

表1 加載裝置主要性能設(shè)計(jì)參數(shù)

2 主體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)加載機(jī)構(gòu)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(shí)，保證滑軌以及平臺(tái)其他構(gòu)件不受損傷。平臺(tái)加載機(jī)構(gòu)主體是該測(cè)試加載裝置的關(guān)鍵部件及主要結(jié)構(gòu)。

2.1 受力分析

主體機(jī)構(gòu)單個(gè)加載吊耳主要承受4個(gè)方向的力，即測(cè)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(tái)滑軌的作用反力，如圖3所示。

圖3 加載夾具機(jī)構(gòu)受力分析

基于整體機(jī)構(gòu)受力平衡，得到的靜力學(xué)方程為

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

按照設(shè)計(jì)要求，最大鉤載500 k N時(shí)導(dǎo)軌縱向最大受力為162 k N，導(dǎo)軌橫向最大受力為242 k N；取導(dǎo)軌縱向承載165 k N，橫向承載245 k N作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.2 水平橫向支撐機(jī)構(gòu)

平臺(tái)修井機(jī)導(dǎo)軌橫向跨距變化為7.5～14.0 m，采用液壓缸和擴(kuò)充節(jié)組合可實(shí)現(xiàn)伸縮調(diào)節(jié)。水平橫向支撐機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由外伸臂總成、液壓缸總成、擴(kuò)充節(jié)等組成。

圖4 水平橫向支撐機(jī)構(gòu)

水平橫向支撐機(jī)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)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(jì)算，橫向設(shè)計(jì)最大載荷為245 k N。

則橫向最大穩(wěn)定長(zhǎng)度為

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

修井機(jī)應(yīng)力測(cè)試加載裝置目標(biāo)平臺(tái)導(dǎo)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(qiáng)度要求。

2.3 水平縱向支撐機(jī)構(gòu)

為減輕裝置整機(jī)質(zhì)量以及便于安裝、加強(qiáng)穩(wěn)定性，且水平縱向上導(dǎo)軌夾具機(jī)構(gòu)必須錯(cuò)開修井機(jī)滑靴位置，并且實(shí)際和理論上縱向跨距不像橫向尺寸要求嚴(yán)格，因此縱向支撐采用可調(diào)節(jié)剛性結(jié)構(gòu)錯(cuò)接形式，兩端分別與水平橫向支撐結(jié)構(gòu)連接，其調(diào)節(jié)形式如圖5所示。

圖5 縱向?qū)к壗M合模式

據(jù)此，設(shè)計(jì)中選用20號(hào)槽鋼，Q235材質(zhì)，縱向設(shè)計(jì)最大載荷為165 k N?；诓牧狭W(xué)應(yīng)力計(jì)算公式［9］，得壓應(yīng)力為

式中：F1為縱向最大載荷，k N；S1為20號(hào)槽鋼截面積，mm2。

則安全系數(shù)為式中：n1為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)；σs為Q235材料屈服極限，MPa；σ1為縱向支撐結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力，MPa。

上述計(jì)算表明，縱向支撐機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 導(dǎo)軌夾具機(jī)構(gòu)

導(dǎo)軌夾具機(jī)構(gòu)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(jìn)入設(shè)計(jì)所提供的平臺(tái)滑軌最小尺寸要求。導(dǎo)軌夾具機(jī)構(gòu)主要由夾具體本體、提升調(diào)整螺栓、支撐旋轉(zhuǎn)軸、夾緊固定螺栓、夾具體上部結(jié)構(gòu)等組成，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)軌夾具機(jī)構(gòu)

外伸臂進(jìn)入修井機(jī)導(dǎo)軌，向?qū)к壷行囊苿?dòng)使夾具體本體靠緊導(dǎo)軌立板。調(diào)整前后對(duì)稱方向上的2個(gè)提升調(diào)整螺栓，抬高夾具體本體，頂住修井機(jī)導(dǎo)軌；夾具體上部結(jié)構(gòu)繞著支撐旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到圖示位置，緊固螺栓即可（結(jié)構(gòu)前后對(duì)稱）。

夾具機(jī)構(gòu)接觸面承受的載荷F2為125 k N，設(shè)計(jì)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(xué)理論［9］，得到接觸應(yīng)力為

式中：F2為結(jié)構(gòu)接觸載荷，k N；S2為結(jié)構(gòu)接觸面積，mm2。

接觸安全系數(shù)為

式中：n2為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)；σ2為結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力，MPa。

剪切應(yīng)力為

剪切安全系數(shù)為

式中：［τ］為Q235材料許用剪切應(yīng)力，MPa；τ為結(jié)構(gòu)承受剪切應(yīng)力，MPa。

由上述計(jì)算結(jié)果，表明夾具機(jī)構(gòu)接觸面的接觸強(qiáng)度及局部剪切強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)陸地試驗(yàn)后，海洋修井機(jī)應(yīng)力加載裝置在BZ29-4 WHPA平臺(tái)HXJ90型修井機(jī)上得到應(yīng)用。BZ29-4平臺(tái)HXJ90型修井機(jī)導(dǎo)軌跨距為11 m，修井機(jī)支撐腿滑靴之間的距離為4 m。所設(shè)計(jì)加載裝置在海上現(xiàn)場(chǎng)與所需測(cè)試修井機(jī)連接后，為修井機(jī)井架及上下底座主體結(jié)構(gòu)同時(shí)施加了所需的模擬載荷，應(yīng)用效果良好，海上平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況如圖7所示。

圖7 HXJ90型修井機(jī)井架底座整體加載現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)海上平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，表明所設(shè)計(jì)的海洋修井機(jī)應(yīng)力測(cè)試加載裝置安裝快捷方便，加載連續(xù)穩(wěn)定，整體設(shè)備安全可靠，完全能夠滿足海洋修井機(jī)的井架和底座同時(shí)加載的試驗(yàn)要求。

［1］ 王紫陽(yáng)，楊本靈，胡建啟，等.井架和底座承載能力測(cè)試及安全性評(píng)估方法［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（6）：88-90.

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［9］ 呂英民，陳海亮.材料力學(xué)［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)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(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAH26F04）

關(guān)雙會(huì)（1975-），男，滿族，黑龍江寧安人，高級(jí)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.