吳奇兵

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司， 天津 300457）

防噴器吊作為防噴器的吊移裝置，可滿足海洋石油鉆修井作業(yè)對(duì)防噴器進(jìn)行安裝、檢修、拆卸的需求[1-6]。導(dǎo)軌梁是防噴器吊的主要承載結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度是確保防噴器吊安全運(yùn)行的重要保障。為分析某導(dǎo)軌梁在防噴器吊使用過(guò)程中的受力狀態(tài)，采用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。同時(shí)為了保證導(dǎo)軌梁在使用期間的安全運(yùn)行，從使用注意事項(xiàng)及載荷試驗(yàn)兩方面提出運(yùn)維措施。

1 防噴器吊概述

某型防噴器吊懸掛于鉆修機(jī)鉆臺(tái)下部，主要由左、右兩個(gè)導(dǎo)軌上的可獨(dú)立運(yùn)行的防噴器起吊裝置（兩臺(tái)）、液控操縱箱、液控管線（兩組）等組成。該防噴器吊采用液壓油為動(dòng)力，具有防爆特點(diǎn)。其主要功能為：吊裝單個(gè)防噴器進(jìn)行安裝或吊裝組合好的防噴器組進(jìn)行安裝，或使用單側(cè)起吊裝置單獨(dú)吊工具、輔助件等。由于其操作是通過(guò)遠(yuǎn)離防噴器的液壓操縱箱進(jìn)行，所以保證了防噴器安裝過(guò)程中人員的安全，具有操作簡(jiǎn)單、安全、可靠的特點(diǎn)。

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

該型防噴器吊主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 防噴器吊主要技術(shù)參數(shù)

圖1 防噴器吊結(jié)構(gòu)構(gòu)造

1.2 結(jié)構(gòu)與功能

防噴器吊起升用兩臺(tái)帶自鎖的250kN液壓環(huán)鏈葫蘆共同吊起防噴器，可以確保起吊的重物懸停在所需要的位置。左、右兩臺(tái)單獨(dú)的起吊裝置組合成防噴器吊移裝置，兩臺(tái)起吊裝置分別懸掛于鉆機(jī)鉆臺(tái)面下部的導(dǎo)軌上。移動(dòng)由兩臺(tái)單軌行車為主體，每臺(tái)行車用2臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。本機(jī)構(gòu)全部采用了平衡結(jié)構(gòu)，使負(fù)荷均勻分布在每個(gè)滾輪上，輪壓比較合理，以確保移動(dòng)的可靠性。本裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本裝置為液壓控制，驅(qū)動(dòng)為液力傳動(dòng)，由鉆修機(jī)液壓提供液壓動(dòng)力。每臺(tái)起吊裝置由起吊馬達(dá)作動(dòng)力的環(huán)鏈葫蘆、行走馬達(dá)作動(dòng)力的行車及液控系統(tǒng)組成。液壓油經(jīng)控制閥組后驅(qū)動(dòng)行車液壓馬達(dá)或升降液壓馬達(dá)，使行車往復(fù)行走或環(huán)鏈葫蘆升降。用操縱箱分別控制左行車、右行車移動(dòng)及左葫蘆、右葫蘆升降，以滿足防噴器整體或部分的吊移安裝。

2 導(dǎo)軌梁強(qiáng)度分析

2.1 模型建立

采用ABAQUS軟件進(jìn)行防噴器吊導(dǎo)軌梁受力分析。鑒于該結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算規(guī)模，采用1/2模型進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)忽略行車車輪等附屬結(jié)構(gòu)。最終模型由一根工字梁及5個(gè)焊接在其上翼緣的吊耳組成。

2.2 工況分析

由于防噴器吊在工作過(guò)程中，導(dǎo)軌梁承載位置會(huì)隨著行車的移動(dòng)而變化。為全面分析導(dǎo)軌梁可能承受的載荷，在此選取6個(gè)代表性的工作位置作為分析工況。各工況下行車所處具體位置示意圖見圖2。

圖2 防噴器吊導(dǎo)軌梁分析工況

2.3 邊界條件

由于防噴器吊所承受的載荷全部由行車滾輪傳遞到導(dǎo)軌梁上，因此最終施加在導(dǎo)軌梁上的載荷是行車輪壓載荷。加載時(shí)首先需要確定輪軌的接觸面積。

輪軌接觸面積采用如下公式計(jì)算[7-8]：

其中：c為輪壓載荷沿吊車梁跨度方向的支撐長(zhǎng)度，mm；P為輪壓集中載荷，N；R為車輪半徑，m；b為車輪寬度，m。

由圖3可知，行車滾輪半徑82mm，滾輪寬度50mm。從設(shè)計(jì)得知該防噴器吊行車滾輪單輪輪壓集中載荷62.5kN，依據(jù)公式（1）計(jì)算得出車輪支撐長(zhǎng)度c=2.25mm。

施加載荷時(shí)，在滾輪軸中心位置創(chuàng)建參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與導(dǎo)軌梁輪軌接觸面施加耦合約束，并對(duì)參考點(diǎn)施加向下的62.5kN的集中載荷，完成輪壓載荷的施加。將5個(gè)吊耳施加固支約束，工字梁剖面施加對(duì)稱約束，完成邊界條件的施加。有限元網(wǎng)格大小設(shè)置為12mm，單元類型為C3D8R，模型共計(jì)劃分74784個(gè)網(wǎng)格。

2.4 結(jié)果分析

將有限元模型按圖2所示6種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3 滾輪與導(dǎo)軌梁細(xì)部結(jié)構(gòu)

由圖4應(yīng)力分析結(jié)果可得，導(dǎo)軌梁受力大小與行車所處位置相關(guān)。行車所處位置導(dǎo)軌梁應(yīng)力水平遠(yuǎn)大于其他位置。

圖4 導(dǎo)軌梁整體應(yīng)力云圖

由圖5可見，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值195.3MPa，小于許用應(yīng)力206.59MPa，滿足強(qiáng)度要求。最大應(yīng)力出現(xiàn)在行車行至位置6處吊耳位置，這與吊耳是主要承載構(gòu)件且整體尺寸較薄有關(guān)。該處應(yīng)力較大，后續(xù)在使用及維保過(guò)程中要加強(qiáng)關(guān)注及檢驗(yàn)檢測(cè)。

由圖6位移分析結(jié)果可得，導(dǎo)軌梁變形大小同樣與與行車所處位置相關(guān)。行車所處位置導(dǎo)軌梁變形水平遠(yuǎn)大于其他位置。

圖5 行車行至位置6處導(dǎo)軌梁局部應(yīng)力云圖

圖6 導(dǎo)軌梁整體變形云圖

由圖7可見，最大變形值出現(xiàn)在行車行至位置5處，這與該位置遠(yuǎn)離吊耳約束較小有關(guān)，同樣與其處于結(jié)構(gòu)跨中位置撓度較大相吻合。變形量0.0146mm，遠(yuǎn)小于導(dǎo)軌梁跨度，說(shuō)明該導(dǎo)軌梁剛度較大。

3 導(dǎo)軌梁運(yùn)維安全措施

為確保防噴器吊導(dǎo)軌梁在使用過(guò)程中避免因結(jié)構(gòu)破壞而造成事故，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況采取必要的安全維保措施。

3.1 使用注意事項(xiàng)

圖7 行車行至位置5處導(dǎo)軌梁局部變形云圖

（1）外觀配套完整，結(jié)構(gòu)外觀無(wú)明顯缺陷，焊縫平整、均勻無(wú)脫層。

（2）在起吊重物過(guò)程中，禁止在起吊或下放操作時(shí)突然反向操作，避免損壞機(jī)件。

（3）在起吊作業(yè)中，嚴(yán)禁超負(fù)荷工作，確保人員和設(shè)備安全。

（4）在起吊作業(yè)中，如出現(xiàn)異常現(xiàn)象，應(yīng)立即停車進(jìn)行檢查。

（5）在移運(yùn)防噴器吊裝裝置時(shí)不準(zhǔn)翻滾，避免損壞機(jī)件。存放時(shí)應(yīng)避免日曬雨淋。

3.2 載荷試驗(yàn)

載荷試驗(yàn)是直觀地反映防噴器吊導(dǎo)軌梁的結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)，因此對(duì)評(píng)估防噴器導(dǎo)軌梁結(jié)構(gòu)性能具有指導(dǎo)意義。

（1）空載試驗(yàn)

左右行車分別前后移動(dòng)≤500mm，各2次，動(dòng)作應(yīng)靈活；左右行車同時(shí)前后移動(dòng)1000mm，共5次，動(dòng)作靈活，同步誤差小于5%（可轉(zhuǎn)換至單獨(dú)移動(dòng)補(bǔ)償）；左右行車分別升降≤500mm，各2次，升降靈活，剎車和限位可靠；左右行車同時(shí)升降500mm，共5次，同步誤差小于5%（可換至單獨(dú)升降補(bǔ)償）。升降靈活，剎車和限位可靠。

（2）負(fù)載試驗(yàn)（單邊載荷275kN）

左右行車分別前后移動(dòng)≤500mm，各2次；再同時(shí)前后移動(dòng)1000mm，共5次。要求：移動(dòng)平穩(wěn)，行車馬達(dá)溫升正常，行車減速箱無(wú)異聲，結(jié)構(gòu)件無(wú)永久變形和損壞，焊縫無(wú)開裂，連接處無(wú)松動(dòng)，油漆無(wú)脫落；左右行車分別升降≤500mm，各2次；再左右行車同時(shí)升降500mm，共5次。要求升降平穩(wěn)，提升葫蘆無(wú)異聲，結(jié)構(gòu)件無(wú)永久變形和損壞，焊縫無(wú)開裂，連接處無(wú)松動(dòng)，環(huán)鏈及吊鉤無(wú)裂紋，油漆無(wú)脫落。

4 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)防噴器吊導(dǎo)軌梁結(jié)構(gòu)有限元分析，可知結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿足要求。確定了不同工況下導(dǎo)軌梁的應(yīng)力及變形分布情況，對(duì)應(yīng)力及變形較大位置要在鉆修機(jī)檢驗(yàn)檢測(cè)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注。

（2）結(jié)合防噴器吊使用特點(diǎn)，提出了導(dǎo)軌梁運(yùn)維安全技術(shù)措施，可在使用過(guò)程中最大限度避免導(dǎo)軌梁因自身結(jié)構(gòu)造成的安全事故。

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