王汝澤，王世剛，閆家振，劉付貴，劉翠潔，宋 超

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，山東 青島266500)

吊卡作為石油鉆采的關鍵裝備之一，其主要作用是用于起下鉆作業(yè)。在未引進國外公司的液壓吊卡之前，國內(nèi)鉆井作業(yè)一直采用手動機械式吊卡。手動吊卡為全手工操作，工人勞動強度大，工作安全性不能夠保證，工作效率低下，嚴重制約了鉆井效率，制約了我國自動化鉆井裝備水平[1-8]。國外的全自動液壓吊卡能夠完全解決上述問題。液壓吊卡全自動化操作，安全性能極高，產(chǎn)品設計緊湊，占地面積小，承載能力強，工作效率大幅提高，應用前景十分廣闊，是國內(nèi)外研究開發(fā)的重點，也是未來吊卡技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[9]。

蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司通過對液壓吊卡結(jié)構(gòu)分析，計算優(yōu)化及試驗驗證，成功研制了3 150 kN液壓吊卡，解決了國內(nèi)鉆井平臺鉆井設備受制于人的局面， 推動了海洋鉆井平臺鉆井裝備自動化的步伐。

1 技術(shù)分析

液壓吊卡作為重要的石油鉆采裝備，主要作用是實現(xiàn)起下鉆作業(yè)，其主要分為機械部分和液壓系統(tǒng)。

1.1 機械結(jié)構(gòu)

機械結(jié)構(gòu)由機身、左活門、右活門、鎖舌、補芯、連桿機構(gòu)、補芯鎖緊機構(gòu)及鎖舌鎖緊機構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-機身；2-左活門；3-連桿機構(gòu)；4-鎖舌鎖緊機構(gòu)；5-鎖舌；6-補芯鎖緊機構(gòu)；7-右活門；8-補芯。圖1 液壓吊卡機械部分示意

1.1.1 連桿機構(gòu)

連桿機構(gòu)(如圖2)由連桿支架、活門連桿、鎖舌

1-連桿支架；2-鎖舌連桿1；3-圓盤；4-鎖舌連桿2；5-活門連桿。圖2 連桿機構(gòu)

連桿1、鎖舌連桿2、圓盤等組成。液缸的伸縮帶動連桿支架的旋轉(zhuǎn)，通過活門連桿可推動左右活門的開合，通過鎖舌連桿完成鎖舌的鎖緊。

1.1.2 補芯鎖緊機構(gòu)

為適應不同尺寸和型號的鉆具，補芯更換較為頻繁，補芯鎖緊機構(gòu)的應用，可實現(xiàn)快速安全的更換補芯，補芯鎖緊機構(gòu)是運用帶有彈簧的銷子的伸縮，以便進行快速安裝和拆卸補芯，更換方便，安全高效。如圖3所示。

圖3 補芯鎖緊機構(gòu)

1.1.3 鎖舌鎖緊機構(gòu)

鎖舌鎖緊機構(gòu)由鎖緊銷、自鎖連桿、推桿、壓縮彈簧等組成。管柱重力作用在補芯上，補芯下壓，補芯的下邊緣推動推桿，通過自鎖連桿推動鎖緊銷伸出，鎖緊鎖舌。當移除補芯上的管柱后，壓縮彈簧伸長，鎖緊銷縮回，推動推桿和補芯上移，鎖舌鎖緊機構(gòu)解鎖。如圖4所示。

1-補芯；2-推桿；3-自鎖連桿；4-鎖緊銷；5-壓縮彈簧；6-鎖舌；7-右活門圖4 鎖舌鎖緊機構(gòu)

1.2 液壓系統(tǒng)

高度集成的機械結(jié)構(gòu)主要由液壓系統(tǒng)控制完成各動作。液壓系統(tǒng)主要由集成閥塊、活門液缸、鎖舌液缸、鎖緊閥塊等組成。液壓系統(tǒng)置于機身后部，使管線得到最大程度的保護，同時又易于系統(tǒng)的常規(guī)維護保養(yǎng)。如圖5所示。

1-集成閥塊；2-鎖舌液缸；3-活門液缸；4-鎖緊閥塊 圖5 液壓吊卡液壓系統(tǒng)組成

1.2.1 工作原理

液壓吊卡有4個油口與頂驅(qū)的液壓系統(tǒng)連接，分別為主油路供油口和吊卡門鎖打開控制油口、回油口、鎖緊反饋油口。集成閥塊是整個液壓吊卡的控制中心，內(nèi)部有內(nèi)置液缸、觸碰機構(gòu)、觸碰機構(gòu)二位三通換向閥、主油路三位四通換向閥、旁油路二位三通換向閥、鎖緊反饋二位二通換向閥和多個液控單向閥。鎖舌油缸和活門油缸都有一個反饋油口，用于接通集成閥塊內(nèi)部的液控單向閥。

1) 關門動作原理。

啟動液壓系統(tǒng)，主油路供油口始終有壓力油。主油路三位四通換向閥處于中位，當管具進入吊卡，管具依靠重力和慣性觸碰到補芯，將補芯沿周向撐開，補芯推動觸碰銷，觸碰銷推動觸碰機構(gòu)二位三通換向閥置于左位接通，主油路三位四通換向閥左位接通，主油路進油，推動內(nèi)置油缸伸出，將觸碰機構(gòu)二位三通換向閥鎖定在左位接通狀態(tài)，同時主油路推動活門油缸伸出，活門關閉?；铋T關閉后，活門油缸反饋油口有壓力油進入集成閥塊，使鎖舌油缸進油回路的液控單向閥和鎖緊閥塊油路的液控單向閥都接通，主油路的壓力油進入鎖舌油缸，油缸伸出，鎖舌扣緊活門，鎖舌到位后，鎖舌油缸反饋油口有壓力油進入集成閥塊，使鎖緊閥塊油路的液控單向閥接通。同時鎖舌會觸發(fā)鎖緊閥塊，在活門油缸和鎖舌油缸都完全關閉，并且鎖緊閥塊油路上2個液控單向閥都接通的情況下，鎖緊反饋二位二通換向閥右位才會接通，鎖緊反饋油口有壓力油輸出，壓力油進入頂驅(qū)液壓系統(tǒng)，然后轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至司鉆房，工作人員即可判定吊卡鎖緊到位。司鉆工作人員將管具重力作用在補芯上時，被頂銷頂起的補芯下移，推動鎖舌鎖緊機構(gòu)鎖緊鎖舌，起到機械保護的作用。

2) 開門動作原理。

當管具重力不作用在吊卡上時，鎖舌鎖緊機構(gòu)在彈簧的作用下頂起補芯，鎖舌銷縮回，鎖舌鎖緊機構(gòu)解鎖。主油路供油口始終有壓力油，吊卡門鎖打開控制油口進油，旁油路二位三通換向閥置于左位接通，主油路三位四通換向閥返回中位，主油路反向接通，內(nèi)置液缸縮回，觸碰機構(gòu)在彈簧組的作用下返回初始位置，觸碰機構(gòu)二位三通換向閥置于右位斷開。此時換向閥移至右位，主油路仍然處于反向接通狀態(tài)，鎖舌油缸縮回，鎖舌油缸反饋油路壓力油進入集成閥塊，活門油缸油路液控單向閥接通，活門油缸縮回。鎖舌解鎖左右活門后，鎖緊閥塊內(nèi)置鎖緊反饋二位二通換向閥移至左位斷開，鎖緊反饋油口無壓力油輸出，司鉆即可判斷吊卡已解鎖。

1.3 基本參數(shù)

液壓吊卡的基本參數(shù)如表1所示。

表1 液壓吊卡基本參數(shù)

2 有限元分析

ANSYS Workbench是具備強大的CAD雙向參數(shù)鏈接互動、無縫集成的設計工具，以及全面的參數(shù)管理、項目數(shù)據(jù)自動更新機制，使得ANSYS在“仿真驅(qū)動產(chǎn)品設計”方面達到了前所未有的高度。結(jié)構(gòu)靜力學分析作為有限元分析中最簡單、最基礎，同時也是工程設計計算中最常用的分析方法，完美契合了Workbench強大的CAD交互模式，其計算結(jié)果的正確性早已經(jīng)得到了工程界的一致認同[10-13]。

基于此，本計算采用ANSYS Workbench 15.0有限元分析軟件，對液壓吊卡主體結(jié)構(gòu)進行靜強度分析。

2.1 材料特性

液壓吊卡主體選用蘭石集團特制的高合金鑄鋼鑄造成型，其主要材料力學性能如表2所示。由于結(jié)構(gòu)整體均采用彈性設計，故對于其材料的塑性特性不作說明[14]。

表2 材料力學性能

材料拉伸特性如表3所示。

表3 材料拉伸特性

2.2 安全系數(shù)

液壓吊卡作為鉆井提升設備，設計須符合API Spec 8C《鉆井和采油提升設備規(guī)范》[15]的要求，API Spec 8C中對提升設備的設計安全系數(shù)的要求，如表4所示。

表4 提升設備設計安全系數(shù)

液壓吊卡的額定載荷為3 150 kN，通過計算可得液壓吊卡的設計安全系數(shù)為2.57。

2.3 結(jié)構(gòu)有限元分析

液壓吊卡主體結(jié)構(gòu)三維模型經(jīng)Solidworks初步處理后導入有限元軟件ANSYS workbench15.0進行結(jié)構(gòu)靜強度分析。分析過程中，對結(jié)構(gòu)進行細節(jié)處理，去除不影響結(jié)構(gòu)強度的附屬結(jié)構(gòu)件和細小特征。所有結(jié)構(gòu)計算均采用實體單元。

2.3.1 有限元網(wǎng)格

由于模型結(jié)構(gòu)不規(guī)則，無法劃分規(guī)則的六面體網(wǎng)格，故對整體結(jié)構(gòu)均劃分為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖6所示，整體網(wǎng)格控制大小為7 mm，節(jié)點數(shù)量為663 799，單元數(shù)量為3 498 700。

圖6 有限元模型

2.3.2 邊界條件

載荷及約束條件施加如圖7所示。

圖7 邊界條件及加載

載荷約束：A為結(jié)構(gòu)設備自重；B、C為吊環(huán)對吊耳的約束，采用遠端約束形式，D、E、F、G為工作載荷。

活門與機身、左右連接塊與機身、鎖舌與右活門、補芯與機身、活門之間的銷軸連接均用轉(zhuǎn)動副替代，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)動副

2.3.3 應力分析

根據(jù)API 8C標準，吊卡安全系數(shù)為SFD=2.57，彈性理論下，其許用應力為：

整體Mises應力云圖如圖9所示。

圖9 吊卡整體Mises應力云圖

由圖9可知，有限元分析結(jié)果中最大應力為630 MPa，應力未超過材料屈服強度，即材料不會產(chǎn)生塑性變形；且最大應力出現(xiàn)在銷孔邊緣剛性接觸部位，本身可以忽略，即實際有效最大應力應該小于630 MPa。下面進一步進行吊卡主受力各部件Mises應力結(jié)果分析。

吊卡機身結(jié)構(gòu)Mises應力云圖如圖10所示。

圖10 機身結(jié)構(gòu)Mises應力云圖

由圖10可知，吊卡機身結(jié)構(gòu)中間部位以及吊耳弧面處存在應力梯度較高的高應力區(qū)。

對高應力區(qū)截面進行進一步分析，吊卡機身結(jié)構(gòu)中間截面應力提取及顯示如圖11所示。

圖11 機身結(jié)構(gòu)Mises應力云圖

由圖11可知，中間截面平均應力為149.05 MPa<268.5 MPa，根據(jù)API 8C標準強度分析部分，接觸面和平均應力大于許用應力的高應力截面應使用塑性分析。其規(guī)定許用應力為：

經(jīng)截面數(shù)據(jù)提取，通過Matlab數(shù)據(jù)處理，對于超過平均應力149.05 MPa的截面區(qū)域進行平均應力計算，得到其平均應力為266.12 MPa<309.34 MPa，滿足API 8C規(guī)定。

吊卡吊耳弧面部位截面應力提取及顯示如圖12所示。

圖12 吊耳弧面截面Mises應力云圖

由圖12可知，吊耳弧面部位截面平均應力為178.68 MPa<268.5 MPa，根據(jù)API 8C標準強度分析部分，接觸面和平均應力大于許用應力的高應力截面應使用塑性分析。

經(jīng)截面數(shù)據(jù)提取，通過Matlab數(shù)據(jù)處理，對于超過平均應力178.68 MPa的截面區(qū)域進行平均應力計算，得到其平均應力為228.9 MPa<309.34 MPa，滿足API 8C規(guī)定。

吊卡左右活門Mises應力云圖如圖13所示。

圖13 左右活門Mises應力云圖

由圖13可知，左右活門最大應力出現(xiàn)在軸孔邊緣接觸部位，分析中予以忽略。除去該部位，其余部分應力較高部位均在196～232 MPa，結(jié)果表明，左右活門設計強度滿足API 8C的要求。

綜上所述，液壓吊卡結(jié)構(gòu)設計強度滿足API 8C的要求。

3 試驗驗證

為了驗證全新設計生產(chǎn)的液壓吊卡的使用功能能否滿足設計要求，并對前文液壓吊卡的有限元分析結(jié)果進行驗證，通過蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司井場提升設備試驗平臺特制的液壓吊卡試驗裝置，對液壓吊卡進行了功能試驗和載荷試驗。

3.1 功能試驗

功能試驗中，將液壓吊卡液壓接口與液壓站連接，通過液壓站控制液壓吊卡的活門液缸和鎖舌液缸的伸縮，完成液壓吊卡左右活門的開合及鎖舌的鎖緊動作。

現(xiàn)場試驗時，液壓吊卡處于完全打開的狀態(tài)，當試驗管具進入吊卡后，活門液缸伸出，活門液缸通過活門連桿機構(gòu)，推動左右活門關閉，活門關閉后，鎖舌液缸開始伸出，鎖舌液缸通過鎖舌連桿機構(gòu)推動鎖舌旋轉(zhuǎn)，鎖緊左右活門。試驗管具下放，當載荷完全作用在液壓吊卡上時，鎖舌鎖緊機構(gòu)動作，鎖緊鎖舌，以防止鎖舌的意外脫出，起到了安全防護的作用。反向操作時，提升管具，鎖舌鎖緊機構(gòu)解鎖，鎖舌液缸縮回，鎖舌連桿機構(gòu)帶動鎖舌旋轉(zhuǎn)，解鎖左右活門，鎖舌打開后，活門液缸縮回，通過活門連桿機構(gòu)帶動左右活門打開。

通過功能試驗，本吊卡完全能夠?qū)崿F(xiàn)設計的各項功能。

3.2 載荷試驗

根據(jù)API Spec 8C《鉆井和采油提升設備規(guī)范》中9.8.3條款要求“每臺吊卡必須按8.6.2條款進行保證載荷試驗”，以驗證產(chǎn)品的安全性。驗證內(nèi)容包括：

1) 試驗后拆檢所有零部件，經(jīng)宏觀檢查均無屈服現(xiàn)象，所有零部件保持原有各項功能。

2) 驗證關鍵零部件是否滿足設計要求，試驗完畢后對主要零部件按圖紙要求進行表面無損檢測。

3.2.1 試驗載荷確定

按API SPEC.8C規(guī)范8.6.2條款要求，應施加設備1.5倍的額定載荷并保持至少5 min。在裝配套管補芯的情況下，其額定工作載荷為3 150 kN，試驗載荷為4 750 kN。

3.2.2 試驗前準備

在現(xiàn)有拉力試驗架的基礎上，設計連接鉤桿等試驗零件，按照設計圖紙組裝試驗裝置，如圖14所示。

3.2.3 試驗步驟

1) 將整套裝置按圖14要求連接固定，手動關閉吊卡活門及鎖舌。

2) 啟動試驗機液壓站，壓力值達到5 MPa，將整套試驗裝置預緊，檢查零部件連接情況，如有松動，需重新安裝固定。

3) 啟動試驗機液壓站，按表1規(guī)定的壓力值逐級加載，過程中每級穩(wěn)壓2 min，當加載到4 750 kN時，穩(wěn)壓5 min。

表5 載荷數(shù)值對應的壓力表讀數(shù)

拉力試驗后拆卸吊卡，對關鍵零部件按圖紙要求進行無損檢測，液壓吊卡主結(jié)構(gòu)無裂紋等損傷。

圖14 液壓吊卡載荷試驗裝置

功能試驗和載荷試驗表明，液壓吊卡具有設計的各項使用功能，設計強度滿足使用要求，同時驗證了液壓吊卡有限元分析結(jié)果的正確性。本液壓吊卡滿足設計和使用的要求。

4 結(jié)論

1) 液壓吊卡嚴格按照API 8C規(guī)范的要求進行設計、生產(chǎn)、制造、試驗。通過對液壓吊卡主要結(jié)構(gòu)進行有限元分析計算，功能試驗和載荷試驗，驗證了有限元分析計算的正確性，同時驗證了液壓吊卡各項功能運行正常。各項數(shù)據(jù)表明，此液壓吊卡滿足現(xiàn)場使用要求。

2) 液壓吊卡主要受力部件的主受力區(qū)是疲勞、裂紋、斷裂的主發(fā)生區(qū)，應該是無損檢測的重點檢查部分，同時也是設計、生產(chǎn)時主要關注的部分。以前該類型吊卡發(fā)生失效的部分，基本都是本次有限元分析的高應力區(qū)域，這也從側(cè)面印證了有限元分析的正確性。

3) 該液壓吊卡結(jié)構(gòu)緊湊，自動化程度高，使用安全可靠。