李晨，高成，彭輝，葉銳，周華妮，金澤秦

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

0 引言

液壓貓頭是鉆機(jī)的基礎(chǔ)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(yè)[1]。液壓驅(qū)動(dòng)使輸出轉(zhuǎn)矩可方便地根據(jù)管徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，與機(jī)械貓頭相比較，它不但減輕了鉆井工人的勞動(dòng)強(qiáng)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(yè)。隨著鉆井工業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)化鉆井工具在鉆機(jī)上得以應(yīng)用，各種形式的鐵鉆工已經(jīng)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(xiàn)在每套鉆機(jī)都將液壓貓頭配置齊全，并且在鉆機(jī)安裝完成后進(jìn)行液壓貓頭的各項(xiàng)功能試驗(yàn)。

1 液壓貓頭試驗(yàn)介紹

根據(jù)鉆機(jī)出廠要求，所有鉆機(jī)配套液壓貓頭在出廠前都必須進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)和載荷試驗(yàn)。液壓貓頭空運(yùn)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)預(yù)定的動(dòng)作。載荷試驗(yàn)是為了驗(yàn)證液壓貓頭、液壓源的性能，以及現(xiàn)場配焊的液壓貓頭座連接耳板的焊接強(qiáng)度。

進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，只需要啟動(dòng)液壓源、接通各控制管路即可完成。但是進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)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(dāng)油缸無法伸出時(shí)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(xiàn)在井場普遍采用的試驗(yàn)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(jī)大門立柱根部，操作液壓貓頭來完成載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中工作人員要扶住連接繩，防止繩索受力轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致傳感器連接插頭碰壞，并且還要隨時(shí)關(guān)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(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)過大門立柱被拉彎、立根臺(tái)前鋪臺(tái)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(xiǎn)狀況，雖未造成嚴(yán)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(yàn)方案，在方便現(xiàn)場使用的前提下減少工作人員的近距離操作，保證現(xiàn)場人員的安全，并且使試驗(yàn)結(jié)果更直觀。

2 液壓貓頭載荷試驗(yàn)改造方案

2.1 試驗(yàn)分析

根據(jù)鉆機(jī)試驗(yàn)大綱要求，液壓貓頭需進(jìn)行最大拉力為16 t的載荷試驗(yàn)，而載荷試驗(yàn)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?yán)Γ?）直接懸掛16 t配重，通過相應(yīng)的導(dǎo)繩裝置舉升配重。

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

2.2 難點(diǎn)分析

1）通過拉力傳感器來測試?yán)捅仨氃阢@機(jī)上尋找合適的固定點(diǎn)，該固定點(diǎn)應(yīng)當(dāng)足夠堅(jiān)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(jìn)行拉力試驗(yàn)就必須將液壓貓頭水平方向的出繩通過導(dǎo)向滑輪轉(zhuǎn)化為垂直方向的拉力，從而提升配重進(jìn)行試驗(yàn)。但是導(dǎo)向輪安裝位置必須具有足夠的強(qiáng)度，防止配重提升過程中鉆機(jī)部件的損壞。并且保證工裝與鉆臺(tái)面的固定可靠。

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場查看NDC鉆機(jī)鉆臺(tái)面及查閱其他各型號(hào)鉆機(jī)圖樣總結(jié)出液壓貓頭載荷試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)；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(jī)大門立柱上進(jìn)行試驗(yàn)；3）在轉(zhuǎn)盤上增加工裝，將液壓貓頭出繩導(dǎo)向到鉆臺(tái)面以下，通過懸掛配重、提升配重來實(shí)現(xiàn)載荷試驗(yàn)。

2.3.1 改進(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)。方案分析如下：

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

2）常規(guī)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(yīng)在7 m以上，否則將無法繃緊鋼絲繩產(chǎn)生拉力并完成試驗(yàn)。但是很多型號(hào)鉆機(jī)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(jī)司鉆房位置太靠近轉(zhuǎn)盤，液壓貓頭與大鉗尾繩樁間的連接繩與司鉆房房體會(huì)相干涉，導(dǎo)致試驗(yàn)困難。

綜上所述，將大鉗尾繩樁作為連接固定裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)對(duì)大鉗尾繩樁的位置要求較為嚴(yán)格，對(duì)于不同類型鉆機(jī)的兼容性較差。所以只能選擇其他方案進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3.2 改進(jìn)方案二

在轉(zhuǎn)盤上增加工裝，將液壓貓頭出繩導(dǎo)向到鉆臺(tái)面以下，通過懸掛配重、提升配重來實(shí)現(xiàn)載荷試驗(yàn)。

2.3.2.1 改進(jìn)方案分析

1）通過現(xiàn)場查看結(jié)合鉆井工具的使用選擇將導(dǎo)繩輪工裝固定在鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)銷軸孔上，液壓貓頭出繩繞過滑輪通過轉(zhuǎn)盤中心下放到鉆臺(tái)面以下，通過提升最大16 t的配重實(shí)現(xiàn)載荷試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)工裝安裝在轉(zhuǎn)盤上，可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤鎖定導(dǎo)向輪的方向來適應(yīng)各種液壓貓頭座方向偏轉(zhuǎn)的情況。

2.3.2.2 工裝設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)工裝利用工裝下部的連接銷將其固定在轉(zhuǎn)盤上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)銷孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)抵抗試驗(yàn)時(shí)向后作用力的目的。

為了降低工裝高度、減輕工裝質(zhì)量、方便運(yùn)輸和使用，根據(jù)液壓貓頭水平出繩高度在800 mm左右，上部導(dǎo)向滑輪外徑設(shè)計(jì)為φ500 mm，工裝安裝在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤上

2.3.2.3 工裝關(guān)鍵件校核

1）連接銷軸強(qiáng)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(jìn)行校核計(jì)算，單個(gè)中間銷軸受力大小為Q=80 kN，安全系數(shù)ns=3；連接銷軸材料為35CrMo，σs=540 MPa。則許用應(yīng)力[σ]=σs/ns=180 MPa；許用剪應(yīng)力[τ]=0.58×[σ]=104.4 MPa；連接銷軸剪應(yīng)力τ=Q/S=29.64 MPa。計(jì)算可知：τ<[τ]，連接銷軸抗剪切強(qiáng)度滿足要求。

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

3）滑輪軸強(qiáng)度校核計(jì)算。當(dāng)液壓貓頭出繩點(diǎn)位置最低時(shí)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(shù)ns=3[3]。則許用應(yīng)力[σ]=σs/ns=180 MPa；許用剪應(yīng)力[τ]=0.58[σ]=104.4 MPa；滑輪軸剪應(yīng)力τ=Q/S=11.3 MPa。計(jì)算可知：τ<[τ]，滑輪軸抗剪切強(qiáng)度滿足要求。

4）導(dǎo)向滑輪強(qiáng)度校核。導(dǎo)向滑輪選用鑄造實(shí)心滑輪，由于直徑較小，其強(qiáng)度主要取決于鑄造工藝條件，此處無需進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3 工裝在現(xiàn)場的使用

1）試驗(yàn)時(shí)先將工裝安裝在轉(zhuǎn)盤上，然后根據(jù)液壓貓頭的位置和偏轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤補(bǔ)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(zhuǎn)盤中心導(dǎo)向到鉆臺(tái)面下。

3）將配重懸掛在液壓貓頭出繩上，調(diào)整繩索長度使繩索基本處于繃緊狀態(tài)。

4）操作手柄，使液壓貓頭提升配重，然后按要求進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 液壓貓頭載荷試驗(yàn)方式示意

4 結(jié)語

鉆機(jī)液壓貓頭載荷試驗(yàn)一直以來都被視為鉆機(jī)組裝試驗(yàn)中參與人員較多、危險(xiǎn)性較大的試驗(yàn)內(nèi)容，并且試驗(yàn)結(jié)果還時(shí)常遭到監(jiān)造人員的質(zhì)疑。使用新工裝后最大限度地減少了試驗(yàn)過程中對(duì)操作人員造成傷害的不安全因素，并且新試驗(yàn)方案還具有以下幾方面的特點(diǎn)：1）新工裝適用于所有類型帶轉(zhuǎn)盤的鉆機(jī)，對(duì)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(tái)拉翻、損壞的安全隱患，減少操作人員在危險(xiǎn)區(qū)域的停留，極大地降低液壓貓頭載荷試驗(yàn)的危險(xiǎn)性。3）新工裝使用后使試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果不可信的隱患。