鉆機(jī)鉤載靜負(fù)荷試驗(yàn)裝置的研制

羅強(qiáng) ，張?jiān)?，趙佳佳 ，葉銳 ，王雨豪 ，李瑞東

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

0 引言

鉆機(jī)鉤載靜負(fù)荷試驗(yàn)是根據(jù)鉆機(jī)井架、底座的級(jí)別，模擬現(xiàn)場(chǎng)工況通過(guò)試驗(yàn)裝置對(duì)鉆機(jī)井架、底座施加垂直向下、最大為鉆機(jī)最大鉤載值的靜負(fù)荷實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)API規(guī)范和產(chǎn)品出廠要求，石油鉆機(jī)制造時(shí)必須對(duì)新型結(jié)構(gòu)或有重大結(jié)構(gòu)、材料改變的鉆機(jī)底座、井架進(jìn)行額定鉤載的靜負(fù)荷試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證鉆機(jī)主體結(jié)構(gòu)承載能力和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)也能對(duì)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)、為鉆機(jī)主體結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算和有限元分析結(jié)果提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期對(duì)多種結(jié)構(gòu)型式的鉆機(jī)進(jìn)行靜負(fù)荷試驗(yàn)的總結(jié)和分析，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型的底梁式鉆機(jī)鉤載靜負(fù)荷試驗(yàn)裝置，該裝置能夠適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)形式鉆機(jī)的井架和底座，兼容多種級(jí)別鉆機(jī)的額定鉤載，并且與原有地錨式鉆機(jī)鉤載靜負(fù)荷試驗(yàn)裝置相比具有整體尺寸較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、試驗(yàn)井口地基建設(shè)費(fèi)用低等特點(diǎn)。

1 底梁式鉆機(jī)靜負(fù)荷試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 底梁式鉆機(jī)靜負(fù)荷試驗(yàn)裝置方案設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)裝置將承載底梁和放置在其上的試驗(yàn)鉆機(jī)組成一個(gè)整體，然后通過(guò)加載油缸的伸縮來(lái)施加試驗(yàn)負(fù)荷[3]。井架負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)載荷通過(guò)試驗(yàn)連接件和鉆機(jī)游吊系統(tǒng)將載荷傳遞到鉆機(jī)井架主體上；底座負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)載荷通過(guò)試驗(yàn)連接件和轉(zhuǎn)盤梁傳遞到鉆機(jī)底座主體上，具體安裝方式如圖1所示。

圖1 底梁式鉆機(jī)靜負(fù)荷試驗(yàn)裝置使用示意圖

該試驗(yàn)裝置將鉆機(jī)懸掛的外力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為鉆機(jī)主體和承載底梁構(gòu)成的內(nèi)力系統(tǒng)，從而降低了鉆機(jī)靜負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)對(duì)試驗(yàn)井口周圍地基承載能力的要求，提高了鉆機(jī)試驗(yàn)井口對(duì)大載荷鉆機(jī)靜負(fù)荷試驗(yàn)的兼容性。并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期對(duì)多種鉆機(jī)底座開(kāi)檔尺寸的統(tǒng)計(jì)和分析（如表1），將承載底梁總體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為15 m，該長(zhǎng)度的承載底梁對(duì)底座開(kāi)檔在6～14 m范圍內(nèi)的各種形式鉆機(jī)具有良好的兼容性，極大地提高了靜負(fù)荷試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

表1 鉆機(jī)底座參數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由加載控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。

加載控制系統(tǒng)由液壓站、管路、操作箱組成，用于為加載油缸提供足夠的液壓動(dòng)力源和控制加載油缸的伸縮。操作箱內(nèi)安裝高精度調(diào)壓及控制閥組，便于試驗(yàn)人員根據(jù)鉆機(jī)級(jí)別調(diào)整液壓源壓力，從而精確控制試驗(yàn)載荷。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能是試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)油壓值、載荷值、重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集；試驗(yàn)完成后生成試驗(yàn)報(bào)告，便于設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)、深入的分析。

1.3 承載底梁

承載底梁（如圖2）作為試驗(yàn)裝置的主要承載部件和內(nèi)力轉(zhuǎn)化部件，選用承載能力大、抗彎能力強(qiáng)的箱型梁結(jié)構(gòu)，中間連接耳座貫穿整個(gè)梁體用于加載油缸的連接；為了減小承載底梁主體上的局部應(yīng)力、增大與鉆機(jī)底座下表面的接觸面積，將承載底梁上表面的兩端設(shè)計(jì)成啞鈴型，外伸部分由筋板支撐，然后通過(guò)調(diào)整墊塊增加外伸翼板處的強(qiáng)度和剛度，保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

圖2 承載底梁及調(diào)整墊塊

承載底梁建成后整體放置在試驗(yàn)井口地坑內(nèi)，保證調(diào)整墊塊上表面與周圍地基表面平齊。同時(shí)為了避免加載油缸使用時(shí)的頻繁拆裝，盡量減小加載油缸的整體長(zhǎng)度，保證未進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)能夠倒放在承載底梁上且油缸外殼不高于試驗(yàn)井口周圍的地基，蓋上蓋板即可恢復(fù)鉆機(jī)試驗(yàn)井場(chǎng)的平整，不影響其它鉆機(jī)擺放和車輛通行。

1.4 加載油缸

由表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，鉆深為4000～9000 m的鉆機(jī)額定鉤載為2250～6750 kN，為了滿足多種鉆機(jī)靜負(fù)荷試驗(yàn)的要求，將加載油缸的額定加載值選定為8000 kN。

1.5 試驗(yàn)連接件

試驗(yàn)連接件主要包括吊卡、吊環(huán)和試驗(yàn)拉桿三部分。

吊卡分為油缸連接吊卡和游吊系統(tǒng)連接吊卡，吊環(huán)分為下部連接吊環(huán)和游吊系統(tǒng)連接吊環(huán)。油缸連接吊卡用于加載油缸與鉆臺(tái)面下吊環(huán)和吊卡的連接，游吊系統(tǒng)連接吊卡用于試驗(yàn)拉桿與鉆機(jī)游吊系統(tǒng)的連接，具體連接方式如圖1所示。

2 承載底梁主體強(qiáng)度計(jì)算及有限元分析

根據(jù)鉆機(jī)級(jí)別，ZJ90鉆機(jī)鉆深為9000 m、額定鉤載為6750 kN，是萬(wàn)米以下最大額定鉤載值鉆機(jī)，為了驗(yàn)證試驗(yàn)裝置主要承載部件的強(qiáng)度，選用ZJ90鉆機(jī)的額定鉤載值6750 kN進(jìn)行校核計(jì)算[1-2]。

ZJ90鉆機(jī)底座中心開(kāi)檔為10 450 mm，鉆機(jī)底座與底梁總接觸面寬度為1600 mm、接觸長(zhǎng)度為5000 mm。

2.1 承載底梁主體計(jì)算

承載底梁主體尺寸為15000 mm×5000/1000 mm×2000 mm（長(zhǎng)×寬×高），如圖3所示。

圖3 承載底梁主體結(jié)構(gòu)圖

將承載底梁主體簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁對(duì)其彎矩進(jìn)行校核：

2.2 承載底梁主體有限元分析

通過(guò)以上的經(jīng)典計(jì)算方式校核了承載底梁主體的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，為了更進(jìn)一步分析清楚承載底梁主體各部分的受力情況，利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2.2.1 承載底梁主體網(wǎng)格劃分

承載底梁主體由鋼板組焊而成，在設(shè)置好各部件間的配合關(guān)系后將其導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行整體分析。

2.2.2 承載底梁主體加載

按照Z(yǔ)J90鉆機(jī)進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)鉆機(jī)底座下表面與承載底梁主體的接觸情況，在承載底梁主體兩端劃分出載荷施加部位。然后按照Z(yǔ)J90鉆機(jī)額定鉤載值對(duì)承載底梁的梁體進(jìn)行加載，如圖5所示。

圖4 承載底梁網(wǎng)格劃分

圖5 承載底梁加載

2.2.3 承載底梁主體應(yīng)力、應(yīng)變分析

由圖6、圖7可知：承載底梁主體在工作時(shí)局部最大應(yīng)力值213.43 MPa出現(xiàn)在梁體兩側(cè)翼板加載區(qū)的邊緣，而承載底梁主體箱型梁各部位的應(yīng)力值較小。

圖6 應(yīng)力云圖

圖7 加載油缸連接耳板周圍應(yīng)力云圖

由圖8可知，承載底梁主體在工作時(shí)局部最大應(yīng)變也發(fā)生在梁體兩側(cè)加載區(qū)的外伸翼板邊緣，最大變形值為20 mm，其余承載底梁主體箱型梁部位應(yīng)變值很小。

圖8 整體應(yīng)變?cè)茍D

3 結(jié)果分析

由以上應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果云圖可知，承載底梁主體箱型梁結(jié)構(gòu)剛性好、整體穩(wěn)定性高，而兩端外伸翼板處強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差。前面我們提到過(guò)，為了減小承載底梁主體上的局部應(yīng)力、增大與鉆機(jī)底座下表面的接觸面積，在承載底梁兩端設(shè)置了調(diào)整墊塊，從而增加了外伸翼板處的強(qiáng)度和剛度。

因此通過(guò)校核計(jì)算和有限元分析，了解到承載底梁主體各部分的應(yīng)力、應(yīng)變情況，并且通過(guò)調(diào)整墊塊的使用，使承載底梁整體滿足了6750 kN靜負(fù)荷試驗(yàn)所需的強(qiáng)度和剛度要求。

4 結(jié)論

1）鉆機(jī)靜載荷試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制造極大地增強(qiáng)了試驗(yàn)設(shè)備的兼容性。并且結(jié)合試驗(yàn)底座，該裝置還可進(jìn)行海洋鉆機(jī)井架及多種單獨(dú)井架體的靜負(fù)荷和承載能力試驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種鉆機(jī)設(shè)備的試驗(yàn)兼容性。

2）獨(dú)特的內(nèi)力系受力結(jié)構(gòu)極大地降低了鉆機(jī)設(shè)備靜負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)對(duì)試驗(yàn)井口地基承載能力的要求，明顯減少了試驗(yàn)井口地基建設(shè)的投入。

3）該裝置簡(jiǎn)單的操作、精確的控制為試驗(yàn)的安全、高效提供了保證；同時(shí)先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄了第一手可靠的數(shù)據(jù)資料，極大地方便了設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)設(shè)備各部位受力情況的深入分析。