張從邦，范 毅，劉牧洲，朱云霞4中國石化國際石油工程公司，北京

2長江大學文理學院，湖北 荊州

3中石油新疆油田分公司工程技術(shù)公司，新疆 克拉瑪依

4中石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西 定邊

快移快裝鉆機起升油缸事故分析與預防

張從邦1，范 毅2＊，劉牧洲3，朱云霞41中國石化國際石油工程公司，北京

2長江大學文理學院，湖北 荊州

3中石油新疆油田分公司工程技術(shù)公司，新疆 克拉瑪依

4中石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西 定邊

起升油缸是隨快移快裝鉆機一起設(shè)計開發(fā)的，專門用來起升下放井架和底座，實現(xiàn)鉆機的快移快裝理念，是快移快裝鉆機的重要組成部件。從開發(fā)到批量生產(chǎn)投入使用以來，起升油缸發(fā)生了多起事故，主要集中在上部油缸頭折斷這種損壞方式，嚴重影響了快移快裝鉆機的正常使用。從起升油缸結(jié)構(gòu)和功用著手，探討如何改善起升油缸的承載環(huán)境，分析油缸頭事故原因，提出了相應(yīng)的預防措施。

鉆機，井架，底座，起升油缸，損壞，承載環(huán)境，原因分析，預防

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1.引言

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，有一臺快移快裝BE550鉆機用起升油缸下放井架，當下放到三級活塞收縮時，地面產(chǎn)生振動，司鉆對側(cè)起升油缸排油口出現(xiàn)少量滲油并停止回縮，司鉆側(cè)油缸繼續(xù)收縮，造成井架向司鉆側(cè)傾斜，發(fā)生司鉆側(cè)起升油缸三級活塞桿頭在螺紋根部斷裂；此時井架與地面成大約30?夾角，損壞的油缸靠在井架底座上，脫離鉸接支撐點，未支撐井架；另一油缸獨立支撐井架，形成井架既不能繼續(xù)下放也不能起升的危險局面。那么，造成這種快移快裝鉆機起升油缸事故的原因是什么？又如何預防此類事故？

2.起升油缸結(jié)構(gòu)

BE550鉆機用起升油缸和BE770鉆機一樣[1]，目前用的是統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通稱BE鉆機起升油缸，采用相同結(jié)構(gòu)的三級活塞結(jié)構(gòu)油缸(圖1)，兩頭均采用銷軸鉸接。油缸設(shè)計的安全系數(shù)滿足其使用工況要求。針對損壞的油缸頭(上部鉸接)，在單純受壓工況下經(jīng)驗算其安全系數(shù)滿足API 4F規(guī)范要求，說明油缸自身設(shè)計沒有問題，完全滿足井架和鉆臺底座的起升下放。

Figure 1.The sketch diagram of lifting cylinder for BE550 drilling rig圖1.BE550鉆機起升油缸結(jié)構(gòu)示意圖

3.起升油缸功用

起升油缸具有起升和下放結(jié)構(gòu)件的功用[2]。BE鉆機起升油缸用來起升和下放的結(jié)構(gòu)件是井架、鉆臺底座(圖2)。

Figure 2.The sketch diagram of rig and drilling floor substructure圖2.井架和鉆臺底座示意圖

一臺BE鉆機對稱安裝2個起升油缸，油缸的一端支撐在鉆臺底座地面基礎(chǔ)上，另一端支撐在井架底座上。油缸鉸接座與井架和鉆臺底座鉸接座之間有一定的配合間隙，該間隙用來調(diào)整起升油缸與結(jié)構(gòu)件的配合。它包括2個方面：一是旋轉(zhuǎn)間隙，因為油缸在起升下放井架和鉆臺底座時銷軸和鉸接座之間有相對轉(zhuǎn)動；二是側(cè)面耳座間隙，這個間隙的控制至關(guān)重要，最理想的是油缸在上下耳座之間居于中間位置。

一臺鉆機上有2個井架底座，每個井架底座上有2個鉸接點(圖3)，不同時與起升油缸相連，下鉸接點用來起放鉆臺底座，上鉸接點用來起放井架。下鉸接點離鉆臺面近一些，而上鉸接點離鉆臺面要遠一些，起升油缸的設(shè)計綜合考慮了不同鉸接點的安裝距、行程和受力情況。整個起升和下放順序是這樣的：井架起升，底座起升，底座下放，井架下放。

Figure 3.The sketch diagram of rig substructure圖3.井架底座示意圖

4.起升油缸事故原因分析

起升油缸能否順利起升下放井架和鉆臺底座，在很大程度上取決于起升油缸的承載環(huán)境。從理論上講，起升油缸在上下耳座之間居于中間位置并垂直于地面，且能旋轉(zhuǎn)無卡阻，這無疑是理想的承載環(huán)境。起升油缸在滿足或接近這種理想的承載環(huán)境下工作是不會損壞的。

油缸頭斷裂說明其承載環(huán)境發(fā)生了變化。上述BE550鉆機起升油缸頭斷裂事故，從描述來看原因比較多。油缸滲油說明油缸有變形或者密封圈損壞；地面產(chǎn)生振動說明油缸內(nèi)有空氣，油缸竄行導致油缸不同步，不同步導致井架扭轉(zhuǎn)，進一步加劇兩個油缸的受力不均。從表面來看，這可能是油缸頭斷裂的主要原因；但從受力分析來看，還不是根本原因。

通過井架和鉆臺底座的起升下放全過程運動分析，井架的下放是最危險的。在井架重心隨井架繞臺面鉸接點旋轉(zhuǎn)剛過死點位置時(此時井架與地面成大約44?夾角)，由于操作和控制的因素，油缸頭可能承受來自井架的一個沖擊力矩，沖擊力為1.6 t。為此，可推算此時油缸頭的綜合應(yīng)力。

油缸頭彎矩：

式中：M為彎矩，N?m；F為沖擊力，N；L為力臂長度，m；θ為井架與地面夾角，(?)。

油缸頭抗彎模量：

式中：W為抗彎模量，m3；D、R分別為油缸頭的直徑、半徑，m。

油缸頭彎曲應(yīng)力：

油缸頭剪切力：

油缸頭剪切應(yīng)力：

油缸頭綜合應(yīng)力：

式中：σW為彎曲應(yīng)力，MPa；T為剪切力，N；τ為剪切應(yīng)力，MPa；σ為綜合應(yīng)力，MPa。

油缸頭材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)要求為HB235～285，實際測量HRB85～87，抗拉強度為562～600 MPa，屈服強度為420～450 MPa。從計算結(jié)果來看，油缸頭的綜合應(yīng)力遠小于屈服強度，說明油缸頭強度足夠。

下面進一步計算使油缸頭發(fā)生屈服變形(即屈服強度為420 MPa)時的沖擊力F。

油缸頭彎矩：

計算表明，受到1.6 t的沖擊力不足以使油缸頭一次損壞，只有達到14.16 t以上的沖擊力才能導致油缸頭屈服變形?，F(xiàn)場對起升油缸結(jié)構(gòu)件進行了仔細檢查，發(fā)現(xiàn)油缸上下2個鉸接點垂直方向錯位80 mm有余，而且是一個油缸大一些，另一油缸小一些。經(jīng)檢查，油缸上下2個鉸接點垂直方向錯位理論值是28 mm。此時，油缸不能自然放入上部井架底座鉸接座，必須借助吊車的外力來移動放入。只要油缸安裝到井架和鉆臺底座上，該外力就會形成附加彎矩并作用于油缸和結(jié)構(gòu)件。該外力來源于井架或鉆臺底座，起升和下放井架時油缸受力要大于鉆臺底座。

井架自重近50 t，加上井架重心和油缸在井架上鉸接點力臂的比例關(guān)系，這個力要遠大于50 t。該外力會使油缸產(chǎn)生彎曲變形，也就是說油缸是在彎曲變形的惡劣承載環(huán)境中完成伸出和縮回全過程的，這不僅會導致油缸密封不嚴漏油，還會因油缸頭在油缸整體中較薄弱導致油缸頭損壞。該外力在井架處于垂直工作位置時最小，在井架處于水平位置時最大，所以油缸受力在井架下放過程中是一個由小變大的過程。

同時，井架處于垂直工作位置時，由于結(jié)構(gòu)件的制造加工和裝配誤差超標，油缸不能垂直受力，此時側(cè)向偏移距離最大；井架接近水平位置時，油缸基本居中，側(cè)向偏移距離最小。在井架與地面成大約30?夾角時，以上綜合因素加上油缸可能不同步的隨機控制因素，最終導致起升油缸三級活塞桿頭在螺紋根部斷裂。

5.起升油缸事故預防措施

1) 加強油缸和結(jié)構(gòu)件質(zhì)量控制。一是按圖嚴格控制加工制造質(zhì)量，例如油缸的熱處理。二是提高裝配質(zhì)量，例如結(jié)構(gòu)件上的起升油缸上下鉸接座誤差大，油缸不能對中，建議將其設(shè)置為質(zhì)量控制點加以控制。

2) 改變油缸頭結(jié)構(gòu)，消除沖擊力矩。借鑒BE550II鉆機，將BE鉆機的油缸連接叉頭改為連接耳板[3]，這樣可使2個起升油缸同時伸出和縮回，連帶取消緩沖油缸，也就取消了緩沖油缸和起升油缸的過渡動作，進而消除了井架重心過死點位置時對起升油缸的沖擊力。

圖4為BE550II鉆機起升油缸示意圖，與BE550鉆機起升油缸示意圖(圖1)比較發(fā)現(xiàn)，二者幾乎完全相同，油缸結(jié)構(gòu)一樣，下部鉸接方式一樣；所不同的是，上部鉸接方式由開放叉頭改為封閉耳板，與三級活塞桿的連接方式由螺紋連接改為焊接(這在油缸結(jié)構(gòu)上是不難實現(xiàn)的)，井架底座上的連接方式隨之作相應(yīng)更改即可。又一個問題是，由此可能造成油缸上部耳板與井架底座上的連接耳座對中和穿銷軸的困難，這主要取決于油缸在伸出過程中缸筒之間不允許相對轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動角度很小。由用戶提供試驗用的BE550II鉆機起升油缸，使用過程中幾乎不相對轉(zhuǎn)動，對中很順利，說明油缸的加工制造質(zhì)量很高。如果油缸在伸出過程中相對轉(zhuǎn)動較大，在高空和狹小空間內(nèi)依靠人力是不能將油缸頭校正和對中的。因此，油缸頭結(jié)構(gòu)能否改變?nèi)Q于缸筒之間是否相對轉(zhuǎn)動，也就是說取決于油缸自身的質(zhì)量。

Figure 4.The sketch diagram of lifting cylinder for BE550II rig圖4.BE550II鉆機起升油缸示意圖

3) 監(jiān)測和控制2個起升油缸同步動作。為了很好地監(jiān)測并控制2個起升油缸的動作同步，可以采用一種儀器，通過對井架和鉆臺底座的監(jiān)測，也就是將井架扭轉(zhuǎn)角度控制在一定范圍內(nèi)，從而控制和改善2個油缸的受力基本平衡。

References)

[1] 李磊.快移快裝鉆機自行走系統(tǒng)的研發(fā)[J].江漢石油科技, 2010, 20(4): 58-60.

[2] 何艷.淺談陸地鉆機井架底座的起升方式[J].機械研究與應(yīng)用, 2015, 28(6): 134-136.

[3] 劉海峰, 劉宏亮, 王剛.鉆機起升式底座立柱制作方法[J].機械工程師, 2015, 47(7): 159-160.

[編輯] 帥群

Received: Jan.30th, 2017; accepted: Mar.7th, 2017; published: Apr.15th, 2017

Analysis and Prediction of Accidents in the Lifting Cylinders of Quick Moving and Making-Up Drilling Rigs

Congbang Zhang1, Yi Fan2*, Muzhou Liu3, Yunxia Zhu41Sinopec International Petroleum Engineering Corporation, Beijing
2College of Arts and Science, Yangtze University, Jingzhou Hubei
3Research Institute of Engineering and Technology, Xinjiang Oilfield Company, Petro China, Karamay Xinjiang4No.8 Oil Production Plant, Changqing Oilfield Company, Petro China, Dingbian Shaanxi

The lifting cylinder was designed together with the quick moving and quick making-up drilling rigs, which was especially used for lifting and lowering down the derricks and substructures, and it was the key component for the quick transferring and making-up of the drilling rigs.From its development to the batch production and to its application, many accidents were appeared in the lifting cylinder, and the failures were breakings concentrated in the upper cylinder head, which was severely affected the normal application of the rigs.From the aspects of its structure and functions of the lifting cylinders, how to improve the loading environment of the lifting cylinders is discussed and the reason of its accidents is analyzed, and corresponding measures are proposed for preventing the accidents.

Drilling Rig, Derrick, Substructure, Lifting Cylinder, Failure, Loading Environment, Cause Analysis, Prevention

張從邦(1970-)，男，高級工程師，主要從事中東地區(qū)的石油工程服務(wù)及設(shè)備管理工作。

2017年1月30日；錄用日期：2017年3月7日；發(fā)布日期：2017年4月15日

中國石油科技創(chuàng)新基金項目(2014D-5006-0310)。

?通信作者。

文章引用: 張從邦, 范毅, 劉牧洲, 朱云霞.快移快裝鉆機起升油缸事故分析與預防[J].石油天然氣學報, 2017, 39(2): 83-88.https://doi.org/10.12677/jogt.2017.392021