張士超

（中海油安全技術服務有限公司，天津 300450）

0 引 言

由于海上修井作業(yè)的強度較大，受作業(yè)環(huán)境的影響，井架的承載能力在逐年下降，故進行井架承載能力評估尤為重要。《石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范》（SY/T 6326—2012）[1]頒布實施之后，開展鉆修機井架應力測試成為保證井架安全作業(yè)的必要手段。應力測試的原理是對井架逐級施加鉤載，通過布置在井架桿件上的應變傳感器采集應變數(shù)據(jù)，線性反推出井架在額定鉤載作用下的應力值，利用結構校核公式，從強度、剛度和穩(wěn)定性等方面進行校核[2-4]。在現(xiàn)場進行應力測試的關鍵步驟是對井架進行加載，在采用井架進行鉆修井作業(yè)時，可利用井下工具（鉆具、油管等）的自重進行加載；當現(xiàn)場停工、井下無工具時，需通過工裝進行輔助加載。

吳寒[4]依據(jù)某海洋鉆機結構的尺寸和應力測試要求設計相應的工裝，但其只針對特定結構形式的海洋鉆機，通用性不強，且未經實際應用和驗證。為研制出通用性較強的新型工裝，在充分調研各種海洋修井機的結構特點的基礎上，依據(jù)現(xiàn)場應力測試工況，利用有限元軟件ABAQUS進行工裝設計，并制作工裝實物在現(xiàn)場試用。

1 測試工裝設計

1.1 工作原理

在利用工裝加載時，將工裝固定在轉盤梁下，用索具將其與大鉤連接，通過大鉤提升加載，從而使井架受壓產生壓應力，進而進行應變數(shù)據(jù)采集。工裝工作原理示意見圖1。

1.2 設計要求

工裝設計的最主要參數(shù)要滿足承載能力的要求。通過調研得知，海上石油平臺修井機的型號主要有HXJ90、HXJ112、HXJ135、HXJ158、HXJ180和HXJ225等6種，標準[1]規(guī)定測試鉤載應不小于設計最大鉤載的25%。按照該標準的要求，以井架承載能力最大的HXJ225修井機為例，工裝設計的承載能力應大于562.5kN。此外，在進行應力測試時，在不超過井架和底座承載能力的前提下，施加的測試載荷應盡可能大，以便減小數(shù)據(jù)誤差。綜合考慮之后要求整套工裝設計的承載能力不小于800kN，且留有一定的安全裕度。

1.3 結構設計

工裝主要構件為工字鋼，由吊耳、加勁肋、承載軸和止退銷等部件焊接組裝而成，結構形式簡單，自重小，制作方便。工裝結構裝配示意見圖2。

圖1 工裝工作原理示意

圖2 工裝結構裝配示意

1) 工字鋼截面尺寸（H×B×t1×t2）為300mm×300mm×15mm×12mm；由于安放測試工裝的轉盤梁間距一般在1400～1800mm，因此工裝設計長度為2000mm；工字鋼邊角處切割成圓弧狀。

2) 為防止工字鋼在受力時發(fā)生屈曲變形，要在工字鋼承載部位焊接加勁肋板，厚度為20mm。

3) 工字鋼頂端有4個吊耳，作為與索具的連接件，吊耳厚度為30mm。

4) 吊耳兩端焊接三角形加勁肋，厚度為20mm。

5) 承載軸直徑為100mm，長度為250mm。承載軸兩端有通孔可安放止退銷，防止加載時承載軸滑脫。

工裝整體尺寸見圖3，工裝各部件尺寸見圖4。

圖3 工裝整體尺寸

圖4 工裝各部件尺寸

1.4 材料選擇

考慮自重、強度和剛度等因素，工裝（除承載軸）材料為Q345或16Mn等屈服強度不小于345MPa的同類材料。工裝材料力學性能參數(shù)見表1。

表1 工裝材料力學性能參數(shù)

2 有限元分析

為分析工裝在加載過程中的受力情況和變形狀態(tài)，驗證工裝設計的合理性，采用ABAQUS對工裝進行有限元分析[5-8]。承載軸采用高強材質的材料制作而成，這并不是工裝分析的重點，在此不予考慮。為更加真實地模擬工裝與轉盤橫梁的接觸狀態(tài)，在建模時同時建立2根轉盤橫梁模型。

2.1 有限元網格劃分

工裝網格的大小為10mm，單元類型為C3D8R，共計49128個單元。轉盤橫梁在模型中起約束作用，不是分析的重點，網格可布置稀疏，網格大小為20mm。工裝有限元網格見圖5。

圖5 工裝有限元網格

2.2 邊界條件和載荷施加

不同修井機的結構形式不同，轉盤橫梁間距也有差別。為全面考慮工裝在不同修井機結構上的適用性，選取2種間距的橫梁進行計算分析，轉盤梁間距分別為1400mm和1800mm，位置示意見圖6。

根據(jù)工裝受力和約束情況設置邊界條件。在轉盤橫梁兩端施加固定約束，在橫梁下表面與工字鋼上表面建立接觸約束。

圖6 工裝在2種不同間距的轉盤橫梁上的位置示意

設計要求該工裝的承載能力為800kN，而工裝有2個吊點且對稱布置，故每個吊點承擔400kN的載荷。本文創(chuàng)建2個參考點，將其與吊耳圓孔上半部區(qū)域建立耦合約束，并對2個參考點施加向上的400kN集中力模擬索具的拉力，完成索具與工裝吊耳之間的拉力傳遞。此外，對工裝施加重力載荷。

2.3 結果分析

圖7為工裝在2種工況下的應力云圖。當轉盤梁間距為1400mm時，工裝最大等效應力值為212MPa，位于工字鋼上翼緣與腹板交接位置；當轉盤梁間距為1800mm時，工裝最大等效應力值為261MPa，位于工字鋼下翼緣與腹板交接位置。在同等載荷條件下最大應力值和應力分布不同，這是由于邊界條件不同造成工裝的受力狀態(tài)不同，進而導致應力的大小和分布不同。此外，工裝的吊耳與工字鋼上翼緣交接位置和兩吊耳之間上下翼緣的受力均較大，但應力值均遠小于材料的屈服強度（345MPa），說明工裝的強度足夠。工字鋼翼緣和腹板的應力較大，因為其截面積與加勁肋相比偏小。若需設計承載能力更大的工裝，可相應增大工字鋼的橫截面積。

圖7 工裝在2種工況下的應力云圖

圖8為工裝總體變形云圖。工裝最大變形位移分別為1.84mm和3.37mm，均發(fā)生在工裝中間兩吊耳處主吊耳右側的主梁上。變形值均較小，說明工裝的剛度滿足要求。

圖8 工裝總體變形云圖

3 應用實例

某海洋修井機井架為直立無繃繩伸縮式K型井架，高33m，設計最大鉤載1580kN，至今已投入使用超

過10年。由于在最近一次年檢時發(fā)現(xiàn)修井機井架上體某橫梁有局部變形，懷疑其對井架承載能力有影響，故需通過井架應力測試來計算目前井架實際的承載能力。

3.1 工裝加工制作

按照設計要求加工制作井架應力測試用的加載工裝，同時配備2根單肢φ70mm×4500mm尺寸的配套索具。在使用工裝和配套索具之前對其進行無損探傷，確定表面和內部無缺陷。

3.2 工裝安放

安放工裝時需將轉盤補芯取出，將工裝放置在預定位置處（轉盤底部）。為保證加載時轉盤梁能滿足承載力要求，要在現(xiàn)場作業(yè)之前根據(jù)轉盤梁設計資料和現(xiàn)場結構現(xiàn)狀進行核實，在滿足空間尺寸和強度要求的條件下將工裝安放在主承載梁上。工裝安放方式見圖9。

3.3 井架加載測試

在進行加載測試之前，按要求在井架規(guī)定部位布置應變傳感器，儀器初始化調零，每個載荷靜止30s以便記錄數(shù)據(jù)。在加載時，逐級提升載荷值，為保證數(shù)據(jù)的準確性，重復測試5次，每次測試不少于3個載荷值；同時，利用大鉤上提放置在底座轉盤主梁處的加載工裝，通過指重表直接讀取施加的載荷值。根據(jù)某次加載采集數(shù)據(jù)得到的應變曲線見圖10。

圖9 工裝安放方式

圖10 應變曲線

在重復多次加載過程中，工裝未產生明顯的變形和異常聲響，測試施加最大鉤載達到580kN，工裝滿足加載要求。

4 結 語

1) 根據(jù)標準要求和調研情況設計了通用的海洋修井機井架應力測試工裝，結構形式簡單，制作方便；

2) 對設計的工裝進行了有限元分析，結果表明該工裝滿足不同空間尺寸下的強度和變形要求；

3) 對工裝進行現(xiàn)場應用，結果表明工裝整體受力穩(wěn)定，操作方便，適用性強，可大幅度提高海洋修井機井架應力測試工作的效率。