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(guān)鍵裝備之一，其主要作用是用于起下鉆作業(yè)。在未引進(jìn)國(guó)外公司的液壓吊卡之前，國(guó)內(nèi)鉆井作業(yè)一直采用手動(dòng)機(jī)械式吊卡。手動(dòng)吊卡為全手工操作，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作安全性不能夠保證，工作效率低下，嚴(yán)重制約了鉆井效率，制約了我國(guó)自動(dòng)化鉆井裝備水平[1-8]。國(guó)外的全自動(dòng)液壓吊卡能夠完全解決上述問(wèn)題。液壓吊卡全自動(dòng)化操作，安全性能極高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊，占地面積小，承載能力強(qiáng)，工作效率大幅提高，應(yīng)用前景十分廣闊，是國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)的重點(diǎn)，也是未來(lái)吊卡技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[9]。

蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司通過(guò)對(duì)液壓吊卡結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證，成功研制了3 150 kN液壓吊卡，解決了國(guó)內(nèi)鉆井平臺(tái)鉆井設(shè)備受制于人的局面， 推動(dòng)了海洋鉆井平臺(tái)鉆井裝備自動(dòng)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(shí)現(xiàn)起下鉆作業(yè)，其主要分為機(jī)械部分和液壓系統(tǒng)。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)由機(jī)身、左活門、右活門、鎖舌、補(bǔ)芯、連桿機(jī)構(gòu)、補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)及鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-機(jī)身；2-左活門；3-連桿機(jī)構(gòu)；4-鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)；5-鎖舌；6-補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)；7-右活門；8-補(bǔ)芯。圖1 液壓吊卡機(jī)械部分示意

1.1.1 連桿機(jī)構(gòu)

連桿機(jī)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(jī)構(gòu)

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

1.1.2 補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)

為適應(yīng)不同尺寸和型號(hào)的鉆具，補(bǔ)芯更換較為頻繁，補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)快速安全的更換補(bǔ)芯，補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)是運(yùn)用帶有彈簧的銷子的伸縮，以便進(jìn)行快速安裝和拆卸補(bǔ)芯，更換方便，安全高效。如圖3所示。

圖3 補(bǔ)芯鎖緊機(jī)構(gòu)

1.1.3 鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)

鎖舌鎖緊機(jī)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(bǔ)芯上，補(bǔ)芯下壓，補(bǔ)芯的下邊緣推動(dòng)推桿，通過(guò)自鎖連桿推動(dòng)鎖緊銷伸出，鎖緊鎖舌。當(dāng)移除補(bǔ)芯上的管柱后，壓縮彈簧伸長(zhǎng)，鎖緊銷縮回，推動(dòng)推桿和補(bǔ)芯上移，鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)解鎖。如圖4所示。

1-補(bǔ)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(jī)構(gòu)

1.2 液壓系統(tǒng)

高度集成的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由液壓系統(tǒng)控制完成各動(dòng)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(jī)身后部，使管線得到最大程度的保護(hù)，同時(shí)又易于系統(tǒng)的常規(guī)維護(hù)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(gè)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(gè)液壓吊卡的控制中心，內(nèi)部有內(nèi)置液缸、觸碰機(jī)構(gòu)、觸碰機(jī)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(gè)液控單向閥。鎖舌油缸和活門油缸都有一個(gè)反饋油口，用于接通集成閥塊內(nèi)部的液控單向閥。

1) 關(guān)門動(dòng)作原理。

啟動(dòng)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(dāng)管具進(jìn)入吊卡，管具依靠重力和慣性觸碰到補(bǔ)芯，將補(bǔ)芯沿周向撐開，補(bǔ)芯推動(dòng)觸碰銷，觸碰銷推動(dòng)觸碰機(jī)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(jìn)油，推動(dòng)內(nèi)置油缸伸出，將觸碰機(jī)構(gòu)二位三通換向閥鎖定在左位接通狀態(tài)，同時(shí)主油路推動(dòng)活門油缸伸出，活門關(guān)閉?；铋T關(guān)閉后，活門油缸反饋油口有壓力油進(jìn)入集成閥塊，使鎖舌油缸進(jìn)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(jìn)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(jìn)入集成閥塊，使鎖緊閥塊油路的液控單向閥接通。同時(shí)鎖舌會(huì)觸發(fā)鎖緊閥塊，在活門油缸和鎖舌油缸都完全關(guān)閉，并且鎖緊閥塊油路上2個(gè)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(huì)接通，鎖緊反饋油口有壓力油輸出，壓力油進(jìn)入頂驅(qū)液壓系統(tǒng)，然后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)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(bǔ)芯上時(shí)，被頂銷頂起的補(bǔ)芯下移，推動(dòng)鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊鎖舌，起到機(jī)械保護(hù)的作用。

2) 開門動(dòng)作原理。

當(dāng)管具重力不作用在吊卡上時(shí)，鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)在彈簧的作用下頂起補(bǔ)芯，鎖舌銷縮回，鎖舌鎖緊機(jī)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(jìn)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(jī)構(gòu)在彈簧組的作用下返回初始位置，觸碰機(jī)構(gòu)二位三通換向閥置于右位斷開。此時(shí)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(jìn)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(wú)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(qiáng)大的CAD雙向參數(shù)鏈接互動(dòng)、無(wú)縫集成的設(shè)計(jì)工具，以及全面的參數(shù)管理、項(xiàng)目數(shù)據(jù)自動(dòng)更新機(jī)制，使得ANSYS在“仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)”方面達(dá)到了前所未有的高度。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析作為有限元分析中最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)，同時(shí)也是工程設(shè)計(jì)計(jì)算中最常用的分析方法，完美契合了Workbench強(qiáng)大的CAD交互模式，其計(jì)算結(jié)果的正確性早已經(jīng)得到了工程界的一致認(rèn)同[10-13]。

基于此，本計(jì)算采用ANSYS Workbench 15.0有限元分析軟件，對(duì)液壓吊卡主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

2.1 材料特性

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

表2 材料力學(xué)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(shè)備，設(shè)計(jì)須符合API Spec 8C《鉆井和采油提升設(shè)備規(guī)范》[15]的要求，API Spec 8C中對(duì)提升設(shè)備的設(shè)計(jì)安全系數(shù)的要求，如表4所示。

表4 提升設(shè)備設(shè)計(jì)安全系數(shù)

液壓吊卡的額定載荷為3 150 kN，通過(guò)計(jì)算可得液壓吊卡的設(shè)計(jì)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(dǎo)入有限元軟件ANSYS workbench15.0進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析。分析過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，去除不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的附屬結(jié)構(gòu)件和細(xì)小特征。所有結(jié)構(gòu)計(jì)算均采用實(shí)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(wú)法劃分規(guī)則的六面體網(wǎng)格，故對(duì)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(diǎn)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(shè)備自重；B、C為吊環(huán)對(duì)吊耳的約束，采用遠(yuǎn)端約束形式，D、E、F、G為工作載荷。

活門與機(jī)身、左右連接塊與機(jī)身、鎖舌與右活門、補(bǔ)芯與機(jī)身、活門之間的銷軸連接均用轉(zhuǎn)動(dòng)副替代，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)副

2.3.3 應(yīng)力分析

根據(jù)API 8C標(biāo)準(zhǔn)，吊卡安全系數(shù)為SFD=2.57，彈性理論下，其許用應(yīng)力為：

整體Mises應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 吊卡整體Mises應(yīng)力云圖

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

吊卡機(jī)身結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 機(jī)身結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖

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

對(duì)高應(yīng)力區(qū)截面進(jìn)行進(jìn)一步分析，吊卡機(jī)身結(jié)構(gòu)中間截面應(yīng)力提取及顯示如圖11所示。

圖11 機(jī)身結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖

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

經(jīng)截面數(shù)據(jù)提取，通過(guò)Matlab數(shù)據(jù)處理，對(duì)于超過(guò)平均應(yīng)力149.05 MPa的截面區(qū)域進(jìn)行平均應(yīng)力計(jì)算，得到其平均應(yīng)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(yīng)力提取及顯示如圖12所示。

圖12 吊耳弧面截面Mises應(yīng)力云圖

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

經(jīng)截面數(shù)據(jù)提取，通過(guò)Matlab數(shù)據(jù)處理，對(duì)于超過(guò)平均應(yīng)力178.68 MPa的截面區(qū)域進(jìn)行平均應(yīng)力計(jì)算，得到其平均應(yīng)力為228.9 MPa<309.34 MPa，滿足API 8C規(guī)定。

吊卡左右活門Mises應(yīng)力云圖如圖13所示。

圖13 左右活門Mises應(yīng)力云圖

由圖13可知，左右活門最大應(yīng)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(yīng)力較高部位均在196～232 MPa，結(jié)果表明，左右活門設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足API 8C的要求。

綜上所述，液壓吊卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足API 8C的要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證全新設(shè)計(jì)生產(chǎn)的液壓吊卡的使用功能能否滿足設(shè)計(jì)要求，并對(duì)前文液壓吊卡的有限元分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司井場(chǎng)提升設(shè)備試驗(yàn)平臺(tái)特制的液壓吊卡試驗(yàn)裝置，對(duì)液壓吊卡進(jìn)行了功能試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)。

3.1 功能試驗(yàn)

功能試驗(yàn)中，將液壓吊卡液壓接口與液壓站連接，通過(guò)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(dòng)作。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，液壓吊卡處于完全打開的狀態(tài)，當(dāng)試驗(yàn)管具進(jìn)入吊卡后，活門液缸伸出，活門液缸通過(guò)活門連桿機(jī)構(gòu)，推動(dòng)左右活門關(guān)閉，活門關(guān)閉后，鎖舌液缸開始伸出，鎖舌液缸通過(guò)鎖舌連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)鎖舌旋轉(zhuǎn)，鎖緊左右活門。試驗(yàn)管具下放，當(dāng)載荷完全作用在液壓吊卡上時(shí)，鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，鎖緊鎖舌，以防止鎖舌的意外脫出，起到了安全防護(hù)的作用。反向操作時(shí)，提升管具，鎖舌鎖緊機(jī)構(gòu)解鎖，鎖舌液缸縮回，鎖舌連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鎖舌旋轉(zhuǎn)，解鎖左右活門，鎖舌打開后，活門液缸縮回，通過(guò)活門連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)左右活門打開。

通過(guò)功能試驗(yàn)，本吊卡完全能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能。

3.2 載荷試驗(yàn)

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

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

2) 驗(yàn)證關(guān)鍵零部件是否滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)完畢后對(duì)主要零部件按圖紙要求進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)。

3.2.1 試驗(yàn)載荷確定

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

3.2.2 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

在現(xiàn)有拉力試驗(yàn)架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)連接鉤桿等試驗(yàn)零件，按照設(shè)計(jì)圖紙組裝試驗(yàn)裝置，如圖14所示。

3.2.3 試驗(yàn)步驟

1) 將整套裝置按圖14要求連接固定，手動(dòng)關(guān)閉吊卡活門及鎖舌。

2) 啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)液壓站，壓力值達(dá)到5 MPa，將整套試驗(yàn)裝置預(yù)緊，檢查零部件連接情況，如有松動(dòng)，需重新安裝固定。

3) 啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)液壓站，按表1規(guī)定的壓力值逐級(jí)加載，過(guò)程中每級(jí)穩(wěn)壓2 min，當(dāng)加載到4 750 kN時(shí)，穩(wěn)壓5 min。

表5 載荷數(shù)值對(duì)應(yīng)的壓力表讀數(shù)

拉力試驗(yàn)后拆卸吊卡，對(duì)關(guān)鍵零部件按圖紙要求進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，液壓吊卡主結(jié)構(gòu)無(wú)裂紋等損傷。

圖14 液壓吊卡載荷試驗(yàn)裝置

功能試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)表明，液壓吊卡具有設(shè)計(jì)的各項(xiàng)使用功能，設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足使用要求，同時(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)和使用的要求。

4 結(jié)論

1) 液壓吊卡嚴(yán)格按照API 8C規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)液壓吊卡主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，功能試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算的正確性，同時(shí)驗(yàn)證了液壓吊卡各項(xiàng)功能運(yùn)行正常。各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，此液壓吊卡滿足現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)該是無(wú)損檢測(cè)的重點(diǎn)檢查部分，同時(shí)也是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)時(shí)主要關(guān)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(yīng)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(dòng)化程度高，使用安全可靠。