張慶杰，程立，楊鑫，單斌，張濤

（三一集團(tuán)有限公司湖南分公司，長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

近幾年隨著科技的進(jìn)步和石油鉆采裝備技術(shù)的發(fā)展，使得管柱自動(dòng)化作業(yè)初現(xiàn)雛形，尤其是二層臺(tái)排管機(jī)械手的出現(xiàn)，使得二層臺(tái)高空無(wú)人化作業(yè)成為可能。吊卡作為石油鉆采起下鉆柱作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其自動(dòng)化控制技術(shù)成為關(guān)鍵技術(shù)之一。三一集團(tuán)有限公司湖南分公司發(fā)揮現(xiàn)有液壓及智能控制的優(yōu)勢(shì)，研制的100 st全自動(dòng)液壓吊卡，在自動(dòng)化控制技術(shù)上取得突破并成功應(yīng)用，具有明顯效果。

三一全自動(dòng)液壓吊卡配合其自主研發(fā)的二層臺(tái)排管機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)高空無(wú)人化作業(yè)，有效地簡(jiǎn)化了起下鉆操作工藝，極大地提高了鉆、修井作業(yè)效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)的安全性，應(yīng)用前景廣闊[1-2]。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該全自動(dòng)液壓吊卡適用于450、550鉆修機(jī)起下鉆柱作業(yè)，是一種側(cè)開(kāi)式、主體結(jié)構(gòu)可翻轉(zhuǎn)、補(bǔ)芯可適應(yīng)性更換、帶自鎖保護(hù)功能的全自動(dòng)液壓吊卡，主要由吊卡主體、活門(mén)、門(mén)閂、油缸、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和卡座等部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)液壓吊卡結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

吊卡通過(guò)2個(gè)油口與頂驅(qū)的液壓系統(tǒng)相連接，采用全電磁閥進(jìn)行控制。其控制原理如圖2所示。通過(guò)門(mén)閂油缸和開(kāi)門(mén)油缸實(shí)現(xiàn)門(mén)閂及活門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉，通過(guò)翻轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吊卡主體±90°翻轉(zhuǎn)。吊卡設(shè)計(jì)有自鎖保護(hù)裝置，包括自動(dòng)關(guān)門(mén)和安全保護(hù)。自動(dòng)關(guān)門(mén)是通過(guò)自動(dòng)關(guān)門(mén)機(jī)構(gòu)信號(hào)反饋控制活門(mén)關(guān)閉；安全保護(hù)包括機(jī)械自鎖和電液自鎖兩重自鎖保護(hù)。自鎖保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)可以避免因振動(dòng)導(dǎo)致鉆桿松動(dòng)造成安全事故。

圖2 全自動(dòng)液壓吊卡液壓系統(tǒng)原理圖

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

額定載荷為100 st；適應(yīng)管徑為2-3/8 in～3-1/2 in；工作溫度為-18～+50 ℃；系統(tǒng)壓力為14 MPa；系統(tǒng)流量為15 L/min；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)范圍為±90°。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將吊卡繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以配合貓道送管角度。主要由油缸、連桿、搖桿、拉桿、調(diào)節(jié)裝置、安裝底座和護(hù)罩等部分組成。安裝座是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)部件，用于安裝連接各部件；油缸作為動(dòng)力裝置，驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)（連桿、搖桿和拉桿構(gòu)成）運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)吊卡主體翻轉(zhuǎn)；調(diào)節(jié)裝置通過(guò)其擰入深度限制連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍，從而調(diào)節(jié)吊卡主體的翻轉(zhuǎn)角度極限；拉桿采用正反扣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度調(diào)節(jié)吊卡角度。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 自鎖保護(hù)機(jī)構(gòu)

自鎖保護(hù)包括自動(dòng)關(guān)門(mén)和安全保護(hù)。自動(dòng)關(guān)門(mén)是通過(guò)在吊卡主體內(nèi)部設(shè)置觸發(fā)銷(xiāo)軸，當(dāng)鉆桿進(jìn)入吊卡并觸碰到觸發(fā)銷(xiāo)軸時(shí)，觸發(fā)銷(xiāo)軸被擠壓并向外運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)檢測(cè)板運(yùn)動(dòng)，被接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)，產(chǎn)生關(guān)門(mén)信號(hào)，控制系統(tǒng)控制活門(mén)關(guān)閉。其原理如圖4所示。

圖4 自動(dòng)關(guān)門(mén)機(jī)構(gòu)原理

安全保護(hù)包括機(jī)械自鎖和電液自鎖。機(jī)械自鎖通過(guò)鉆桿的直角臺(tái)階壓下安裝在襯套處的壓板，帶動(dòng)插銷(xiāo)向下運(yùn)動(dòng)，插入門(mén)閂孔中，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖。其原理如圖5所示。

圖5 安全保護(hù)原理

圖6 有限元模型網(wǎng)格劃分

電液自鎖是通過(guò)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)門(mén)閂關(guān)閉狀態(tài)，產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)控制系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)對(duì)油缸進(jìn)行保壓，從而門(mén)閂無(wú)法被打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)自鎖。其原理如圖5所示。

3 強(qiáng)度計(jì)算與有限元分析

液壓吊卡計(jì)算的目的是依據(jù)API Spec 8C要求，保證其在使用期間能安全可靠地支撐設(shè)計(jì)載荷。在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，根據(jù)吊卡最大設(shè)計(jì)載荷和選用材料的最小屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)有限元對(duì)吊卡主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，并與需用安全系數(shù)進(jìn)行比較，校驗(yàn)吊卡是否滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

3.1 材料特性

吊卡主體選用三一集團(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1所示。

表1 主體材料力學(xué)性能

表2 應(yīng)力加載測(cè)試結(jié)果

3.2 計(jì)算依據(jù)

根據(jù)API Spec 8C規(guī)定，選擇SCD100 全自動(dòng)液壓吊卡安全系數(shù)SFD=3。

根據(jù)API Spec 8C規(guī)定，強(qiáng)度分析以彈性理論為依據(jù)，按照Von Mises-Hencky理論計(jì)算的公稱(chēng)當(dāng)量應(yīng)力不超過(guò)下列公式計(jì)算的最大許用應(yīng)力AS1：

根據(jù)API Spec 8C規(guī)定，對(duì)于吊卡與吊環(huán)接觸部位以及幾何形狀引起的局部高應(yīng)力集中區(qū)域，按照極限強(qiáng)度（塑性）分析時(shí)，當(dāng)量應(yīng)力不超過(guò)下列公式計(jì)算的最大許用應(yīng)力AS2：

根據(jù)API Spec 8C規(guī)定，剪應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)最大需用剪應(yīng)力AS3：

式中：YSmin為規(guī)定的最小極限屈服強(qiáng)度[5]；TSmin為規(guī)定的最小極限拉伸強(qiáng)度[5]。

3.3 模型約束及加載

吊卡主體結(jié)構(gòu)三維模型經(jīng)SolidWorks處理后導(dǎo)入有限元軟件ANSYS Workbench 15.0進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析。分析過(guò)程中，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，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)尺寸為10 mm。

為模擬真實(shí)工況，建立一根虛擬鉆桿，下端固定約束，在左右兩側(cè)與吊環(huán)接觸的臺(tái)肩部位加載共910 kN（100 st），如圖7所示。

圖7 邊界條件及加載

3.4 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

主體計(jì)算結(jié)果如圖8所示，去除由于網(wǎng)格產(chǎn)生的不真實(shí)結(jié)果影響，最大應(yīng)力為272 MPa＜AS2。

圖8 主體結(jié)構(gòu)分析

活門(mén)計(jì)算結(jié)果如圖9所示，去除由于網(wǎng)格產(chǎn)生的不真實(shí)結(jié)果影響，最大應(yīng)力為173 MPa＜AS2。

圖9 活門(mén)有限元分析

活門(mén)軸、門(mén)閂軸計(jì)算結(jié)果如圖10所示，去除由于網(wǎng)格產(chǎn)生的不真實(shí)結(jié)果影響，最大應(yīng)力為247 MPa＜AS2。

圖10 活門(mén)軸、門(mén)閂軸有限元分析

應(yīng)用SolidWorks軟件Simulation模塊對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，在同等邊界條件下，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 應(yīng)力云圖

可見(jiàn)，應(yīng)力大小及分布均與ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果近似。

根據(jù)吊卡使用工況，承受剪力主要位置在于吊卡左右兩側(cè)與吊環(huán)配合的耳孔處。由于用于直角臺(tái)肩鉆桿，主要銷(xiāo)軸在工作中幾乎不受載荷產(chǎn)生的剪力，因此銷(xiāo)軸不做抗剪切強(qiáng)度計(jì)算。

如圖12所示，A-A截面為受剪最小截面，受純剪力，面積為5674.5 mm2，因此，此截面所受剪應(yīng)力為

圖12 抗剪部位圖示

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

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元分析計(jì)算的準(zhǔn)確性以及全自動(dòng)液壓吊卡使用的可靠性，通過(guò)三一集團(tuán)有限公司湖南分公司試驗(yàn)場(chǎng)特制的全自動(dòng)液壓吊卡試驗(yàn)裝置對(duì)全自動(dòng)液壓吊卡進(jìn)行了功能試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)。

4.1 功能試驗(yàn)

功能試驗(yàn)中，司鉆控制液壓吊卡開(kāi)合油缸和翻轉(zhuǎn)油缸動(dòng)作，門(mén)閂、活門(mén)開(kāi)關(guān)正常，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)液壓吊卡本體前后旋轉(zhuǎn)均可達(dá)90°，整個(gè)過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)異常。測(cè)試開(kāi)合、翻轉(zhuǎn)所得時(shí)間分別為3、2 s。

4.2 載荷試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)依據(jù)

根據(jù)API Spec 8C中第8.6.2節(jié)規(guī)定，每臺(tái)吊卡必須按1.5倍的額定載荷進(jìn)行驗(yàn)證載荷試驗(yàn)，并保持不少于5 min；根據(jù)API Spec 8C中第5.3.2節(jié)規(guī)定，額定載荷值不超過(guò)1250 st的吊卡，應(yīng)該進(jìn)行0.8×SFD=2.4倍的設(shè)計(jì)驗(yàn)證載荷試驗(yàn)[4-5]。驗(yàn)證內(nèi)容包括：

1）試驗(yàn)完成后，檢查每個(gè)零件的尺寸是否有屈服跡象；

2）試驗(yàn)完成后，對(duì)所有主承載件進(jìn)行表面無(wú)損探傷，對(duì)主承載件的關(guān)鍵區(qū)域按照API Spec 8C中第8.4.7節(jié)規(guī)定進(jìn)行磁粉探傷。

根據(jù)API Spec 8C內(nèi)容，在進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)分成了3個(gè)載荷等級(jí)：額定載荷、1.5倍額定載荷、2.4倍額定載荷。按照SCD100型號(hào)可知施加載荷分別為890、1335、2136 kN。

4.2.2 試驗(yàn)步驟1）按照試驗(yàn)方案將全自動(dòng)液壓吊卡進(jìn)行連接、固定；2）按照額定載荷加載，卸載后檢查吊卡，進(jìn)行功能試驗(yàn)；

3）按照1.5倍載荷進(jìn)行加載，卸載后檢查設(shè)備功能，隨后對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆卸并對(duì)主承載件進(jìn)行表面無(wú)損探傷，對(duì)主承載件關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行磁粉探傷；

4）按照2.4倍載荷進(jìn)行加載，卸載后檢查設(shè)備功能，隨后對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆卸并檢查每個(gè)零件尺寸是否有屈服跡象。

4.2.3 應(yīng)力試驗(yàn)

按照有限元計(jì)算的Von Mises應(yīng)力值為依據(jù)，在吊卡主體上布置應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，并按上述步驟進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在施加額定載荷時(shí)各測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力值小于218.3 MPa，即安全系數(shù)大于3，符合API 8C要求。

功能試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)表明，對(duì)全自動(dòng)液壓吊卡的有限元分析計(jì)算是準(zhǔn)確的，設(shè)備各項(xiàng)功能、設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足使用要求。

5 結(jié)論

1）全自動(dòng)液壓吊卡嚴(yán)格按照API 8C規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)全自動(dòng)液壓吊卡進(jìn)行有限元分析計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，表明有限元分析計(jì)算是準(zhǔn)確的，各機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)正常、無(wú)卡阻，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

2）該全自動(dòng)液壓吊卡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、自動(dòng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)司鉆遠(yuǎn)程集控。與三一集團(tuán)有限公司湖南分公司自主研發(fā)的二層臺(tái)排管機(jī)械手配合使用，可以實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)高空無(wú)人化作業(yè)，有效地簡(jiǎn)化了起下鉆操作工藝，提高了作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3）全自動(dòng)液壓吊卡的成功研制，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)于石油鉆井自動(dòng)化水平的提高具有不可替代的作用，具有良好的社會(huì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景[2]。