基于API Spec 8C标准的设计及质量控制分析

冯琦

摘 要：贯彻执行API Spec 8C标准，有利于提高钻井和采油提升设备的产品质量和可靠性，特别是低温环境和极地环境用钻机的适应性。对提升我国石油钻采装备的质量水平有着十分积极的意义。

关键词：API 8C标准 设计准则 质量控制 理解 认识

中图分类号：F273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0085-01

API Spec 8C—2003第4版标准[1]是ISO13535：2002的修订本，与API Spec 8A标准比较，其技术要求更具体，明确了设计、制造、试验和质量控制要求。

1 设计准则

1.1 设计条件

（1）设备的操作人员应负责确定任一提升作业的安全工作载荷。这一条件是给用户的操作者提出的要求。安全工作载荷（Safe Working Load）的定义：设计载荷减去动载荷。

（2）设计与最低操作温度为-20 ℃。

（3）当最低操作温度低于-20 ℃时，可按API Spec 8C标准的附录A中A.3条确定主承载件材料的低温试验要求。

1.2 强度分析

API Spec 8C标准在“强度分析”中指出，设备的设计分析应提出超过屈服、疲劳或弯曲的可能发生失效的形式。强度分析一般以弹性理论为依据。然而，适当情况下可以采用极限强度（塑性）分析。有限元分析可以和分析方法一起使用。所有影响设计的力均应予以考虑。对于所考虑的每一个截面，应采用力的作用位置与方向的最不利的组合方式。

API Spec 8C标准中给出的最大允许应力为

（1）

式中：ASmax为零件某横截面中的平均应力的最大允许应力；YSmin为规定的最小屈服强度；SFD为设计安全系数，与载荷额定值有关，在2.25～3.00之间变化，可以从API Spec 8C标准中查找公式计算出正确数值。

式（1）给出的最大允许应力没有考虑到象弯曲应力、应力集中等应力影响。因此，在按照API Spec 8C标准进行强度分析时，还应当按照ASME Ⅷ第2册[2]强制性附录4进行应力分析。

2 材料要求

（1）对于规定最小屈服强度≥310 MPa的材料，在-20 ℃时平均冲击韧性值（AKV）应取AKV≥42 J（3次试验平均值），且其中没有单个数值低于32 J。

（2）对于规定最小屈服强度<310 MPa的材料，在-20 ℃时平均冲击韧性值应取AKV≥27 J（3次试验平均值），且其中没有单个数值低于20J。

（3）对于设计温度低于-20 ℃的（例如在北极地区使用），应提出补充的冲击韧性要求（见API Spec 8C标准附录A.3，SR2）。在规定温度（或更低）下的最低冲击韧性值应取AKV≥27 J（3次试验平均值），且其中没有单个数值低于20 J。

（4）断面收缩率≥25%。

（5）采用等效圆（ER）法确定用于某一零件合格试验试样的尺寸，具体规定见API Spec 8C标准6.4条。

3 质量控制

对于主承载件和承压件，API Spec 8C标准对化学分析、抗拉试验、冲击试验、可追溯性、目视检测、无损检测、试验等方面做出了規定。本文主要对表面无损检测、铸件三维无损检测、焊缝的无损检测，见证载荷试验作简要介绍。

3.1 表面无损检测

API Spec 8C标准8.4.7条规定，每个成品构件的所有可达到表面均应在最终热处理后和最终机加工后按8.4.7要求进行检验。同时给出了检验方法、显示的评定和验收准则。

对于铸件应在图纸上规定“关键部件”，如果关键部位在图纸上没有标注的话，则该件的所有表面应视为都是关键的。关键部位应是该件中应力超过75%许用应力的所有部位。应采用ASTM E125作为评定铸件磁粉检测显示的参考标准。API Spec 8C标准8.4.7.4.1条分别给出了PSL1级和PSL2级的验收准则，并对关键部位和非关键部位提出了不同的要求。当构件中的应力是压应力和/或应力低于10%许用应力时，应免除验收准则的限制。因此，低应力部位应在图纸中标出。

3.2 铸件三维无损检测

铸件三维无损检测的方法分为射线照相检测和超声波检测。取样方法见API Spec 8C标准8.4.8.2条。

验收准则同上所述，铸件分关键部位、非关键部位和低应力部位，不同部位有不同的要求。API Spec 8C标准8.4.8.3条分别给出了PSL1级和PSL2级的铸件三维无损检测的验收准则。

3.3 焊缝无损检测

制造焊缝的无损检测包括：目视检测、表面无损检测及三维无损检测。关于三维无损检测，对于PSL1级仅适用于全焊透焊缝；对于PSL2级适用于所有焊缝。

返修焊缝的无损检测包括：焊接坡口、铸件的补焊焊缝、焊缝的返修。对于PSL2，如果返修厚度超过原壁厚的25%或25.4 mm（以较小者为准），则该返修应属于大型返修，同样应用射线照相法或超声波法进行检测。

3.4 见证载荷试验

吊卡、吊环、卡盘（如果可用作吊卡时）、安全卡夹（如果可用作提升设备时）等设备的每台产品均应进行见证载荷试验。如果用户在合同中要求进行见证载荷试验，在上面没有列出的设备也应进行见证载荷试验。

见证载荷试验的试验载荷应等于1.5倍的额定载荷，且保持时间不得少于5 min。载荷试验后的检查应符合API Spec 8C标准8.6.2条的规定。

4 结论

（1）规定了产品规范等级PSL1和PSL2，确定主承载件和承压件是设计者的责任。重点对主承载件和承压件实施质量控制。

（2）设计与最低操作（环境）温度为-20℃，并要求主承载件或承压件的材料冲击韧性AKV≥42 J。设计（环境）温度低于-20℃时，AKV≥27 J。

（3）采用等效圆（ER）方法确定某一零件的合格试验试样（试棒）的尺寸。取样部位在8C标准有明确规定。

（4）一般情况下，最大许用应力代表的是零件某截面中的平均应力的最大允许应力。在做API强度分析的同时，还应按ASME第Ⅷ卷第2册的办法进行应力分析。

（5）通过学习和贯彻执行API Spec 8C标准，提高了提升设备的产品质量和可靠性，同时也加深了对API Spec 8C标准的理解和认识。对提升我国石油钻采装备的质量水平有积极意义。

参考文献

[1] API Spec 8C—2003，钻井和采油提升设备（PSL1和PSL2）[S].4版.

[2] API Spec 8A-1997，钻井和采油提升设备[S].13版.