基于API标准的CD51/2IEU—250钻杆吊卡的设计

摘要：API是美国石油学会的英文缩写。API在石油机械行业享有很高的声望，它是美国承认的石油机械认证机构。它所制定的石油技术标准被许多国家采用，并在招标采购时，一般都要求有API标志的产品才能参加投标。因此，拥有API标志的石油机械设备不仅被认为是质量可靠而且具有先进水平。因此，客户在定购石油机械产品时都会要求我们按照API标准进行设计。基于API 标准的钻杆吊卡就是在这种情况下开发的，经过现场使用，得到用户的认可。并且通过了认证， 取得API Spce 8C标志使用权。

关键词： API 标准； 钻杆吊卡； 设计； 安全系数；应力；疲劳分析

CD51/2IEU-250钻杆吊卡是石油钻采中用于钻井或修井作业悬持钻杆起升或下降的重要工具。我公司应客户要求设计生产了基于API Spce 8C《钻井和采油提升设备》标准的CD51/2IEU-250钻杆吊卡。

1.设计条件：API Spce 8C4.2条款设计条件中规定可知吊卡的设计温度为-20℃（-4°F）。

2.主要参数：由API Spce 8C9.8条款相关要求确定主要参数：

根据API SPEC 8C，吊卡（250 ton）吊耳相关尺寸取G2取为50mm， H2取为65mm。G2 和H2位置如下图所示。

3.材料： 主体及活门材料均采用GB/T3077-35CrMoA锻件，调质HB289-335。

力学性能：σb≥980MPa；σS≥835MPa；δ≥12%；Z≥45%； （-20℃） ≥42J

4.设计准则

4.1 设计安全系数

依据API Spce 8C 表1，该吊卡额定载荷为2250kN，设计安全系数SFD按下式确定[1]：

SFD=3.0-[0.75×（R-1334）/3114]=3.0-[0.75×（2224-1334）/3114]=2.78

4.2 许用应力的确定

4.2.1 依据弹性理论，由设计载荷引起的公称等效应力不应超过最大许用应力A Smax [1]。

A Smax =σS /SFD=835MPa/2.78=300.3MPa

4.2.2 依据塑性分析，由设计载荷引起的公称等效应力不应超过最大许用应力A Smax [1]。

A Smax =σb /SFD=980MPa/2.78=352.5MPa

4.2.3 涉及到剪切：剪切屈服强度与抗拉屈服强度的比值为0.58。

5.强度校核

钻杆吊卡悬持钻杆时，其两侧的耳孔与吊环相连，钻杆吊卡和钻杆的重量由两侧耳孔与吊环接触处承担。吊卡耳孔与吊环的接触处为吊卡受力的最危险区域，对此截面（A-A）进行强度校核。

Fmax最大可取2225kN，取Fmax=2250kN，则A-A截面的拉力

FA-A=F/2=2225/2=1112.5kN，A-A截面的应力：

[σ]= FA-A/ SA-A=1112.5×103/7966=139.656 Mpa，满足上面4.2 中许用应力的要求。

故A-A截面满足设计要求，同时所选材料也符合要求。

6.设计验证试验载荷（国内作为型式试验的载荷）的确定

根据API Spce 8C5.3.2条款关于设计验证试验的要求，

设计验证试验载荷=0.8×R×SFD=0.8×2225×2.78=4948kN。（R -额定载荷、SFD—设计安全系数）

当载荷为设计验证试验载荷时，A-A截面的应力：

[σ]= （4948÷2）/ 7966=310 Mpa<352.5Mpa， 在设计验证试验载荷作用下设计也符合要求。

7.疲劳分析

根据API 8C中4.3.7条款对CD吊卡进行疲劳分析。根据材料疲劳极与抗拉强度的关系[2]的有关内容，我们对吊卡主体及活门（材料为35CrMoA）的疲劳极限进行估算。

由式（2-17）σ-1=fσb[2]，可得对应的疲劳极限σ-1=0.47x980=460.6MPa。

由前面的计算来看，吊卡的主要构件所受应力均小于材料的疲劳极限值。由σ-1疲劳极限的定义[3]可知，用N=（0.5-1）x107 为基数作为确定钢的疲劳极限，N为应力循环数。我们以CD吊卡每天工作400次计算，一年工作天数为150天进行估算（实际没有这么多次数），则CD吊卡一年的应力循环数为：N′=150x400=6x104，20年的应力循环数为N″=20x6x104=1.2x 106。我们取N=0.5x107=5x106。

N″

8.结语

基于API Spce 8C《钻井和采油提升设备》标准设计的CD51/2IEU-250钻杆吊卡经过在江苏油田现场使用后，得到用户的认可，完全满足矿场使用要求。日前该型钻杆吊卡已经通过了API Spce 8C认证， 取得API Spce 8C标志使用权。由此可见，该钻杆吊卡的设计是成功的，值得推广。

参考文献

[1]API Spec 8C《钻井和采油提升设备》

[2]《抗疲劳设计：方法与数据》（赵少汴、王忠保主编）

[3]《机械设计手册》第四版（成大先主编、化学工业出版社）

作者简介：李建红（1974.11-），男，江苏如东人，工程师，现从事石油机械的研发和技术管理工作。

通信地址：江苏省如东县掘港镇朝阳路17号