21 m井架额定钩载受力解析与稳定力矩数值计算

徐瑞波

（大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江大庆 163400）

0 引言

XJ-250作业机是大庆油田主力作业机型，对油井作业起着至关重要的作用。近些年为了适应压裂管柱和其它下井工具长度增加的生产需要，新购入的XJ250作业机井架高度采用21 m结构形式，比原来18 m井架高出3 m，3 m的高度变化对井架起立倾角、井架实际受力状态，以及对作业机整体的稳定产生一定影响，有的井队甚至发生了作业机整体倾翻事故，造成了较大经济损失。由于购入的21 m井架XJ250作业机，厂家没有给提供详细的受力状态数据表，导致作业机在安装和运行中仅能够参照数据不够明确，与实际操作有一定偏差的使用说明书，这就使21 m井架XJ250作业机的安装、使用带来了一定的困难。为了解决无井架受力数据的问题，本文对井架实际受力状态进行了解析和相关数据的计算。

1 21 m井架实际受力状态解析

1.1 井架受力种类描述

正常情况下井架承受负荷绷绳拉力，钩载负荷拉力，防风绷绳拉力，以及风吹产生的推力。其中负荷拉力又会分解为井架后向拉力，井架顺向压力，井架基座垂直压力，井架基座水平横向推力。只有这些力或分力小于稳定状态力数值时，井架才会处于安全运行状态。

1.2 作业机现场实际安装状态

（1）正常情况下，作业机车尾与井口间需要留有一定的距离，以保证给井口操作留有适当的空间（图1）。

（2）不同井架倾角情况下，车尾千斤中心距离井口的距离是 3°为 1.1 m，4.5°为 1.65 m，5°为 1.87 m；最大钩载（67.5 t）在井架垂直方向上形成的拉力为3°为 3.533 t，4.5°为 5.296 t，5°为5.883 t（图2）。从表1中可以看出井架后向倾角越大，井架后倾拉力就越大，当这一力量达到一定程度时，其造成的后倾力矩就会导致井架向后倾翻。

图1 作业机现场安装状态

（3）倾角为5°，最大钩载（67.5 t）时，井架基座存在向车头方向5.86 t的推力，垂直向下压力66.98 （t图3）。当钩载数值一定时，倾角越大井架基座承受的向前推力就越大，使作业机整体有向车头方向滑动的趋势。当这一数值大于最大滑动力时，作业机就会发生滑动，同时井架就会向后倾翻。因此，在设备安装时，必须保证井架基础的牢固。当铺垫钢质基础时，应在井架基座与基础减添加一定量的泥土，保证基座与基础具有较大的摩擦力。

图2 不同倾角井架垂直拉力状态

表1 不同倾角井架后倾拉力

（4）井架侧向1.5°时，天车中心侧向偏移0.55 m（严重超出垂直标准），在最大钩载（67.5 t）情况下，天车受到的侧向拉力为1.767 t，大大降低井架的稳定性，甚至会造成倒井架事故的发生。

图3 井架倾角5°基座受力状态

2 21 m井架受力数值计算

2.1 计算所需基本数据

XJ250作业机总重量27.44 t。井架自身重量8.169 t。作业机自身重量（除去井架重量）19.271 t。井架总高度21.05 m。井架重心高度9.5 m。作业机重心位置：井架千斤中心向车头方向4.987 m。井架实际倾角，正常倾角为3°～5°。大钩实际负荷，最大钩载67.5 t，设定不同井架倾角。

2.2 井架受力数值计算过程描述

计算井架钩载负荷分力：井架负荷后倾拉力、井架负荷顺向压力。计算井架钩载后倾力矩：井架钩载后倾拉力×21.05 m。计算井架自重负荷分力：井架自重后倾方向拉力、井架自重顺向方向力。计算井架自重后倾力矩：井架自重后倾方向拉力×9.5 m。计算井架后倾力矩之和：井架钩载负荷后倾力矩+井架自重后倾力矩。计算井架后倾拉力合力：井架钩载负荷后倾拉力+井架自重后倾力。计算井架顺向压力合力：井架负荷顺向压力+井架自重顺向方向压力。计算井架基座负荷分力：基座水平向前推力、基座垂直向下压力。计算井架极限倾翻力矩：作业机自身重量（除去井架重量）×4.987 m。计算钩载临界点数值：（井架极限倾翻力矩—井架自重后倾力矩）/21.05 m。临界点钩载说明：①假设井架、钢丝绳、大钩及复合绷绳均有足够大的强度；②井架倾角3°时的最大钩载可以达到83.543 t；③井架21m的XJ250作业机最佳井架倾角为4°或4.5°，与滚筒大绳承载能力匹配；④井架4.5°倾角最大静钩载＜54 t；⑤井架5°倾角最大静钩载＜48 t；⑥原厂使用说明所给出的67.5 t最大钩载实验，是在井架倾角＜3.5°条件下进行的拉力负荷试验。