小吨位一体化游车大钩静载荷试验

高成，叶锐,2，王雨豪，李瑞东，孟庆泽，高妍

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心, 陕西 宝鸡 721002）

0 引言

游车、大钩是石油钻机重要的提升设备。在钻井作业中主要用于悬吊和起下钻杆柱、更换钻头、下套管等[1]。一体化游车大钩则是游车和大钩的组合体，设计采用了游车与大钩整体相连的结构。游车部分主要由滑轮、滑轮轴、轴承、左侧板组、右侧板组、护罩、吊梁等零件组成；大钩部分主要由筒体、缓冲弹簧、钩杆、转环、主轴承、定位环、滚轮环、钩身、钩杆销、安全销轴、缓冲装置、转锁装置等零部件组成。两部分通过销轴连接为一个整体。

一体化游车大钩主要为了配套ZJ15/30-40钻机，结构上整体长度大大缩短，可简化连接过程，可节约制造和使用成本，并且对于井架有效高度较低、内开裆较小的轻便式钻机、快速移运钻机、车载钻机、修井机等产品具有独特的结构优势。

1 一体化游车大钩的静载荷试验内容及特点

1.1 试验内容

根据一体化游车大钩《试验大纲》的要求，一体化游车大钩需要做静载荷试验，从而对一体化游车大钩部件的实际性能进行试验验证。

1.2 试验特点

根据API Spec 8A中关于提升设备试验载荷的规定，一体化游车大钩出厂前必须在最大额定载荷下进行各部件的设计验证性试验。在设计验证性试验中部分部件不允许使用产品部件，所以需要重新设计工装对一体化游车大钩的受力情况进行近似的模拟，从而在试验中达到模拟实际受力工况的目的。试验时在最大试验载荷范围内由小到大进行加载和保压。加载的同时通过电阻应变片对一体化游车大钩试验部位的应力和应变进行实时监测，保证试验结果的连续性和准确性，从而判定一体化游钩的实际受力分布和各部件受载情况[2]。

2 试验方案设计

2.1 试验分析

根据API Spec 8A 中关于游吊系统的验证性试验载荷标准，以YG135一体化游钩为例，试验拉力需根据如下公式进行计算：试验载荷=0.8×R×SFD；计算额定载荷值R=1350 kN；选用的设计安全系数SFD=3.0；试验载荷=0.8×R×SFD=0.8×1350×3.0=3240 kN。

YG135一体化游钩验证性试验载荷最大值为3240 kN，所以必须在大于3240 kN额定钩载的钻机上进行。

在钻机上进行试验就需要解决以下问题：1）钻机额定钩载必须大于3240 kN；2）一体化游钩与钻机游吊系统、静载荷试验装置之间的连接；3）不能安装产品用滑轮和轴承，还要模拟滑轮销轴上的受力工况，所以必须设计代替滑轮和轴承的连接部件；4）由于没有产品游钩吊梁的支撑，在受力后游钩两侧可能产生向内靠拢的力，所以必须要有对游钩侧板支撑的部件；5）对一体化游钩在试验过程中部件应力的实时监测，以及在各个拉力值时的应变情况监测。

2.2 试验方案的提出与解决办法

在钻机井口位置选择一台钻深7000 m，额定钩载为4500 kN钻机对YG135一体化游钩进行静载荷加载试验，试验方案如图1所示。

图1 一体化游钩在钻机上试验方案

3 试验工装设计及校核计算

3.1 连接工装设计

连接工装包括连接板总成、连接轴总成、提环、提环销轴。

3.1.1 连接板总成

连接板总成是代替产品滑轮与轴承的连接部件，是为了模拟钢丝绳穿入滑轮而在滑轮销轴、两侧板上产生力的作用而设计。连接板总成是由4件形状相同的连接板组成（如图2），上端通过连接轴总成与试验用吊环相连、下部通过滑轮轴与游钩两侧板相连。

图2 连接板总成

综合上述分析计算，连接板的设计强度满足试验要求。

3.1.3 连接销校核计算

将销轴两端简化为悬臂梁，销轴只在两端吊环的作用下受到剪切力和弯矩，所以只需要计算销轴的剪切力和弯矩符合要求就可以[3]。

MPa，[σ]=208 MPa，σmax＜[σ]，所以连接销轴抗弯承载能力符合要求。

综合上述分析计算，连接销轴的设计强度满足试验要求。

3.1.4 提环销轴校核计算

将提环销轴两端简化为悬臂梁，销轴只在两端吊环的作用下受到剪切和弯矩，所以只需要计算销轴的剪切和弯矩符合要求就可以。

1）提环销轴剪切承载力计算。

[σ]=341.3 MPa，σmax＜[σ]，提环销轴抗弯承载能力符合要求。

综合上述分析计算，提环销轴的设计强度满足试验要求。

3.1.5 提环校核

采用ANSYS分析结合ASME Ⅷ标准进行提环的强度验证，提环材料为20SiMn2MoVA，经过调质处理后σs≥1090 MPa[4]。

根据ASME Ⅷ标准，在以下三种工况上进行判断：1）Pm≤0.9σs，由表查出Pm=473.4 MPa，所以473.4 MPa＜981 MPa；2）Pm+Pb≤1.35σs，由表查出Pm+Pb=1238 MPa，所以1238 MPa＜1471.5 MPa；3）Pm+Pb≤2.35σs-1.5Pm，由表查出Pm+Pb=1238 MPa，所以1238 MPa＜1851.4 MPa。

综合上述三种计算及判断标准，提环的力学性能符合要求，可以承受载荷试验所加载荷。

4 应力应变监测

通过在钩体上贴电阻应变片来监测钩体上的应力应变，然后通过试验得出钩体上应力应变的相应分布。

图3 提环ANSYS受力分析图及数据

5 结语

小吨位一体化游车大钩的现场静载荷试验完全按照预先设计的试验方案进行试验，工装完全符合试验要求，完成了YG135一体化游车大钩在两种工况和相应状态下的各种静载荷试验，得出了各种试验参数和相关工作性能参数，最终顺利完成了全部试验，并且符合SHE的相关要求。

通过试验得出以下结论：1）由于20 000 kN静载荷拉伸试验机载荷波动过大，不适合小吨位一体化游钩的试验；2）连接板总成工装的设计和使用更加准确地模拟一体化游钩两侧板、滑轮轴的受力情况，同时避免滑轮轴承无法承受最大试验载荷而造成产品轴承的破坏；3）两种试验方案相比，在钻机上进行一体化游钩验证性试验更能模拟其真实的受力状况，更能检测出各部分的应力应变情况；4）钻机上进行试验，可以通过两套检测系统（加载装置本身检测系统、钻机的钻井仪表系统）对试验载荷进行监测，更有利于数据采集的准确性。