基于API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制分析

馮琦

摘 要：貫徹執(zhí)行API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)，有利于提高鉆井和采油提升設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，特別是低溫環(huán)境和極地環(huán)境用鉆機(jī)的適應(yīng)性。對(duì)提升我國(guó)石油鉆采裝備的質(zhì)量水平有著十分積極的意義。

關(guān)鍵詞：API 8C標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 質(zhì)量控制 理解 認(rèn)識(shí)

中圖分類號(hào)：F273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（a）-0085-01

API Spec 8C—2003第4版標(biāo)準(zhǔn)[1]是ISO13535：2002的修訂本，與API Spec 8A標(biāo)準(zhǔn)比較，其技術(shù)要求更具體，明確了設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和質(zhì)量控制要求。

1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.1 設(shè)計(jì)條件

（1）設(shè)備的操作人員應(yīng)負(fù)責(zé)確定任一提升作業(yè)的安全工作載荷。這一條件是給用戶的操作者提出的要求。安全工作載荷（Safe Working Load）的定義：設(shè)計(jì)載荷減去動(dòng)載荷。

（2）設(shè)計(jì)與最低操作溫度為-20 ℃。

（3）當(dāng)最低操作溫度低于-20 ℃時(shí)，可按API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)的附錄A中A.3條確定主承載件材料的低溫試驗(yàn)要求。

1.2 強(qiáng)度分析

API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)在“強(qiáng)度分析”中指出，設(shè)備的設(shè)計(jì)分析應(yīng)提出超過(guò)屈服、疲勞或彎曲的可能發(fā)生失效的形式。強(qiáng)度分析一般以彈性理論為依據(jù)。然而，適當(dāng)情況下可以采用極限強(qiáng)度（塑性）分析。有限元分析可以和分析方法一起使用。所有影響設(shè)計(jì)的力均應(yīng)予以考慮。對(duì)于所考慮的每一個(gè)截面，應(yīng)采用力的作用位置與方向的最不利的組合方式。

API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)中給出的最大允許應(yīng)力為

（1）

式中：ASmax為零件某橫截面中的平均應(yīng)力的最大允許應(yīng)力；YSmin為規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度；SFD為設(shè)計(jì)安全系數(shù)，與載荷額定值有關(guān)，在2.25～3.00之間變化，可以從API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)中查找公式計(jì)算出正確數(shù)值。

式（1）給出的最大允許應(yīng)力沒有考慮到象彎曲應(yīng)力、應(yīng)力集中等應(yīng)力影響。因此，在按照API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，還應(yīng)當(dāng)按照ASME Ⅷ第2冊(cè)[2]強(qiáng)制性附錄4進(jìn)行應(yīng)力分析。

2 材料要求

（1）對(duì)于規(guī)定最小屈服強(qiáng)度≥310 MPa的材料，在-20 ℃時(shí)平均沖擊韌性值（AKV）應(yīng)取AKV≥42 J（3次試驗(yàn)平均值），且其中沒有單個(gè)數(shù)值低于32 J。

（2）對(duì)于規(guī)定最小屈服強(qiáng)度<310 MPa的材料，在-20 ℃時(shí)平均沖擊韌性值應(yīng)取AKV≥27 J（3次試驗(yàn)平均值），且其中沒有單個(gè)數(shù)值低于20J。

（3）對(duì)于設(shè)計(jì)溫度低于-20 ℃的（例如在北極地區(qū)使用），應(yīng)提出補(bǔ)充的沖擊韌性要求（見API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)附錄A.3，SR2）。在規(guī)定溫度（或更低）下的最低沖擊韌性值應(yīng)取AKV≥27 J（3次試驗(yàn)平均值），且其中沒有單個(gè)數(shù)值低于20 J。

（4）斷面收縮率≥25%。

（5）采用等效圓（ER）法確定用于某一零件合格試驗(yàn)試樣的尺寸，具體規(guī)定見API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)6.4條。

3 質(zhì)量控制

對(duì)于主承載件和承壓件，API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)化學(xué)分析、抗拉試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、可追溯性、目視檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)、試驗(yàn)等方面做出了規(guī)定。本文主要對(duì)表面無(wú)損檢測(cè)、鑄件三維無(wú)損檢測(cè)、焊縫的無(wú)損檢測(cè)，見證載荷試驗(yàn)作簡(jiǎn)要介紹。

3.1 表面無(wú)損檢測(cè)

API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)8.4.7條規(guī)定，每個(gè)成品構(gòu)件的所有可達(dá)到表面均應(yīng)在最終熱處理后和最終機(jī)加工后按8.4.7要求進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)給出了檢驗(yàn)方法、顯示的評(píng)定和驗(yàn)收準(zhǔn)則。

對(duì)于鑄件應(yīng)在圖紙上規(guī)定“關(guān)鍵部件”，如果關(guān)鍵部位在圖紙上沒有標(biāo)注的話，則該件的所有表面應(yīng)視為都是關(guān)鍵的。關(guān)鍵部位應(yīng)是該件中應(yīng)力超過(guò)75%許用應(yīng)力的所有部位。應(yīng)采用ASTM E125作為評(píng)定鑄件磁粉檢測(cè)顯示的參考標(biāo)準(zhǔn)。API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)8.4.7.4.1條分別給出了PSL1級(jí)和PSL2級(jí)的驗(yàn)收準(zhǔn)則，并對(duì)關(guān)鍵部位和非關(guān)鍵部位提出了不同的要求。當(dāng)構(gòu)件中的應(yīng)力是壓應(yīng)力和/或應(yīng)力低于10%許用應(yīng)力時(shí)，應(yīng)免除驗(yàn)收準(zhǔn)則的限制。因此，低應(yīng)力部位應(yīng)在圖紙中標(biāo)出。

3.2 鑄件三維無(wú)損檢測(cè)

鑄件三維無(wú)損檢測(cè)的方法分為射線照相檢測(cè)和超聲波檢測(cè)。取樣方法見API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)8.4.8.2條。

驗(yàn)收準(zhǔn)則同上所述，鑄件分關(guān)鍵部位、非關(guān)鍵部位和低應(yīng)力部位，不同部位有不同的要求。API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)8.4.8.3條分別給出了PSL1級(jí)和PSL2級(jí)的鑄件三維無(wú)損檢測(cè)的驗(yàn)收準(zhǔn)則。

3.3 焊縫無(wú)損檢測(cè)

制造焊縫的無(wú)損檢測(cè)包括：目視檢測(cè)、表面無(wú)損檢測(cè)及三維無(wú)損檢測(cè)。關(guān)于三維無(wú)損檢測(cè)，對(duì)于PSL1級(jí)僅適用于全焊透焊縫；對(duì)于PSL2級(jí)適用于所有焊縫。

返修焊縫的無(wú)損檢測(cè)包括：焊接坡口、鑄件的補(bǔ)焊焊縫、焊縫的返修。對(duì)于PSL2，如果返修厚度超過(guò)原壁厚的25%或25.4 mm（以較小者為準(zhǔn)），則該返修應(yīng)屬于大型返修，同樣應(yīng)用射線照相法或超聲波法進(jìn)行檢測(cè)。

3.4 見證載荷試驗(yàn)

吊卡、吊環(huán)、卡盤（如果可用作吊卡時(shí)）、安全卡夾（如果可用作提升設(shè)備時(shí)）等設(shè)備的每臺(tái)產(chǎn)品均應(yīng)進(jìn)行見證載荷試驗(yàn)。如果用戶在合同中要求進(jìn)行見證載荷試驗(yàn)，在上面沒有列出的設(shè)備也應(yīng)進(jìn)行見證載荷試驗(yàn)。

見證載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)載荷應(yīng)等于1.5倍的額定載荷，且保持時(shí)間不得少于5 min。載荷試驗(yàn)后的檢查應(yīng)符合API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)8.6.2條的規(guī)定。

4 結(jié)論

（1）規(guī)定了產(chǎn)品規(guī)范等級(jí)PSL1和PSL2，確定主承載件和承壓件是設(shè)計(jì)者的責(zé)任。重點(diǎn)對(duì)主承載件和承壓件實(shí)施質(zhì)量控制。

（2）設(shè)計(jì)與最低操作（環(huán)境）溫度為-20℃，并要求主承載件或承壓件的材料沖擊韌性AKV≥42 J。設(shè)計(jì)（環(huán)境）溫度低于-20℃時(shí)，AKV≥27 J。

（3）采用等效圓（ER）方法確定某一零件的合格試驗(yàn)試樣（試棒）的尺寸。取樣部位在8C標(biāo)準(zhǔn)有明確規(guī)定。

（4）一般情況下，最大許用應(yīng)力代表的是零件某截面中的平均應(yīng)力的最大允許應(yīng)力。在做API強(qiáng)度分析的同時(shí)，還應(yīng)按ASME第Ⅷ卷第2冊(cè)的辦法進(jìn)行應(yīng)力分析。

（5）通過(guò)學(xué)習(xí)和貫徹執(zhí)行API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)，提高了提升設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，同時(shí)也加深了對(duì)API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)的理解和認(rèn)識(shí)。對(duì)提升我國(guó)石油鉆采裝備的質(zhì)量水平有積極意義。

參考文獻(xiàn)

[1] API Spec 8C—2003，鉆井和采油提升設(shè)備（PSL1和PSL2）[S].4版.

[2] API Spec 8A-1997，鉆井和采油提升設(shè)備[S].13版.