基于API標準的CD51/2IEU—250鉆桿吊卡的設計

摘要：API是美國石油學會的英文縮寫。API在石油機械行業享有很高的聲望，它是美國承認的石油機械認證機構。它所制定的石油技術標準被許多國家采用，并在招標采購時，一般都要求有API標志的產品才能參加投標。因此，擁有API標志的石油機械設備不僅被認為是質量可靠而且具有先進水平。因此，客戶在定購石油機械產品時都會要求我們按照API標準進行設計。基于API 標準的鉆桿吊卡就是在這種情況下開發的，經過現場使用，得到用戶的認可。并且通過了認證， 取得API Spce 8C標志使用權。

關鍵詞： API 標準； 鉆桿吊卡； 設計； 安全系數；應力；疲勞分析

CD51/2IEU-250鉆桿吊卡是石油鉆采中用于鉆井或修井作業懸持鉆桿起升或下降的重要工具。我公司應客戶要求設計生產了基于API Spce 8C《鉆井和采油提升設備》標準的CD51/2IEU-250鉆桿吊卡。

1.設計條件：API Spce 8C4.2條款設計條件中規定可知吊卡的設計溫度為-20℃（-4°F）。

2.主要參數：由API Spce 8C9.8條款相關要求確定主要參數：

根據API SPEC 8C，吊卡（250 ton）吊耳相關尺寸取G2取為50mm， H2取為65mm。G2 和H2位置如下圖所示。

3.材料： 主體及活門材料均采用GB/T3077-35CrMoA鍛件，調質HB289-335。

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

4.設計準則

4.1 設計安全系數

依據API Spce 8C 表1，該吊卡額定載荷為2250kN，設計安全系數SFD按下式確定[1]：

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

4.2 許用應力的確定

4.2.1 依據彈性理論，由設計載荷引起的公稱等效應力不應超過最大許用應力A Smax [1]。

A Smax =σS /SFD=835MPa/2.78=300.3MPa

4.2.2 依據塑性分析，由設計載荷引起的公稱等效應力不應超過最大許用應力A Smax [1]。

A Smax =σb /SFD=980MPa/2.78=352.5MPa

4.2.3 涉及到剪切：剪切屈服強度與抗拉屈服強度的比值為0.58。

5.強度校核

鉆桿吊卡懸持鉆桿時，其兩側的耳孔與吊環相連，鉆桿吊卡和鉆桿的重量由兩側耳孔與吊環接觸處承擔。吊卡耳孔與吊環的接觸處為吊卡受力的最危險區域，對此截面（A-A）進行強度校核。

Fmax最大可取2225kN，取Fmax=2250kN，則A-A截面的拉力

FA-A=F/2=2225/2=1112.5kN，A-A截面的應力：

[σ]= FA-A/ SA-A=1112.5×103/7966=139.656 Mpa，滿足上面4.2 中許用應力的要求。

故A-A截面滿足設計要求，同時所選材料也符合要求。

6.設計驗證試驗載荷（國內作為型式試驗的載荷）的確定

根據API Spce 8C5.3.2條款關于設計驗證試驗的要求，

設計驗證試驗載荷=0.8×R×SFD=0.8×2225×2.78=4948kN。（R -額定載荷、SFD—設計安全系數）

當載荷為設計驗證試驗載荷時，A-A截面的應力：

[σ]= （4948÷2）/ 7966=310 Mpa<352.5Mpa， 在設計驗證試驗載荷作用下設計也符合要求。

7.疲勞分析

根據API 8C中4.3.7條款對CD吊卡進行疲勞分析。根據材料疲勞極與抗拉強度的關系[2]的有關內容，我們對吊卡主體及活門（材料為35CrMoA）的疲勞極限進行估算。

由式（2-17）σ-1=fσb[2]，可得對應的疲勞極限σ-1=0.47x980=460.6MPa。

由前面的計算來看，吊卡的主要構件所受應力均小于材料的疲勞極限值。由σ-1疲勞極限的定義[3]可知，用N=（0.5-1）x107 為基數作為確定鋼的疲勞極限，N為應力循環數。我們以CD吊卡每天工作400次計算，一年工作天數為150天進行估算（實際沒有這么多次數），則CD吊卡一年的應力循環數為：N′=150x400=6x104，20年的應力循環數為N″=20x6x104=1.2x 106。我們取N=0.5x107=5x106。

N″

8.結語

基于API Spce 8C《鉆井和采油提升設備》標準設計的CD51/2IEU-250鉆桿吊卡經過在江蘇油田現場使用后，得到用戶的認可，完全滿足礦場使用要求。日前該型鉆桿吊卡已經通過了API Spce 8C認證， 取得API Spce 8C標志使用權。由此可見，該鉆桿吊卡的設計是成功的，值得推廣。

參考文獻

[1]API Spec 8C《鉆井和采油提升設備》

[2]《抗疲勞設計：方法與數據》（趙少汴、王忠保主編）

[3]《機械設計手冊》第四版（成大先主編、化學工業出版社）

作者簡介：李建紅（1974.11-），男，江蘇如東人，工程師，現從事石油機械的研發和技術管理工作。

通信地址：江蘇省如東縣掘港鎮朝陽路17號