防噴器組起吊裝置承載試驗臺設計及應用

周利明，孟慶榮，王建偉，王紅杰，董淑榮，王義朋，徐 茂，齊瑞騫（．河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北　任丘0655；．四川科特石油工業井控質量安全監督測評中心，四川　德陽6800；．中航工業雷華電子技術研究所，江蘇　無錫406）

防噴器組起吊裝置承載試驗臺設計及應用

周利明1，孟慶榮1，王建偉1，王紅杰1，董淑榮1，王義朋1，徐 茂2，齊瑞騫3
（1．河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘062552；2．四川科特石油工業井控質量安全監督測評中心，四川德陽618300；3．中航工業雷華電子技術研究所，江蘇無錫214063）

在進行防噴器組起吊裝置承載試驗時采用起吊成組防噴器的加載方法，此試驗方法有3個弊端：第一，防噴器組的拆裝耗費很大的人力、物力，效率不高；第二，有時無法找到與起吊裝置試驗載荷相同的防噴器組；第三，防噴器組高度較高，存在一定的安全隱患。為了設計防噴器組起吊裝置承載試驗臺，通過2種設計方案的優缺點對比，以及不同工況下承重梁的有限元分析，選擇方案二，具有安裝簡便、安全性高、可任意調節中心距等優點。經過試驗和應用，驗證了該結構的合理性及廣泛的適用性，不僅有效地解決了以上3個問題，并且還可以兼顧環形防噴器吊耳的承載能力試驗，達到了預期的效果。

防噴器；起吊裝置；試驗臺；設計

防噴器組起吊裝置的作用是在防噴器的安裝和拆卸過程中，將防噴器組進行整體吊裝。該起吊裝置是涉及現場安全的關鍵設備，按照規范要求，在出廠之前需對每件起吊裝置進行載荷驗證試驗，試驗載荷值為額定載荷的1．5倍。近年來，為了提高井口裝置的安裝和拆卸效率，用戶需求的防噴器組起吊裝置的數量和種類越來越多，因此制造廠的產量也在不斷增加。以前在對防噴器組起吊裝置進行出廠試驗時，采用起吊防噴器組的方法進行加載，已無法滿足生產要求，且存在安裝、拆卸難；試驗時間長；試驗載荷不合適；存在安全隱患等弊端，急需設計和制造防噴器組起吊裝置的試驗臺來解決以上難題。試驗臺要滿足不同載荷和不同中心距的起吊裝置的載荷試驗要求。本文采用三維建模，有限元計算方法進行設計和分析［1-3］，避免了以前根據經驗和機械設計手冊公式近似計算導致設計周期長、安全性低、設計尺寸過大、浪費成本、不能全面了解裝置受力的薄弱環節［4］，無法準確的制定出裝置復驗的關鍵位置，長期使用會造成安全隱患等問題，實現起吊裝置試驗的快速、安全、可靠，具有極高的推廣價值。

1 起吊裝置的結構和受力分析

通常情況下，防噴器組的起吊裝置由平板、吊耳、卸扣等組成，起吊時環形防噴器位于起吊裝置的上方，環形防噴器的法蘭穿過起吊裝置的中心孔，其法蘭脖頸上端面位于如圖1所示的陰影環面上。起吊裝置的受力情況如圖1。

中間環帶（環帶的最大外圓與接觸的最大外圓相同）受向下的力F1（起吊防噴器組的重力），兩端卸扣受向上的力F2（一端），承重裝置的重力為G，兩卸扣中心之間的距離為L。

試驗載荷F＝1．5×F1＋G

承重裝置的重力相對防噴器組的重力可以忽略不計，因此試驗載荷F＝1．5×F1＝3F2

圖1 防噴器組起吊裝置的受力狀況

2 試驗裝置的整體方案

根據起吊裝置的受力情況，考慮采用兩端固定，下壓中心環帶的受力方式來模擬起吊裝置工作時的受力情況。采用液壓缸施加載荷，通過改變液壓缸內輸入的液壓油的油壓，得到不同的試驗載荷，結構方案如圖2～3。方案一：在試驗時，起吊裝置放置在試驗臺下部，試驗臺對被試驗的起吊裝置向下施加載荷來模擬實際起吊時的受力狀況；方案二：在試驗時，起吊裝置放置在試驗臺上部，試驗臺對被試驗的起吊裝置施加向上的載荷來模擬實際起吊時的受力狀況。

兩種方案均采用液壓缸加載方式施加載荷，在液缸施加載荷腔內注入液壓油，推動缸內活塞運動，帶動連接在活塞和活塞軸上的底板一起運動，完成對被試驗裝置的加載，并通過調節注入的液壓油的壓力，來得到滿足試驗要求的載荷。

式中：p為液壓缸的液壓油壓力；S為液壓缸活塞的面積。

圖2 試驗裝置（方案一）結構及受力

圖3 試驗裝置（方案二）結構及受力

2．1 極限載荷的確定

通過對起吊裝置的中心距和起吊載荷進行分析（環形頂蓋的起吊載荷與起吊裝置的載荷相同，但中心距比起吊裝置的中心距小，可以不必考慮），計算力矩，得到承重梁需要承受的最大彎矩作為設計的主要依據，經歸類數據如表1。

計算得出該試驗臺的強度只需滿足表1中，序號1（彎矩最大）和序號2（中心距最大）的數據要求，就可以滿足所有的數據要求。

表1 起吊裝置基本參數

3 承重梁設計

承重梁是該試驗裝置的核心部件［5］，主要有2個技術指標：承重梁承受試驗載荷；滿足中心距為1 400～3 000mm的所有規格起吊裝置的承載試驗要求。按照表1工況數據，真實的模擬承重裝置的受力狀態和保證試驗的安全是設計的難點，確保試驗裝置能夠長時間安全的使用是設計的核心內容。為此設計了2種承重梁的方案，三維模型如圖4～5。起吊裝置承載試驗臺2種方案對比，如表2。

圖4 承重梁方案一

圖5 承重梁方案二

3．1 承重梁設計方案的對比

表2 起吊裝置承載試驗臺2種方案對比

經上述對比分析，以安全、簡便操作為設計的主要出發點，因此采用承重梁方案二作為試驗臺裝置的承重梁。

3．2 有限元分析

選用方案二進行試驗臺的結構設計，其承重梁的結構如圖6。

圖6 方案二試驗臺的承重梁結構模型

經過不同上板壁厚H進行有限元模擬分析，工況為表1中第1、2項兩種情況。

1） 方案1。初步確定H＝80mm。

2） 方案2。在方案1的基礎上H減少20mm。

3） 方案3。在方案1的基礎上H增加20mm。

上下板和吊耳的材料采用彈性模型定義，其彈性模量為2．06×105m Pa，泊松比為0．3。單元類型選用計算精度較高的六面體結構。在吊耳處施加位移約束。吊耳之間的中心距分別為2 300mm和2 750mm，在承壓面上施加均布壓力，其等效載荷分別為1 500 000 N和900 000 N。其有限元模型如圖7所示，應力云圖如圖8所示。不同工況和方案下的應力值如表3所示。

圖7 承重梁網格劃分

圖8 承重梁應力云圖

表3 應力及位移結果對比

根據圖7承重梁應力云圖顯示，圖示①、②位置為最大應力區域，對兩種工況，3種方案的數據進行模擬，分別得到了①、②位置處的應力數據

起吊裝置承重梁上下板設計厚度不同，對上板和掛耳主要零部件的最大應力值的對比，主要考慮裝置的安全系數和裝置的重量和位移，上板厚度為H時裝置的安全系數為2．27，質量約為4 950 kg，最大位移3．15mm。上板厚度為H-20時，裝置的安全系數為1．86，質量為3 996 kg，最大位移4．95mm。上板厚度為H＋20時，裝置的安全系數為3．8mm，質量約為5 905 kg，最大位移2．55mm。綜合考慮選擇方案1。

4 試驗情況

為保證該試驗臺設計和制造的合理性和安全可靠性，對該試驗臺按以下程序進行了試驗驗證，其試驗現場如圖9～10所示。

圖9 試驗裝置現場使用情況1

圖10 試驗裝置現場使用情況2

試驗準備：組裝試驗臺和起吊裝置，保證人員撤離現場后進行試驗。

試驗過程：

1） 試驗工況：中心距2 700mm、試驗載荷900 k N；中心距2 300mm、試驗載荷1500kN。

2） 注入液壓油，經由液控臺控制注入油壓的大小和注入油壓的體積，推動液缸內的活塞向上運動。

3） 逐級提高液缸壓力，并穩壓1min，最終達到試驗載荷。在壓力上升的過程中，確保試驗臺和起吊裝置平穩且沒有其他影響安全的異常情況發生。

4） 達到試驗壓力后，穩壓10min。

5） 試驗結束后，對試驗臺的橫梁進行了尺寸及位置度檢測，經檢測橫梁的關鍵尺寸較試驗前未出現變化。

6） 對施加壓力的液缸內的關鍵件進行了檢測，未出現損壞和影響再次使用的問題；受力的零件未出現變形，密封件完好。

7） 對受力的零件進行了無損檢測，承重梁、吊耳、螺栓等零部件未出現裂紋，對有限元分析中應力較大的部位重點進行了檢測，未出現裂紋。

5 結論

1） 試驗臺的結構設計合理，能夠滿足起吊裝置、環形頂蓋吊耳等零部件強度驗證或出廠試驗的要求，使用范圍幾乎可以涵蓋這兩類零部件中所有的規格。

2） 在滿足使用功能的前提下，合理選擇了試驗臺的橫梁，拆裝快速簡單，易于操作，拆裝時間短，效率高。

3） 經過對試驗臺橫梁進行有限元分析和驗證試驗，綜合考慮了尺寸、質量、安全系數、最大變形量等因素，減輕試驗臺的質量，節約了成本，確保試驗臺的安全可靠，便于搬運；由分析可知該試驗臺的危險區域，為以后定期復檢提供了理論依據。

4） 防噴器組起吊裝置承載試驗臺推廣后，為類似產品設計和制作提供了思路和重要的試驗數據。

［1］ 張永澤，梁政，蔣發光，等．復雜結構有限元分析強度判定方法［J］．石油礦場機械，2009，38（5）：5-8．

［2］ 孟慶榮，鄭傳周，翟桂新，等．2FZ54-35型雙閘板防噴器殼體優化設計［J］．石油礦場機械，2011，40（1）：63-66．

［3］ A SmE Boiler and Pressure Vessel code（Section VIII．Division 2）［S］．The American Society ofmechanical Engineers，2004．

［4］ 《機械設計手冊》編委會．機械設計手冊［K］．北京：機械工業出版社，2012．

［5］ G B／T 3811—2008，起重機設計規范［S］．

［6］ 《實用機械加工工藝手冊》編委會．實用機械加工工藝手冊［K］．北京：機械工業出版社，2003．

［7］ 中國機械工程學會焊接學會編委會．焊接手冊［K］．北京：機械工業出版社，2012．

There are three disadvantages in this testmethod．W hen adopting the bearingmethod of B O P stack lifting device during B O P stack was used to do the experimentin the past．Firstly，disassem bling and assem bling B O P stack will waste lots ofmanpower andmaterial resources and is inefficiency．Secondly，sometimes，we cannot find the B O P stack that it has the same weight to bear experience of B O P stack lifting device．T hirdly，the B O P stack is too high and there will be some potential safety problems．In this article，comparison ismade between the disadvantages and advantages ofthe design project II and the finite element analysis of the bearing beamsin different working conditions．The second projectis selected．Itismuch easier and safer to assem ble and can adjust the center distance arbitrary．T he rationality of the structure and extensive applicability has been verified and applied，the test stand not only solves the above problems effectively，but also considering the bearing experiment of A nnular B O P lifting ring to achieve the desired effect．

BOP；lifting device；test stand；design

T E933．8

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．0123