鉆修機天車承載能力評估技術研究

摘 要：針對鉆修機天車承載能力傳統評估技術的不足，本文提出采用大型有限元軟件ANSYS結合數值分析方法對鉆修機天車承載能力進行評估。首先基于國標和行標對鉆修機主要零部件天車滑輪及滑輪軸的主要缺陷進行了總結分析，其次以某油田在役ZJ50/3150鉆機天車為例，探討了主要缺陷的等效處理方法，通過建立天車主要承載部件的有限元模型并模擬其在設計最大鉤載下的應力分布情況，從而得到了該天車的承載能力。該評定方法符合油氣田現場情況實際，應用簡單，可靠度高，有工程應用價值。

關鍵詞：鉆修機;天車;承載能力;有限元分析;評估技術

1 緒論

鉆修機天車是石油鉆機和修井機提升系統中重要的組成部件，與絞車和大鉤等裝備共同完成鉆井和修井工作[1-3]。天車的承載能力不僅是鉆修機綜合性能的一個重要指標，也關系到鉆井、修井作業效率及其經濟效益與安全保障。由于工作環境惡劣，工況復雜，隨著鉆機和修井機的服役次數頻率不斷上升，作為游動系統主體的天車，尤其是滑輪軸和滑輪要承受相當大的靜載荷和沖擊動載荷。使得滑輪和滑輪軸會產生不同程度的磨損、裂紋以及不同程度的其他損傷，導致長期作業過程中產生各種不同類型的缺陷，這些缺陷直接影響鉆修機天車游車承載能力，使其承載能力下降及安全事故的發生。

本文基于有限元數值模擬方法提出了一種鉆修機天車承載能力評估的技術，重點討論了鉆修機天車的主要承載零部件滑輪與滑輪軸的承載能力。該評估技術貼近現場實際，具有工程應用前景。

2 天車承載能力評估技術研究

傳統方法對天車的承載能力進行評估需要獲得滑輪軸及滑輪本身的幾何參數及應力分布情況。幾何參數借助卡尺、樣板尺等工具容易獲得，而滑輪軸及滑輪本身承受載荷后的應力分布情況是傳統評估方法不易得到的，近年來迅速發展的計算仿真技術是獲得構件應力分布情況的一種行之有效的重要方法。目前有限元數值仿真模擬方法是比較成熟的一種計算機仿真技術。因此，本文采用有限元數值仿真模擬方法對天車關鍵部件的承載能力進行分析，從以下兩個方面可以體現相對其他方法的優勢：

（1）通過建模，自由約定邊界條件等因素，有利于直觀全面地了解滑輪及滑輪軸在服役過程中的整個承載狀態，有利于了解滑輪及滑輪軸在不同載荷作用下的應力應變狀態，從而能夠克服傳統評估方法中只能按照粗略應力分布計算承載能力而導致的計算精度不高的問題，精度相對較高;

（2）對滑輪及滑輪軸進行有限元分析，可以更全面的得到實際受力、變形及應力分布情況，當承載能力不足時，有利于提出修補方案。

3 天車主要承載部件缺陷因素分析

根據天車的結構和其作為鉆修機的游動系統主要部件的工作的特殊性，以及關于天車在現場出現的事故及故障原因的分析結果，可知其失效概率較高的主要承載部件是其滑輪及滑輪軸。

基于《石油鉆機大修理技術條件》中關于鉆機和修井機的天車在工作過程中產生的各種缺陷分析，可以得出主要存在以下幾點因素，具體見表1：

分析以上天車的各種類型的缺陷，除了有裂紋時該部件按照國家標準規定必須報廢停止使用外，而其他缺陷在對承載能力的影響上有重合，因此對天車承載能力影響較大的常見缺陷可歸結為：

（1）天車軸的腐蝕、表面凹坑、彎曲和應力集中。

（2）天車的滑輪槽與輪孔的磨損，腐蝕，表面不平滑，以及應力集中。

4 某油田在役ZJ50/3150鉆機天車主要缺陷仿真模擬與承載能力分析

某油田ZJ50/3150鉆機采用6×7輪系，在現場服役13年，根據天車的使用情況和維修保養記錄，經幾何參數、磁記憶等檢測發現天車滑輪和滑輪軸存在磨損、腐蝕、彎曲及凹坑等問題，在仿真模擬時可以采用等效截面處理法對這些缺陷進行簡化。

4.1 幾何模型建立

針對天車軸與滑輪表面磨損和銹蝕這類缺陷，通常做法是利用幾何測量手段確定磨損腐蝕部位直徑與面積的大小，通過與鉆修機天車或游車設計說明書上出廠數據對比，獲得了軸與滑輪的磨損量和銹蝕情況，幾何模型創建時采用等效截面法對磨損和銹蝕進行等效處理。

根據幾何參數檢測，天車軸外徑與滑輪輪槽腐蝕磨損較大，分別為0.80mm及2.13mm。由于天車軸與滑輪幾何形狀較為簡單，采用等效截面處理法直接利用Solid Works建立了其幾何模型。

4.2 網格劃分設置

針對結構應力集中這類缺陷，通常在有限元分析時可以采用網格細化及子模型分析兩種方法，針對天車軸和滑輪的幾何結構較簡單的特點，本文采用對其模型局部網格進行細化的方法進行處理。

4.3 邊界條件設置

針對天車的滑輪軸彎曲的這類缺陷，參考文獻[7-8]所述在使用ANSYS軟件對滑輪軸整體進行有限元分析，具體步驟如下：（1）把天車軸彎曲的單元去掉，用MATRIX27單元代替;（2）將所求得的等效剛度矩陣數值代入MATRIX27單元中;（3）單元控制開關KEYOPT（3）設置為4。通過以上三步即可完成軸彎曲在ANSYS中的等效處理。

通過現場檢查發現該鉆機天車軸兩端存在兩個凹坑，按凹坑評定理論分析，兩個相隔較遠的凹坑不存在干涉，且都在安全范圍內，因而認定這兩凹坑不足以達到影響承載能力的程度[6，7]，因此分析時不考慮凹坑的影響。

4.4 仿真結果分析

在有限元模型的基礎上，對鉆機滑輪軸及滑輪在最大鉤載工況時進行了有限元分析，圖1為鉆機在設計最大鉤載下滑輪軸有限元應力分析結果圖。由圖可見滑輪軸中部與兩端支撐處應力較大，滑輪軸中部變形最大。該有限元分析結果與材料力學經典分析方法計算結果有一定的差異，產生這種差異的主要原因是考慮了應力集中的影響。圖2為鉆機在設計最大鉤載下滑輪有限元應力分析結果圖。由圖2可見，滑輪的上端輪槽與鋼絲繩接處的應力較大。有限元分析結果與材料力學分析方法計算結果也有一定的差異，產生這種差異的主要原因是同樣是考慮了應力集中的影響。

由圖1、圖2可見，在設計最大鉤載下滑輪軸的最大應力為244MPa，產生在輪滑軸的兩個端面的固定約束處;最大變形為0.284mm，產生在滑輪軸的中部。滑輪的最大應力為109MPa，產生在滑輪的上端的加強筋與滑輪中心連接處，最大變形為0.373mm，產生在滑輪上端與鋼絲繩接觸處。

天車軸的材料為40CrNiMoA，滑輪材料為35CrMoA，材料屬性見表2。

由此可計算在最大鉤載下天車軸的安全系數為835/244=3.42，滑輪的安全系數為835/109=7.66，均滿足強度要求，同時變形量也滿足剛度要求。可見該天車承載能力為設計最大鉤載，即315噸，與該天車目前還在用的實際情況相符。

而在用傳統的強度理論進行計算時，滑輪軸的安全系數為n=3.49，比上述考慮缺陷后利用有限元法計算的結果偏大。可見，通過對鉆修機天車的主要承載部件缺陷進行等效處理后，借助數值模擬，進行有限元分析得到的結果更加符合實際情況，有利于保障鉆井作業安全，為油田現場設備的承載能力評估工作提供更加可靠的方法。

5 結語

鉆修機天車工作環境惡劣，承載大，長期運行過程中必然產生磨損、腐蝕、應力集中等缺陷，這些缺陷的存在必將對天車承載能力造成影響。定性評估或僅從強度剛度理論出發得到的在役天車承載能力的傳統評估方法勢必使評估結果偏于安全，本文提出的采用大型有限元軟件ANSYS結合數值分析技術對在役鉆修機天車承載能力進行評估的方法考慮因素全面、采用方法先進，有利于提高計算評估結果的精度，有利于保證鉆修井過程安全。

針對在役ZJ50/3150鉆機天車存在的磨損、腐蝕、應力集中等缺陷，本文通過缺陷等效處理技術，探討了應用于ANSYS分析的過程，為同類問題提供了參考解決方案，其評估結果符合油田現場實際，得到現場工程師的肯定。

參考文獻：

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[2]楊偉光，焦金龍，李張英，軒繼花，翟紅霞，王利紅.一種鉆修機輔助制動系統[A].河南省科學技術協會.第十四屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集[C].河南省科學技術協會：河南省汽車工程學會，2017：2.

[3]宋滿華，邵崇權，周斌，朱明，吳剛.重載移運工況下海洋鉆修機安全性評估[J].石油機械，2016，44（07）：80-85.

作者簡介：王晶（1986— ），男，漢族，湖北荊州人，本科，工程師，研究方向：鉆修機。