鉆機鉤載靜負荷試驗裝置的研制

羅強 ，張元春 ，趙佳佳 ，葉銳 ，王雨豪 ，李瑞東

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心,陜西 寶雞 721002）

0 引言

鉆機鉤載靜負荷試驗是根據鉆機井架、底座的級別，模擬現場工況通過試驗裝置對鉆機井架、底座施加垂直向下、最大為鉆機最大鉤載值的靜負荷實現的。

根據API規范和產品出廠要求，石油鉆機制造時必須對新型結構或有重大結構、材料改變的鉆機底座、井架進行額定鉤載的靜負荷試驗，通過試驗驗證鉆機主體結構承載能力和整體結構穩定性，同時也能對鉆機的設計和制造過程進行檢驗、為鉆機主體結構的理論計算和有限元分析結果提供準確的試驗數據。

經過長期對多種結構型式的鉆機進行靜負荷試驗的總結和分析，結合實際設計開發了一種新型的底梁式鉆機鉤載靜負荷試驗裝置，該裝置能夠適應多種結構形式鉆機的井架和底座，兼容多種級別鉆機的額定鉤載，并且與原有地錨式鉆機鉤載靜負荷試驗裝置相比具有整體尺寸較小、結構簡單、試驗井口地基建設費用低等特點。

1 底梁式鉆機靜負荷試驗裝置設計

1.1 底梁式鉆機靜負荷試驗裝置方案設計

該試驗裝置將承載底梁和放置在其上的試驗鉆機組成一個整體，然后通過加載油缸的伸縮來施加試驗負荷[3]。井架負荷試驗時載荷通過試驗連接件和鉆機游吊系統將載荷傳遞到鉆機井架主體上；底座負荷試驗時載荷通過試驗連接件和轉盤梁傳遞到鉆機底座主體上，具體安裝方式如圖1所示。

圖1 底梁式鉆機靜負荷試驗裝置使用示意圖

該試驗裝置將鉆機懸掛的外力系統轉化為鉆機主體和承載底梁構成的內力系統，從而降低了鉆機靜負荷試驗時對試驗井口周圍地基承載能力的要求，提高了鉆機試驗井口對大載荷鉆機靜負荷試驗的兼容性。并且經過長期對多種鉆機底座開檔尺寸的統計和分析（如表1），將承載底梁總體長度設計為15 m，該長度的承載底梁對底座開檔在6～14 m范圍內的各種形式鉆機具有良好的兼容性，極大地提高了靜負荷試驗裝置的試驗能力。

表1 鉆機底座參數統計

1.2 控制系統

控制系統由加載控制系統和數據采集系統構成。

加載控制系統由液壓站、管路、操作箱組成，用于為加載油缸提供足夠的液壓動力源和控制加載油缸的伸縮。操作箱內安裝高精度調壓及控制閥組，便于試驗人員根據鉆機級別調整液壓源壓力，從而精確控制試驗載荷。

數據采集系統的功能是試驗時進行系統油壓值、載荷值、重要監測點應力值的實時監控和數據采集；試驗完成后生成試驗報告，便于設計和檢驗人員對試驗數據進行系統、深入的分析。

1.3 承載底梁

承載底梁（如圖2）作為試驗裝置的主要承載部件和內力轉化部件，選用承載能力大、抗彎能力強的箱型梁結構，中間連接耳座貫穿整個梁體用于加載油缸的連接；為了減小承載底梁主體上的局部應力、增大與鉆機底座下表面的接觸面積，將承載底梁上表面的兩端設計成啞鈴型，外伸部分由筋板支撐，然后通過調整墊塊增加外伸翼板處的強度和剛度，保證試驗的順利進行。

圖2 承載底梁及調整墊塊

承載底梁建成后整體放置在試驗井口地坑內，保證調整墊塊上表面與周圍地基表面平齊。同時為了避免加載油缸使用時的頻繁拆裝，盡量減小加載油缸的整體長度，保證未進行試驗時能夠倒放在承載底梁上且油缸外殼不高于試驗井口周圍的地基，蓋上蓋板即可恢復鉆機試驗井場的平整，不影響其它鉆機擺放和車輛通行。

1.4 加載油缸

由表1統計數據可知，鉆深為4000～9000 m的鉆機額定鉤載為2250～6750 kN，為了滿足多種鉆機靜負荷試驗的要求，將加載油缸的額定加載值選定為8000 kN。

1.5 試驗連接件

試驗連接件主要包括吊卡、吊環和試驗拉桿三部分。

吊卡分為油缸連接吊卡和游吊系統連接吊卡，吊環分為下部連接吊環和游吊系統連接吊環。油缸連接吊卡用于加載油缸與鉆臺面下吊環和吊卡的連接，游吊系統連接吊卡用于試驗拉桿與鉆機游吊系統的連接，具體連接方式如圖1所示。

2 承載底梁主體強度計算及有限元分析

根據鉆機級別，ZJ90鉆機鉆深為9000 m、額定鉤載為6750 kN，是萬米以下最大額定鉤載值鉆機，為了驗證試驗裝置主要承載部件的強度，選用ZJ90鉆機的額定鉤載值6750 kN進行校核計算[1-2]。

ZJ90鉆機底座中心開檔為10 450 mm，鉆機底座與底梁總接觸面寬度為1600 mm、接觸長度為5000 mm。

2.1 承載底梁主體計算

承載底梁主體尺寸為15000 mm×5000/1000 mm×2000 mm（長×寬×高），如圖3所示。

圖3 承載底梁主體結構圖

將承載底梁主體簡化為簡支梁對其彎矩進行校核：

2.2 承載底梁主體有限元分析

通過以上的經典計算方式校核了承載底梁主體的彎曲強度和剪切強度，為了更進一步分析清楚承載底梁主體各部分的受力情況，利用有限元方法對其進行了詳細分析。

2.2.1 承載底梁主體網格劃分

承載底梁主體由鋼板組焊而成，在設置好各部件間的配合關系后將其導入有限元分析軟件進行整體分析。

2.2.2 承載底梁主體加載

按照ZJ90鉆機進行載荷試驗時鉆機底座下表面與承載底梁主體的接觸情況，在承載底梁主體兩端劃分出載荷施加部位。然后按照ZJ90鉆機額定鉤載值對承載底梁的梁體進行加載，如圖5所示。

圖4 承載底梁網格劃分

圖5 承載底梁加載

2.2.3 承載底梁主體應力、應變分析

由圖6、圖7可知：承載底梁主體在工作時局部最大應力值213.43 MPa出現在梁體兩側翼板加載區的邊緣，而承載底梁主體箱型梁各部位的應力值較小。

圖6 應力云圖

圖7 加載油缸連接耳板周圍應力云圖

由圖8可知，承載底梁主體在工作時局部最大應變也發生在梁體兩側加載區的外伸翼板邊緣，最大變形值為20 mm，其余承載底梁主體箱型梁部位應變值很小。

圖8 整體應變云圖

3 結果分析

由以上應力、應變分析結果云圖可知，承載底梁主體箱型梁結構剛性好、整體穩定性高，而兩端外伸翼板處強度和穩定性較差。前面我們提到過，為了減小承載底梁主體上的局部應力、增大與鉆機底座下表面的接觸面積，在承載底梁兩端設置了調整墊塊，從而增加了外伸翼板處的強度和剛度。

因此通過校核計算和有限元分析，了解到承載底梁主體各部分的應力、應變情況，并且通過調整墊塊的使用，使承載底梁整體滿足了6750 kN靜負荷試驗所需的強度和剛度要求。

4 結論

1）鉆機靜載荷試驗裝置的設計與制造極大地增強了試驗設備的兼容性。并且結合試驗底座，該裝置還可進行海洋鉆機井架及多種單獨井架體的靜負荷和承載能力試驗，真正實現了對多種鉆機設備的試驗兼容性。

2）獨特的內力系受力結構極大地降低了鉆機設備靜負荷試驗時對試驗井口地基承載能力的要求，明顯減少了試驗井口地基建設的投入。

3）該裝置簡單的操作、精確的控制為試驗的安全、高效提供了保證；同時先進的數據采集系統記錄了第一手可靠的數據資料，極大地方便了設計及檢驗人員對試驗設備各部位受力情況的深入分析。