CDZ500鉆桿吊卡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

陳 東，周井玲，許波兵，張 坤

（1.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.江蘇如東通用石油機械股份有限公司，江蘇 南通 226499）

1 引言

目前國內(nèi)石油資源短缺的問題日益嚴重，陸地油井的開采已經(jīng)進入中后期，石油勘探開發(fā)向深海進軍已成必然趨勢。海洋石油鉆井因其環(huán)境惡劣、開采難度大，因此對現(xiàn)有的鉆采工具的安全性、穩(wěn)定性提出了更加嚴格的要求。

石油鉆井作業(yè)中最重要的環(huán)節(jié)是起下鉆，而鉆桿吊卡是用于起下鉆桿的專用工具[1?2]，工作時，吊卡兩端吊臂由吊環(huán)勾住起吊，中間的錐形臺階卡住鉆桿，從而達到吊起鉆桿的目的。吊卡工作示意圖，如圖1所示。

圖1 吊卡工作示意圖Fig.1 The Working Diagram of Elevator

國內(nèi)外的學者很久之前就開始了對吊卡的研究，文獻[3]對CD350鉆桿吊卡三維應(yīng)力場進行了分析，為預(yù)測帶裂紋的鉆桿吊卡的承載能力、剩余壽命，確定探傷周期、制定判廢標準等提供了必要的斷裂分析參數(shù)。文獻[4]等采用有限元位移法求解出了牛頭鉆桿吊卡裂紋前沿應(yīng)力強度因子的變化規(guī)律。

文獻[5]通過在將內(nèi)襯材料聚氨基酸酯加入到吊卡鋼模和鋼管之間，并且在內(nèi)襯層上設(shè)計溝槽，提高了吊卡的承載能力。文獻[6]針對因不完整的鎖閂、安全銷引起的意外事故問題，改進液壓吊卡的結(jié)構(gòu)，使致動器張開迅速并容易連接鉆桿，提供了一種在提升鉆桿單個接頭的同時提高安全性和運營效率的方法。

這里以CDZ500型鉆桿吊卡為研究對象，動態(tài)設(shè)計吊臂尺寸參數(shù)，減小彎曲應(yīng)力，提高吊卡強度儲備，使吊卡適應(yīng)更為苛刻的作業(yè)環(huán)境，計算結(jié)果有利于豐富海洋石油鉆采作業(yè)井口工具的設(shè)計理論。

2 吊臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

吊臂與吊環(huán)相連，是吊卡中承受載荷最大，應(yīng)力最集中的部位。吊臂受力處的危險截面，如圖2（a）所示。吊卡主體吊臂區(qū)域示意圖，如圖2（b）所示。吊臂的主要尺寸，如表1所示。

表1 吊臂主要尺寸Tab.1 Main Dimensions of Lifting Lug

圖2 吊臂尺寸示意圖Fig.2 Diagram of Lifting Lug’s Main Dimensions

查閱參考手冊及借鑒相關(guān)文獻，通過已有的經(jīng)驗公式計算吊臂的機械強度[7]。計算公式為：

式中：F—吊卡支撐力；R1—吊臂半徑；β—截面偏移角度；R—吊臂截面半徑；α—弓形截面弧所對圓心角的一半；b—吊臂截面橫向厚度；h—吊臂截面縱向厚度。

將表1中吊臂原始參數(shù)代入到上述公式中，計算得當β取33°時，最大應(yīng)力為1014MPa。吊卡主體的材料為35CrMoA，通過拉伸試驗，得到其拉力位移曲線，如圖3所示。計算得35CrMoA屈服強度為1027MPa，其主要力學屬性，如表2所示。

表2 35CrMoA力學屬性Tab.2 The Mechanical Properties of 35CrMoA

圖3 35CrMoA單軸拉伸曲線Fig.3 Uniaxial Tension Curve of 35CrMoA

靈敏度分析指系統(tǒng)固有參數(shù)變化引起系統(tǒng)輸出參數(shù)變化[8]，根據(jù)變化大小，確定固有參數(shù)對系統(tǒng)輸出的影響程度，對吊卡進行靈敏度分析，從而通過改變結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

如圖4（a）所示為應(yīng)力σ隨著吊臂截面橫向厚度b與偏離角度β變化的等值線，當b小于97mm時，等值線較為密集，吊臂最大應(yīng)力降低幅度較大，當b大于97mm時，等值線較為稀疏，吊臂最大應(yīng)力降低幅度較低，即靈敏度較小。因此，考慮到加工成本問題，橫向厚度b的最佳優(yōu)化值為98mm，此時最大應(yīng)力為978.7MPa。

圖4 應(yīng)力等高線圖Fig.4 The Stress Contour

圖4（b）所示為應(yīng)力σ隨著吊臂截面半徑R與偏離角度β變化的等值線，隨著R的變化，等效應(yīng)力變化幅度并不明顯，靈敏度不變?？紤]到最大應(yīng)力為1014MPa，與屈服強度極為接近，可能影響吊卡在深海石油平臺安全使用，將R值適當調(diào)整。根據(jù)API 8C[9]的規(guī)定，500短噸的鉆桿吊卡R值不得超過82.55mm，并將加工成本納入考慮，截面半徑R的最佳優(yōu)化值為81mm，此時最大應(yīng)力為1002MPa。

通過上述計算得出，當b取99mm，R取81mm，偏離角度β為34°時，最大等效應(yīng)力σmax為965.1MPa，相較優(yōu)化前的最大應(yīng)力，減少了4.8%左右，提高了CDZ500吊卡的強度儲備。

3 吊卡有限元分析

有限元模型采取CDZ500吊卡壓力試驗工裝的模型，用圓柱代替吊環(huán)。因吊卡工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型的建立在SolidWorks中完成。

設(shè)置吊卡與吊環(huán)之間摩擦系數(shù)為0.15的接觸對，接觸表面處理方式選擇Adjust to Touch，能夠?qū)⒛繕嗣媾c接觸面移動至互相接觸的位置。對吊卡劃分網(wǎng)格，為了確保吊卡與吊環(huán)接觸面的網(wǎng)格質(zhì)量添加Contact Sizing，控制接觸面的網(wǎng)格尺寸相關(guān)度為100，控制其他體網(wǎng)格大小為15mm，網(wǎng)格劃分完成后共計69773個單元，168654個節(jié)點，單元平均質(zhì)量為0.8429。網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖5所示。

圖5 吊卡網(wǎng)格劃分情況Fig.5 The Meshing of Elevator

根據(jù)吊卡工裝壓力試驗的情況對模型施加邊界條件。對四個支撐圓柱的下底面施加固定約束[10]，對吊卡吊臂與吊環(huán)接觸位置施加y向位移約束，在錐套上施加壓力10125kN。

求解后應(yīng)力分布，如圖6所示。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)吊臂與吊環(huán)接觸的位置，為1041.7MPa。為了得出最大應(yīng)力點的偏移角度，通過APDL的General Postproc模塊對吊臂內(nèi)側(cè)應(yīng)力進行路徑映射，分析得最大應(yīng)力節(jié)點所在的吊臂截面偏移角度為30度，由以上分析可知，有限元模擬與理論計算所得的結(jié)果的對比：偏移角度的誤差為9.1%，最大彎曲應(yīng)力的誤差為7.9%。

圖6 吊卡主體應(yīng)力分布Fig.6 Stress Distribution of Elevator Body

4 應(yīng)力貼片試驗

通過貼片實驗獲取吊臂上的應(yīng)力分布情況，因吊臂內(nèi)圓面與代替吊環(huán)的圓柱直接接觸，影響應(yīng)變片測試結(jié)果，因此將應(yīng)變片布置在吊臂側(cè)面，因貼片數(shù)量及貼片位置的限制，在吊卡側(cè)面30°、35°、45°、60°分別貼片，在應(yīng)變片上粘上膠布防止應(yīng)變片脫落。

試驗采用YES?1000噸液壓壓力試驗機對CDZ500型吊卡施加載荷，在吊臂側(cè)面布置應(yīng)變片，測量吊卡在2.25倍額定載荷下吊臂側(cè)面的應(yīng)變情況，在應(yīng)變測試儀器上讀取各測試點的應(yīng)變，由公式σ=εE計算出各測試點的應(yīng)力。

式中：σ—應(yīng)力；ε—應(yīng)變；E—彈性模量。

由表3 可以看出，30°到35°屬于高應(yīng)力區(qū)，偏離角度為35°時，吊臂應(yīng)力最大，σmax為1017.2MPa，與理論計算偏差為5.4%。

圖7 吊卡應(yīng)力貼片試驗Fig.7 Stress Patch Test of the Elevator

表3 試驗與理論結(jié)果的比較Tab.3 Comparison of Test Results with Theoretical Results

5 結(jié)論

（1）應(yīng)石油開采逐漸向海洋進軍的背景，對大荷載吊卡CDZ500進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過計算得出，吊臂橫向厚度b為98mm、截面半徑R為81mm 吊卡主體承受最大彎曲應(yīng)力有可有效的降低4.8%左右。

（2）優(yōu)化后的有限元分析結(jié)果最大彎曲應(yīng)力與理論計算結(jié)果誤差為7.9%，應(yīng)力貼片實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果誤差為5.4%，驗證了理論計算的正確性，通過優(yōu)化吊卡結(jié)構(gòu)，提高了吊卡主體的安全性能，為海洋石油鉆井設(shè)備的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。