海上平臺修井機防噴器吊具設計與分析

黃靖凌

（中海油能源發展裝備技術有限公司南海工程分公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

防噴器吊具的作用是滿足油田修井機防噴器的吊裝，并能利用已有的滑移裝置移動防噴器。防噴器吊具的設計應具有制造簡單、使用方便的特點，并易于在海上平臺推廣。由于防噴器屬于鉆修井最常用的安全設備之一，一般為系列規格設備，其規格主要由通徑（對應鉆桿）和工作壓力組成，如12 5/8" 5000Psi防噴器，所以為降低成本在海上平臺修井機中使用的防噴器都是相互調用。防噴器吊具作為防噴器的附屬件，一般與防噴器配套使用，但是其吊點位置又受到修井機防噴器吊梁的間距的影響，所以經常出現吊具間距與吊梁間距不一致的問題。

在南海的某平臺修井機，由于所用的防噴器配套的吊具與頂部的吊梁的中心距不一致，如強行使用，一方面由于防噴器所受傾斜力矩，極易對其造成損壞；另一方面由于吊裝角度偏差，也會對滑道梁造成損害，導致其出現裂紋加速腐蝕?；谶@種常見的情況，為保證修井的正常作業，需要為平臺及防噴器專門定制其專用的吊具，在設計吊具過程中，不但需要保證吊具與防噴器的契合位置以及吊點吊梁位置一致，而且要實現吊具安裝方便，為現場作業人員減輕負擔。根據防噴器以及現場吊梁的實際情況，急需重新設計防噴器吊具使得吊耳與吊梁處在垂直的平面上。其中防噴器重量約為22 t，吊梁中心距1.56 m。

1 設計方案

經現場測量防噴器相關數據如下：

萬能周長：3 640 mm，直徑1 159 mm；

萬能距離法蘭中間部分周長：1 200 mm，直徑382 mm；

下層法蘭周長：1 850 mm，直徑589 mm；

萬能距離法蘭高度：110 mm；

萬能距離法蘭下端面：210 mm。

1.1 型式對比

1.1.1 矩形吊具

按照常規設計的吊具形式，設計成矩形吊具，各部分全部由鋼板焊接而成，如圖1 所示。

圖1 矩形吊具

該方案吊具由鋼板拼接而成，材料比較容易選取，但在建造施工過程中焊縫較多，對焊接的要求也相對較高。這種吊具在一般在鉆機防噴器中采用，其使用高度較高，占用空間較大并不適合在修井機防噴器中使用。

1.1.2 環形吊具

按照防噴器的形狀將吊具設計成圓弧形狀，可拆分為2 部分，在使用過程中可用螺栓將其固定卡死，使得其可以固定在防噴器下部，兩側根據平臺上的吊梁距離向外伸出。

該形式的吊具優點是結構比較簡單，可以節約平臺空間，焊接要求不高。但是該結構有彎曲部分，在加工過程中不好實現，在特定的部位需要進行強度計算校核，以免在吊裝過程中發生斷裂或者變形發生安全事故。

為了節省平臺上有限的空間，也為了安裝更方便，經與使用方溝通確認，最終確定采用環形吊具結構。

1.2 吊具制造工藝確定

采用環形吊具其形狀不規則并且需要良好的力學性能，首先考慮采用鍛造加工工藝，鍛造可以消除金屬在冶煉過程中產生的鑄態疏松等缺陷，優化微觀組織機構，同時由于保存完整的金屬流線，其機械性能更好。鍛造加工過程包括將材料切割成需要的尺寸、加熱、鍛造、熱處理、清理和檢驗，工藝流程較為復雜并且制造周期較長，而且加工出的吊具重量過大，并不利于安裝使用。

為了減輕重量并保證吊具強度，考慮采用槽鋼彎曲成所需的結構。優點是加工工藝比鍛造簡單，而且槽鋼有對應的標準規范，只要選取合適規格，可保證材料的機械性能。但是標準槽鋼規格有限，不一定滿足設計規格，并且在加工制造過程中利用槽鋼卷板機將槽鋼彎曲后其力學性能是否能與彎曲前保證一致也需要進一步驗證。

基于以上兩個方案的優缺點對比，最終確定采用加工方便，重量較輕的槽鋼方案，但是槽鋼不是采用標準型號，按照實際情況設計具體規格尺寸，由鋼板焊接加工而成，這樣即保證了材料的機械性能，同時也減輕了重量。

1.3 材料選擇及型材設計

為了保證吊具的安全性，確保其有足夠的許用應力，選取型號為Q345 的鋼板，屈服強度可以達到345 MPa。

根據現場測量數據，防噴器萬能底部法蘭直徑為589 mm，故設吊具圓弧直徑為600 mm；萬能底部距離法蘭底部端面為210 mm，為了安裝更方便，設計吊具高度為190 mm。設計焊接截面詳細尺寸如圖2 所示。

圖2 型鋼截面規格

截面相關參數計算：

截面高度h= 190 mm，腹板厚度d= 30 mm，翼緣板寬度b= 89 mm，翼緣板厚度t= 20 mm。

經計算，截面積：

慣性矩

1.4 受力計算分析

根據防噴器自身數據，防噴器自重約20 t，設計起吊重量為25 t，根據標準選取動載荷系數為1.65。防噴器頂部吊梁中心距為1560 mm。受力分析可簡化成圖3 所示。

圖3 簡化受力模型

初始計算數據見表1。

表1 受力計算數據表

吊具所受剪力及彎矩分析可簡化為如圖4 所示，將選取4 個截面進行強度校核：

截面1：吊具的中心截面，如圖4 所示所承受的彎矩最大。

截面2：如圖4 虛線部分，此處剪力為最大。

圖4 受力計算簡圖

截面3：吊具的兩端，校核其剪應力、拉應力和壓縮應力。

截面4：考慮到翼緣板會阻擋卸扣安裝，需在兩端截取部分翼緣板，故需計算截面改變處的受力情況。如

圖5 截面受力簡圖

截面1 設計計算校核：

彎矩：

該危險截面正應力：

截面2 設計計算校核

彎矩：

該危險截面的正應力：

剪應力：

綜合應力：

截面3 設計計算校核

在該截面上，吊具在提升時受到卸扣的剪應力、拉應力和壓縮應力。在計算校核前，先選擇卸扣規格確認開孔直徑大小。查閱美標卸扣中，工作載荷為25頓的G213/S213 型卸扣，其中銷軸的直徑為51 mm，故開孔直徑選擇為54 mm。根據截面尺寸，可計算出所受應力截面的面積。

剪應力：

拉應力：

壓縮應力：

截面4 設計計算校核

設計在截面3 向中心偏70mm 處切除翼緣板。

彎矩：

此處的截面系數：

正應力：

截面積：

剪應力：

參考GB/T 150-2011 中碳素鋼和低合金鋼鋼板許用應力表中Q345R 在正常使用溫度下許用應力值為185 MPa，滿足上訴危險截面的要求。

1.5 吊具圖紙設計

吊具由2 部分組成，使用時將其合上使用螺栓連接，設計在吊具的兩側各開2 個孔。為了保證在使用中的位置保持固定，在吊具的四周加四片加強筋，筋板厚度設為10 mm，由于加強筋不受力，為減小重量，在加強筋上按邊緣圓弧形狀設置開孔，為了便于加工劃線，已在圖紙的詳圖中給出詳細尺寸，并標注圓弧的圓心，如圖6 所示。

圖6 吊具設計圖紙

為了保證吊具的安全使用以及加工制造的規范，吊具的加工制造應滿足以下加工制造要求。

吊具按起吊25T 重物設計；所采用T 型接頭采用全焊透，形式及尺寸參照GB/T985.1 的規定；焊縫應100%無損檢測，I 級合格；不適用于從平臺外吊裝重物到平臺上；試驗要求試重重量為25T。

1.6 ANSYS 分析校核

通過平面設計圖在三維軟件中建立模型并將模型導入ANSYS 并創建網格，分析結果如圖7 所示。

圖7 吊具ANSYS 分析

從ANSYS 分析應力云圖上可以明顯看出吊具上部翼緣板的接觸面的許用應力值為63 MPa，在小孔處出現應力突然加大的現象，最大值在小孔內側達到542 MPa，距離小孔越遠，應力值越小，說明在開孔處出現應力集中的現象，經查閱相關資料，對模型進行應力分析，在開孔處不可避免出現應力集中的現象。

應力集中是彈性力學中的一類問題，應力在固體局部區域內顯著增高現象，該現象多出現在尖角?？锥?、缺口、溝槽以及有剛性約束處及其相鄰的區域。應力集中會引起脆性材料斷裂，使物體產生疲勞裂紋。在應力集中區域，應力最大值與物體的幾何形狀和加載方式等因素相關。局部增高的應力值隨與峰值應力點的間距增加而迅速衰減。由于峰值應力往往超過屈服極限而造成應力的重新分配，所以，實際的峰值應力常低于分析計算出的理論峰值應力。

在前面的設計計算過程中雖然采用的是簡化力學模型，計算結果與分析結果略有出入，但危險截面1 和2 的計算結果大于ANSYS 分析結果，可以說明該吊具是滿足強度要求的。而在小孔處的截面計算的剪應力、拉應力和壓縮應力均滿足強度要求，出現應力集中可以被認為是建模中的幾何形狀與加載方式等因素導致的，而且在設計上考慮的1.65 倍的動載荷系數，故可保證該吊具滿足強度需求。

2 結語

防噴器吊具雖然不是海上平臺的主要設備，但在修井機防噴器上必不可少的工具之一。在修井機需要更換井口作業或者防噴器檢修時，防噴器吊具在裝卸防噴器中起到重要作用。在防噴器吊具設計中首要考慮的是安全、結構簡單，在保證強度的情況下盡可能減輕重量，便于使用時安裝與拆卸，同時選擇合適的尺寸盡可能節省平臺空間。在計算分析過程當中，基礎的力學計算必不可少，三維分析雖然可以提高整個計算的準確性以及計算速度，但需要進一步在網格劃分以及力學加載上進行細化，只有兩者互相補充參考，才能得出準確的結論。