绷绳松紧度对修井机井架承载力的影响分析

2014-02-19谭晓林冷传基赵金刚

石油工业技术监督 2014年9期

张浩，谭晓林，冷传基，赵金刚，张坤

中国石化胜利油田分公司技术检测中心（山东东营 257061）

车载修井机井架一般由两节组成，在不工作时靠在底盘车上，需要工作时，由油缸顶起，上节从下节中抽出，整个井架与垂直方向呈5°夹角，下段由固定在车上的2根钢丝绳固定，上段由固定于地面的4根钢丝绳固定。如果各钢丝绳松紧度不同，就会影响井架各主要构件受力状态，各立柱就会受力不均[1-2]，从而影响井架的承载能力，严重时还可能造成事故。

通过对千余台修井机井架的检测发现，有的井架尽管刚投产且无任何损伤，并且出厂检验合格，但承载能力较低。据现场操作人员反映，在载荷并不大时，曾出现过井架甩头扭弯事故。由于井架绷绳松紧度不同，导致井架主构件受力不均、个别构件应力过大，从而使整个井架承载能力下降，而产生井架甩头扭弯事故则是由于井架绷绳松紧度严重不均所致。

因此，从根本上摸清不同绷绳的松紧度对井架各主构件受力状态的影响及其之间对应关系，并研究其对井架整体承载能力的影响，为更加准确地检测评价井架承载能力，准确分析井架承载能力下降原因，有的放矢的指导设备使用单位安全生产，避免事故发生具有重要意义。

1 相似模型设计

井架相似模型实验需要根据相似定理进行设计，以保证本实验模型与原型之间不仅满足几何相似，更重要的是物理现象相似，即位移变化情况、受力情况、边界条件等保持相似[3-4]。

在井架承载能力测试实验中，需要考虑的物理量有：载荷 F，kN；材料的应力 σ，MPa；材料的弹性模量 E，MPa；材料密度 ρ，g/mm3；结构的几何尺寸 l，mm；结构质量m，g。井架模型和原型满足的相似条件为：

公式（1）中，β表示模型和原型的相似比，设定井架模型与原型结构几何尺寸比为l：6，模型与原型材料的弹性模量比为1：1，模型与原型的材料密度比为1：1，即

由公式（1）和（2）可得，载荷 F、材料的应力 σ、结构质量m的相似比为：

井架原型最大钩载为900kN，则井架模型的最大钩载为25kN。井架实验模型如图1所示。井架模型按25kN加载测得的应力值与井架原型加载900kN时对应的测点的应力值是相等的，即井架模型与井架原型在受力规律上是可以等效的。

图1 井架实验模型

井架模型技术参数：①最大钩载：25kN（3×4轮系）；②有效高度：4 970mm；③顶部开裆（正面/侧面）：200/110mm；④底部开裆：330mm；⑤模型比例：1：6。

2 实验仪器与流程

2.1 布点方案

根据石油天然气行业标准SY 6326-2012《石油钻机和修井机井架底座承载能力检测评定方法及分级规范》中的布点原则，在均匀受力区以及应力集中区和弹性挠曲区等危险应力区，选择主要受力杆件、有损伤或破坏的杆件、井架大腿断面突变处、井架大腿损伤处、井架大腿断面开口处、井架二层台处等受力偏大的部位进行布点[5]。本次测试方案共布点6层，从上往下依次为井架立柱顶部收缩处、井架上段底部连接处、井架下段顶部连接处、井架起升液缸连接横梁处上下各一层以及井架底部三角支架处，每层4个立柱，每个立柱布一个测点，按照从上往下数、从左往右顺时针数的原则编制编号。

2.2 仪器

井架起升应力测试中使用的应变片为90°应变片，电阻值为（120±0.2）Ω，灵敏系数为 2.08，应变片的栅长为2mm，用胶水将应变片粘贴在待测部位，通过半桥电路接入应变测量系统中，利用快速接头和屏蔽的导线连接无线发射模块，无线数据发射模块的量程为±15 000με，测量精度为±2με，每个无线发射模块可以连接并采集4个测点的数据，安装时通过磁座吸附在被测量杆件上，在采集数据的同时将数据传输到无线接收网关，然后通过电脑中的应变测量软件将数据进行处理分析。

2.3 流程

首先要根据井架结构特点设计布点方案；接着将应变片粘贴在井架所选定的测点上，并将应变片和无线应变采集模块连接好，打开电源。将无线接收网关与电脑连接。将所有设备连接完毕后，调试系统，确认每个测点完好。根据井架在工作中的主要工况进行应力测试。根据采集的数据计算井架承载能力，并综合外观检测结果和无损检测结果，对井架的安全性进行评定。

3 结果与分析

修井机井架绷绳共有6根，前面2根风载绷绳和二层台绷绳在正常作业时受力较小，主要是在有风载的情况下发挥作用。因此，主要研究井架在正常作业过程中后面2根风载绷绳和内负载绷绳在不同松紧度下井架的受力状态。

对井架模型进行加载测试，60s内将载荷按照10、15、25kN的阶梯进行加载，稳住载荷值后保存测试数据，测3次取平均值，共有7种工况：

工况①：所有绷绳都设置合适的预紧力。

工况②：左后风载绷绳松，其余正常。

工况③：左后风载绷绳和右侧内负载绷绳同时松，其余正常。

工况④：右侧内负载绷绳松，其余正常。

工况⑤：右后风载绷绳和右侧内负载绷绳同时松，其余正常。

工况⑥：左后风载绷绳和右后风载绷绳同时松，其余正常。

工况⑦：左、右侧内负载绷绳同时松，其余正常。

在工况①条件下，阶梯加载的应变曲线如图2所示，3个阶梯分别是加载10、15、25kN时的应变曲线，在加载到最大钩载25kN时的最大应变值为690με，采集出各测点在各载荷下的应变值，并进行校核计算。同理，可采集到在其他6种工况下各测点在加载10kN时的应变值，见表1。由表1可知，在其他测试条件不变的情况下，只改变井架绷绳的松紧度，同一测点的应变值不同，部分测点的应变值变化较大，个别测点甚至出现了拉压力转换，比如6号点和10号点在工况⑥条件下受拉力，而在其他工况下受压力，由此可得，左后风载绷绳和右后风载绷绳同时松的工况下，会导致井架整体受力不均匀，从而使井架的承载能力降低。

图2 工况①条件下各测点应变曲线图

表1 各工况下加载10kN时各测点的应变值

根据表1中的应变数据，依据石油天然气行业标准SY 6326-2012《石油钻机和修井机井架底座承载能力检测评定方法及分级规范》，计算得工况①时各立柱的强度校核系数小于1，即该井架承载能力满足设计最大载荷25kN（3×4轮系），同理得其他工况下井架的承载能力（表2）。

表2 各工况下测试的井架承载力

根据表2，风载绷绳对井架承载能力影响较大，会直接降低井架的承载能力。对照工况①和②可知，在左后风载绷绳松时，井架承载能力已经不能满足设计钩载要求；对照工况③和⑤，松开同侧风载绷绳和内负载绷绳比松开异侧风载绷绳和内负载绷绳对井架承载能力影响要大；对照工况②和⑥，松开两侧风载绷绳比松开单侧风载绷绳对井架承载能力影响大；对照工况①、④和⑦，松开内负载对井架承载能力影响不大，井架承载能力依然满足设计钩载要求。

4 结论

以XJ90修井机井架模型为例，对井架的2根风载绷绳和内负载绷绳组合放松，测试不同工况下井架各测点的应力值，根据应力测试结果，可看出井架后侧2根风载绷绳对井架的承载能力影响最大，内负载绷绳对井架的应力影响相对较小。因此，在修井作业时，一定要将风载绷绳选择适当的预紧力并正确安装，以保证修井机井架在正常状态下工作，发挥井架最大的承载力，降低井架倒塌事故的风险。