海洋修井机应力测试加载装置设计

关双会，鹿海田，于 雷，綦耀光，余焱群

（1.中海油能源发展股份有限公司油田建设工程分公司，天津300452；2.西南石油大学经济管理学院，成都610500；3.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452；4.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580）①

海洋修井机应力测试加载装置设计

关双会1，2，鹿海田1，于 雷3，綦耀光4，余焱群4

（1.中海油能源发展股份有限公司油田建设工程分公司，天津300452；2.西南石油大学经济管理学院，成都610500；3.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452；4.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266580）①

针对海洋修井机检测时需对井架和底座同时加载的要求，设计了专用的海洋修井机应力测试加载装置。介绍了装置的结构和工作原理，并对关键部件进行了力学分析和强度校核。现场试验表明：该加载装置安装方便快捷，加载稳定可靠，整体结构设计合理。

海洋修井机；加载装置；机构设计

根据API标准、中国石油天然气行业标准，以及有关石油钻修井类设备在海洋石油生产中使用的规范和相关管理部门的要求［1-3］，海洋石油生产平台配套的固定式海洋钻修井设备的井架、底座（包括上底座总成和下底座总成）每3 a要进行1次检测。对于前次评定的井架承载能力为设计能力60%～85%的井架，应每2 a进行1次检测。检测评定方法中以承载能力试验为主，使用情况调查和井架外观检查为辅的评定原则［4-6］。

现有测试加载方法均不能对井架和底座实现同时加载［7］，为了进一步完善海洋修井机整体主要结构部件应力测试检验工作，基于海洋石油平台工作环境及海洋修井机结构情况［8］，设计了1套海上修井机应力测试加载装置，实现对主要结构件同时施加外部测试载荷。

1 总体设计

海洋修井机应力测试加载装置主要由平台加载机构主体、索具测量组件2部分组成。图1为平台加载机构主体，图2为索具测量组件。

平台加载装置主体安装于平台井口盖之上，通过4个外伸液压缸，利用外伸臂总成分别将4个导轨夹具机构安装在导轨上，纵向错开修井机滑靴，采用可调节刚性结构支撑并固定，如图1所示。

图1 平台加载机构主体

4个加载夹具机构通过卸扣与4条测量吊带相连，每条吊带均安装无线应力测试仪，构成4路测量信号，末端汇聚于主加载索具卸扣；主加载索具组另一端与游车大钩相连，通过主索具组的双向作用液压缸的活塞杆回缩来给加载夹具机构加载，从而实现对修井机井架和底座结构同时加载的目的，如图2所示。

图2 索具测量组件构成

海上平台修井机应力测试整体加载装置设计的主要技术和性能参数如表1所示。加载装置主体机构采用可伸缩式结构，应力测试采用无线拉力传感器。

表1 加载装置主要性能设计参数

2 主体机构设计

平台加载机构主体要承受水平横向和水平纵向的加载分力，在给井架和底座加载的同时，保证滑轨以及平台其他构件不受损伤。平台加载机构主体是该测试加载装置的关键部件及主要结构。

2.1 受力分析

主体机构单个加载吊耳主要承受4个方向的力，即测试索具的拉力、横向液压缸的推力、纵向支撑臂的推力以及平台滑轨的作用反力，如图3所示。

图3 加载夹具机构受力分析

基于整体机构受力平衡，得到的静力学方程为

式中：a为平台导轨跨距（横向），m；b为纵向支撑长度（纵向），m；h为单臂测试索具综合长度，m；F为1／4游车大钩载荷，k N。

按照设计要求，最大钩载500 k N时导轨纵向最大受力为162 k N，导轨横向最大受力为242 k N；取导轨纵向承载165 k N，横向承载245 k N作为设计依据。

2.2 水平横向支撑机构

平台修井机导轨横向跨距变化为7.5～14.0 m，采用液压缸和扩充节组合可实现伸缩调节。水平横向支撑机构如图4所示，主要由外伸臂总成、液压缸总成、扩充节等组成。

图4 水平横向支撑机构

水平横向支撑机构薄弱环节是液压缸的活塞杆（所选液压缸活塞杆直径为80 mm），按照两端自由铰链计算，横向设计最大载荷为245 k N。

则横向最大稳定长度为

式中：l为装置横向稳定长度，m；E为材料弹性模量；Imin为材料惯性矩，cm4；η为长度系数，本文取值为1；Pe为横向载荷，N。

修井机应力测试加载装置目标平台导轨横向最大跨度为14 m，故该加载装置横向可满足尺寸和强度要求。

2.3 水平纵向支撑机构

为减轻装置整机质量以及便于安装、加强稳定性，且水平纵向上导轨夹具机构必须错开修井机滑靴位置，并且实际和理论上纵向跨距不像横向尺寸要求严格，因此纵向支撑采用可调节刚性结构错接形式，两端分别与水平横向支撑结构连接，其调节形式如图5所示。

图5 纵向导轨组合模式

据此，设计中选用20号槽钢，Q235材质，纵向设计最大载荷为165 k N。基于材料力学应力计算公式［9］，得压应力为

式中：F1为纵向最大载荷，k N；S1为20号槽钢截面积，mm2。

则安全系数为式中：n1为结构安全系数；σs为Q235材料屈服极限，MPa；σ1为纵向支撑结构压应力，MPa。

上述计算表明，纵向支撑机构满足设计要求。

2.4 导轨夹具机构

导轨夹具机构具有连接、固定、夹紧功能，其中夹具的尺寸大小必须保证能够进入设计所提供的平台滑轨最小尺寸要求。导轨夹具机构主要由夹具体本体、提升调整螺栓、支撑旋转轴、夹紧固定螺栓、夹具体上部结构等组成，如图6所示。

图6 导轨夹具机构

外伸臂进入修井机导轨，向导轨中心移动使夹具体本体靠紧导轨立板。调整前后对称方向上的2个提升调整螺栓，抬高夹具体本体，顶住修井机导轨；夹具体上部结构绕着支撑旋转轴转动到图示位置，紧固螺栓即可（结构前后对称）。

夹具机构接触面承受的载荷F2为125 k N，设计的接触面面积S2＝360×45＝16 200 mm2，最小受剪面积S3＝20×360＝7 200 mm2。

基于材料力学理论［9］，得到接触应力为

式中：F2为结构接触载荷，k N；S2为结构接触面积，mm2。

接触安全系数为

式中：n2为结构安全系数；σ2为结构接触应力，MPa。

剪切应力为

剪切安全系数为

式中：［τ］为Q235材料许用剪切应力，MPa；τ为结构承受剪切应力，MPa。

由上述计算结果，表明夹具机构接触面的接触强度及局部剪切强度均满足设计要求。

3 现场应用

经陆地试验后，海洋修井机应力加载装置在BZ29-4 WHPA平台HXJ90型修井机上得到应用。BZ29-4平台HXJ90型修井机导轨跨距为11 m，修井机支撑腿滑靴之间的距离为4 m。所设计加载装置在海上现场与所需测试修井机连接后，为修井机井架及上下底座主体结构同时施加了所需的模拟载荷，应用效果良好，海上平台现场试验情况如图7所示。

图7 HXJ90型修井机井架底座整体加载现场

4 结语

通过海上平台现场试验，表明所设计的海洋修井机应力测试加载装置安装快捷方便，加载连续稳定，整体设备安全可靠，完全能够满足海洋修井机的井架和底座同时加载的试验要求。

［1］ 王紫阳，杨本灵，胡建启，等.井架和底座承载能力测试及安全性评估方法［J］.石油矿场机械，2012，41（6）：88-90.

［2］ 贾慧灵，颜廷俊，李向东，等.海洋钻机井架剩余承载能力测试和计算［J］.石油矿场机械，2010，39（8）：20-22.

［3］ 闫天红，周国强，王延民.基于模糊综合评判方法的钻井队设备现状评估［J］.石油矿场机械，2009，38（7）：5-9.

［4］ API Spec 4F，Specification for Drilling and Well Servicing Structures［S］.2008-07.

［5］ SY／T 6326—2008，石油钻机和修井机井架、底座承载能力检测评定方法［S］.

［6］ 关双会，丁辉，武永清，等.海洋修井机改造工程实施方案分析及经验总结计［J］.石油工程建设，2012，38（5）：11-16.

［7］ 关双会，邓忠彬，武永清，等.海洋修井机承载能力检测评定标准讨论［J］.中国造船，2012，53（S2）：445-451.

［8］ 关双会.海洋钻修机滑轨标准化研究及应用［J］.石油工程建设，2013，39（1）：22-28.

［9］ 吕英民，陈海亮.材料力学［M］.东营：中国石油大学出版社，2007.

Design of the Ocean Workover Rig Load Stress Test Device

marine workover rig；load device；mechanism design

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.011

1001-3482（2014）11-0044-04①

2014-05-06

国家科技支撑计划资助项目（2012BAH26F04）

关双会（1975-），男，满族，黑龙江宁安人，高级工程师，主要从事海洋钻修井装备研究。

Abstract：Aim at the requirements for ocean workover rig that it is need to loaded at the same time when it was testing.The special ocean workover rig load stress test device was designed.Introducing the structure and working principle of device.Then mechanical analysis and intensity check of the key components.Through the field test shows that the load device installation fast and convenient，stable and reliable load，integral structure design is reasonable.