防喷器吊导轨梁强度分析及运维安全措施

2020-06-10吴奇兵

石油和化工设备 2020年4期

吴奇兵

（中海油安全技术服务有限公司，天津 300457）

防喷器吊作为防喷器的吊移装置，可满足海洋石油钻修井作业对防喷器进行安装、检修、拆卸的需求[1-6]。导轨梁是防喷器吊的主要承载结构，其强度是确保防喷器吊安全运行的重要保障。为分析某导轨梁在防喷器吊使用过程中的受力状态，采用有限元方法进行强度校核计算。同时为了保证导轨梁在使用期间的安全运行，从使用注意事项及载荷试验两方面提出运维措施。

1 防喷器吊概述

某型防喷器吊悬挂于钻修机钻台下部，主要由左、右两个导轨上的可独立运行的防喷器起吊装置（两台）、液控操纵箱、液控管线（两组）等组成。该防喷器吊采用液压油为动力，具有防爆特点。其主要功能为：吊装单个防喷器进行安装或吊装组合好的防喷器组进行安装，或使用单侧起吊装置单独吊工具、辅助件等。由于其操作是通过远离防喷器的液压操纵箱进行，所以保证了防喷器安装过程中人员的安全，具有操作简单、安全、可靠的特点。

1.1 主要技术参数

该型防喷器吊主要技术参数见表1。

表1 防喷器吊主要技术参数

图1 防喷器吊结构构造

1.2 结构与功能

防喷器吊起升用两台带自锁的250kN液压环链葫芦共同吊起防喷器，可以确保起吊的重物悬停在所需要的位置。左、右两台单独的起吊装置组合成防喷器吊移装置，两台起吊装置分别悬挂于钻机钻台面下部的导轨上。移动由两台单轨行车为主体，每台行车用2台液压马达驱动。本机构全部采用了平衡结构，使负荷均匀分布在每个滚轮上，轮压比较合理，以确保移动的可靠性。本装置结构如图1所示。

本装置为液压控制，驱动为液力传动，由钻修机液压提供液压动力。每台起吊装置由起吊马达作动力的环链葫芦、行走马达作动力的行车及液控系统组成。液压油经控制阀组后驱动行车液压马达或升降液压马达，使行车往复行走或环链葫芦升降。用操纵箱分别控制左行车、右行车移动及左葫芦、右葫芦升降，以满足防喷器整体或部分的吊移安装。

2 导轨梁强度分析

2.1 模型建立

采用ABAQUS软件进行防喷器吊导轨梁受力分析。鉴于该结构为对称结构，为减小计算规模，采用1/2模型进行计算分析，同时忽略行车车轮等附属结构。最终模型由一根工字梁及5个焊接在其上翼缘的吊耳组成。

2.2 工况分析

由于防喷器吊在工作过程中，导轨梁承载位置会随着行车的移动而变化。为全面分析导轨梁可能承受的载荷，在此选取6个代表性的工作位置作为分析工况。各工况下行车所处具体位置示意图见图2。

图2 防喷器吊导轨梁分析工况

2.3 边界条件

由于防喷器吊所承受的载荷全部由行车滚轮传递到导轨梁上，因此最终施加在导轨梁上的载荷是行车轮压载荷。加载时首先需要确定轮轨的接触面积。

轮轨接触面积采用如下公式计算[7-8]：

其中：c为轮压载荷沿吊车梁跨度方向的支撑长度，mm；P为轮压集中载荷，N；R为车轮半径，m；b为车轮宽度，m。

由图3可知，行车滚轮半径82mm，滚轮宽度50mm。从设计得知该防喷器吊行车滚轮单轮轮压集中载荷62.5kN，依据公式（1）计算得出车轮支撑长度c=2.25mm。

施加载荷时，在滚轮轴中心位置创建参考点，将参考点与导轨梁轮轨接触面施加耦合约束，并对参考点施加向下的62.5kN的集中载荷，完成轮压载荷的施加。将5个吊耳施加固支约束，工字梁剖面施加对称约束，完成边界条件的施加。有限元网格大小设置为12mm，单元类型为C3D8R，模型共计划分74784个网格。

2.4 结果分析

将有限元模型按图2所示6种工况进行计算分析。

图3 滚轮与导轨梁细部结构

由图4应力分析结果可得，导轨梁受力大小与行车所处位置相关。行车所处位置导轨梁应力水平远大于其他位置。

图4 导轨梁整体应力云图

由图5可见，结构最大应力值195.3MPa，小于许用应力206.59MPa，满足强度要求。最大应力出现在行车行至位置6处吊耳位置，这与吊耳是主要承载构件且整体尺寸较薄有关。该处应力较大，后续在使用及维保过程中要加强关注及检验检测。

由图6位移分析结果可得，导轨梁变形大小同样与与行车所处位置相关。行车所处位置导轨梁变形水平远大于其他位置。

图5 行车行至位置6处导轨梁局部应力云图

图6 导轨梁整体变形云图

由图7可见，最大变形值出现在行车行至位置5处，这与该位置远离吊耳约束较小有关，同样与其处于结构跨中位置挠度较大相吻合。变形量0.0146mm，远小于导轨梁跨度，说明该导轨梁刚度较大。

3 导轨梁运维安全措施

为确保防喷器吊导轨梁在使用过程中避免因结构破坏而造成事故，需要结合现场工况采取必要的安全维保措施。

3.1 使用注意事项

图7 行车行至位置5处导轨梁局部变形云图

（1）外观配套完整，结构外观无明显缺陷，焊缝平整、均匀无脱层。

（2）在起吊重物过程中，禁止在起吊或下放操作时突然反向操作，避免损坏机件。

（3）在起吊作业中，严禁超负荷工作，确保人员和设备安全。

（4）在起吊作业中，如出现异常现象，应立即停车进行检查。

（5）在移运防喷器吊装装置时不准翻滚，避免损坏机件。存放时应避免日晒雨淋。

3.2 载荷试验

载荷试验是直观地反映防喷器吊导轨梁的结构承载状态，因此对评估防喷器导轨梁结构性能具有指导意义。

（1）空载试验

左右行车分别前后移动≤500mm，各2次，动作应灵活；左右行车同时前后移动1000mm，共5次，动作灵活，同步误差小于5%（可转换至单独移动补偿）；左右行车分别升降≤500mm，各2次，升降灵活，刹车和限位可靠；左右行车同时升降500mm，共5次，同步误差小于5%（可换至单独升降补偿）。升降灵活，刹车和限位可靠。

（2）负载试验（单边载荷275kN）

左右行车分别前后移动≤500mm，各2次；再同时前后移动1000mm，共5次。要求：移动平稳，行车马达温升正常，行车减速箱无异声，结构件无永久变形和损坏，焊缝无开裂，连接处无松动，油漆无脱落；左右行车分别升降≤500mm，各2次；再左右行车同时升降500mm，共5次。要求升降平稳，提升葫芦无异声，结构件无永久变形和损坏，焊缝无开裂，连接处无松动，环链及吊钩无裂纹，油漆无脱落。