一種液壓蓄能修井機承載能力的測試方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于石油化工設備安全檢測技術領域，涉及一種用于液壓蓄能修井機承載 能力的測試方法，具體涉及一種針對存在不同損傷或變形的在役液壓蓄能修井機液壓油缸 伸縮式異型井架承載能力的在線安全檢測，即一種液壓蓄能修井機承載能力的測試方法。
【背景技術】
[0002] 在石油天然氣工業中，井架是石油鉆井過程中的關鍵設備，石油井架的安全直接 關系到職工人身和國家財產的安全。井架檢測技術作為保障石油鉆井安全的一項重要舉 措，在各油田得到了充分的實施。
[0003] 液壓蓄能修井機作為一種新型的修井作業設備，主要由底盤、動力系統（電機和 栗）、提升系統（主油缸和輪系）、蓄能系統（氮氣包和蓄能缸）、智能控制系統（PLC、液壓 閥及管路）、電氣系統等六部分組成。液壓蓄能修井機通過在操作室內對閥組的控制操作， 使機栗組栗出的高壓油進入主油缸，主油缸的活塞桿伸出，同時帶動大鉤上升；在大鉤下放 過程中，機栗組栗出的高壓油進入蓄能缸，通過高壓油壓縮蓄能缸和氮氣包內的氮氣，將作 業過程中非提升時間的動能和管柱下放時的勢能儲存起來；當再次需要起升大鉤時，蓄能 缸儲存的高壓油和機栗組栗出的高壓油同時作用使得主油缸活塞桿伸出，帶動大鉤上升。
[0004] 隨著液壓蓄能修井機在油田修井作業中的逐步推廣應用，由于現場工作環境惡 劣，修井機受到不同程度的損傷和變形，其提升系統在使用過程中的安全問題越來越受到 關注，由于該設備是依靠主油缸的伸縮來實現井下管柱提升和下放，且沒有繃繩固定，使用 單位對設備的穩定性和承載能力沒有把握，導致設備無法發揮其最大的承載能力，造成了 資源浪費，且存在極大的安全隱患。因此，有必要針對液壓蓄能修井機進行承載能力測試。
[0005] 液壓蓄能修井機的提升系統與傳統修井機提升系統結構不同，傳統的修井機用桁 架結構來提升管柱，而液壓蓄能修井機則通過主油缸的伸縮來提升管柱，傳統修井機承載 能力測試是依據SY 6326-2012《石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級 規范》，該標準中承載能力測試方法只是針對桁架結構井架，沒有涉及液壓蓄能修井機提升 系統承載能力的測試方法。現公開發表的期刊文獻中，關于井架測試的方法均為針對桁架 結構井架，未發現關于液壓蓄能修井機提升系統承載能力測試的方法。
[0006] 傳統的基于應變測量的石油井架檢測技術在實際的操作過程中，由于粘貼應變片 的位置不一定是井架應力最大、最危險的位置，這樣直接導致了井架檢測結果的準確度下 降。申請號為201110182046. 6的發明專利《一種石油井架承載能力的測試方法》，利用有 限元軟件建立井架主體結構模型，然后對需測試的石油井架先后進行宏觀檢驗和精確測 量，根據測試結果對建立3D模型進行修正，基于修正后的石油井架模型，采用有限元軟件 ANSYS對石油井架的承載能力進行評定。該測試方法通過軟件建立簡化模型，并不能完全模 擬現場井架的實際狀況，測試結果與真實情況有一定的誤差。該測試方法最適用于設計井 架時的安全校核。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種液壓蓄能修井機承載能力的測試方法，以解決現有的井 架承載能力測試方法不適用于液壓蓄能修井機，從而保證液壓蓄能修井機的作業安全。
[0008] 為實現上述目的，本發明所采用的技術方案，具體按以下步驟進行：
[0009] 步驟1 :使用金屬磁記憶技術儀器檢測出液壓蓄能修井機的應力集中部位；
[0010] 步驟2 :對步驟1檢測出的應力集中部位和根據井架受力特點決定的應力集中部 位，進行應力測試；
[0011] 步驟3 :采集應力測試數據，進行承載能力的評定。
[0012] 步驟1檢測應力集中部位是通過對井架構件表面法向磁場Hp(Y)的檢測來確定桿 件中的應力集中點和區域，通過分析H p(Y)梯度或對Hp(X)的檢測漏磁場的法向有過零值 點，且存在較大的漏磁場梯度時）方式來確定。
[0013] 步驟2中的應力測試，是在應力集中部位粘貼應變花，測試儀器采用無線應變數 據采集儀；
[0014] 應變片布點方案為工字鋼、圓管、矩形鋼沿應力方向貼片，布點位置為主油缸立 柱、支撐拉桿、平臺支架立柱等，貼片形式為單軸應變片；其他形式的型材在應力集中區貼 片，貼片形式為直角應變片；
[0015] 步驟3中的承載能力的評定可以根據公式進行計算后評定，對于型材形式為工字 鋼、圓管、矩形鋼的，其強度應滿足下列要求：
[0022] 式中與下角標b，m和e結合在一起的下角標X和y表示某一應力或設計參數所對應的彎曲軸。
[0016] (1)
[0017] (2)
[0018]
[0019] (3)
[0020] ⑷
[_] (5)
[0023] 式中：
[0024] fa--井架承受設計最大鉤載時，測試桿件的軸心拉壓應力，MPa ;
[0025] Fa--只有軸心拉壓應力存在時容許采用的軸心拉壓應力，MPa ;
[0026] fb一一井架承受設計最大鉤載時，測試桿件的壓縮彎曲應力，MPa ;
[0027] Fb一一只有彎矩存在時容許采用的彎曲應力，MPa ;
[0028] Fre--除以安全系數后的歐拉應力，MPa ;
[0029] Cn--系數，對于端部受約束的構件，Cni= 0. 85 ;
[0030] E--彈性模量，MPa ；
[0031] 1--彎曲平面內的實際無支撐長度，mm;
[0032] r--回轉半徑，mm ;
[0033] k一一回轉平面內的有效長度系數；
[0034] Fy--桿件材料的最小屈服應力，MPa ;
[0035] Cc--區分彈性和非彈性屈曲的桿件的長細比。
[0036] 對于其他形式的型材，其應力數據由直角應變花測得，可以測取該點在0°、45° 和90°三個方向的應力值，其最大應力則為
[0037]
Ci)
[0038] 式中：
[0039] ε_--構件的最大主應力，MPa ;
[0040] ε。。--直角應變化0°方向的應力，MPa ;
[0041] ε 45。--直角應變化45°方向的應力，MPa ;
[0042] ε 9r--直角應變化90°方向的應力，MPa;
[0043] 其最低屈服強度與井架承受最大設計載荷時構件的最大應力之比應不小于1. 67， 即強度應滿足下列要求：
[0044]
(7)
[0045] 令公式（1)或公式（2)的值為a，公式（7)的值為b，則液壓蓄能修井機的承載能 力計算如下：
[0046] 1)若a彡L 0,且b彡L 67,則井架的承載能力為設計載荷；
[0047] 2)若a>l. 0,且b彡L 67,則井架的承載能力為設計載荷除以a ; δ.
[0048] 3)若a彡I. 0,且b〈l. 67,則井架的承載能力為設計載荷乘以^- · 1.67， 1.67
[0049] 4)若a>1.0,且b〈1.67,則井架的承載能力為設計載荷除以a和-中的較大 b 者D
[0050] 發明的效果：本發明利用金屬磁記憶技術檢測出井架的應力集中區，然后在此區 域粘貼應變片進行應力檢測，這樣就能計算出更加準確的井架的實際承載能力，用來指導 石油鉆井生產的安全監督。本發明解決了現有檢測方法和檢測標準無法對液壓蓄能修井機 進行承載能力測試的問題，能準確的測試其承載能力。
【附圖說明】
[0051] 圖1為液壓蓄能修井機承載能力測試布點方案；
[0052] 圖2為1#、2#模塊貼片位置圖；
[0053] 圖3為3#、4#、5#模塊貼片位置圖；
[0054] 圖4為6#模塊貼片位置圖；
[0055] 圖5為7#模塊貼片位置圖；
[0056] 圖6為8#模塊貼片位置圖；
[0057] 其中，圖2--圖6中，A1-A32為各測點編號。
[0058] 圖7為采集的數據曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0059] 1、打開金屬磁記憶檢測儀并校準，根據液壓蓄能修井機各檢測部位的形狀特點選 擇合適的探頭，開始掃查，當檢測到漏磁場的法向有過零值點，且存在較大的漏磁場梯度 時，用記號筆在該處作好標記。
[0060] 2、通過對該液壓蓄能修井機井架及底座的主要受力構件、有損傷或銹蝕的構件、 井架截面突變處、關鍵構件連接處、關鍵焊縫等部位，進行全面掃查，共發現應力集中區域3 處，均位于主油缸下端的3個固定耳板上。根據金屬磁記憶檢測結果和井架受力特點，本次 測試共布置測點32個，從上往下依次為天車驢頭（1#模塊）、主油缸立柱頂端（2#模塊）、 主油缸立柱中段（3#模塊）、旋轉平臺（4#模塊）、主油缸下端固定耳板（5#模塊）、支撐拉 桿（6#模塊）、平臺支架立柱耳板（7#、8#模塊）。其中，1#、4#、5#、7#、8#模塊采用直角應 變化布點；2#、3#、6#模塊布點型材為圓管，沿桿件中心線對稱布置4個測點；如圖1所示， 1-8#編號為應變數據采集模塊編號，每個模塊有4個通道，分別對應A1-A32號測點，即1# 模塊采集A1-A4號測點應變數據，2#模塊采集A5-A8號測點應變數據，以此類推。測點布置 要求見表1 :
[0061]
[006