井架、抽油機等石油機械是油田現場鉆井、采油的重要設備。在進行結構強度設計時,多采用有限元分析方法。然而,由于制造中的誤差、搬運過程中的碰撞、安裝找正中的偏差和長期服役過程中的腐蝕等因素,使得這些結構不可避免地存在著各種初始缺陷,使它們的實際受力、變形狀況與理想情況存在一定差異。若仍采用有限元分析的方法,會產生較大的誤差,因此需要借助應力測試實驗來加以驗證。
本文采用應變電測技術對井架和抽油機進行應力測試,分析了解在測試過程中的補片方案、結果分析以及實際測試中涉及的技術問題。
井架承載能力評價
井架是石油鉆機、修井機的重要組成部分。為了評定實際使用的井架承載能力,必須對井架在實際受載條件下的應力、變形進行綜合測試后,才能可靠地評定其承載能力的大小。
本文對某公司井架進行了現場實測,由于井架屬超靜定空間鋼架結構,每個桿件都承受軸力、彎矩、扭矩、剪力的聯合作用,其中軸力和彎矩引起正應力,扭矩和剪力引起剪應力,理論計算和實際分析表明,井架中絕大多數桿件的危險點都發生在*大正應力點處。因此,可以采用正應力測試方法,每個測點沿立柱方向各貼一個應變片,采用半橋接法,可實現溫度的自動補償。由于軸力可能為壓力或拉力,在兩個方向的彎矩作用方向的不同,由于橫截面上的危險點位置是未知的,為了找到截面上的*大正應力點,必須在各個可能的危險點都布片。
經靜、動載試驗測試數據及計算機仿真試驗綜合分析,該井架在*大設計鉤載1960KN時,井架立柱*大應力為-121.70MPa,井架前立柱*大穩定應力為308.5MPa。根據標準,該井架不能滿足原設計鉤載的工作要求,井架等級為c級。
抽油機結構強度測試
某型雙爐頭抽油機在長期使用過程中發現,在游梁體尾部連接孔部位出現了裂紋、斷裂等失效形式。為此,對雙驢頭抽油機的游梁部位進行了現場應力測試,包括靜應力測試,前驢頭加載28.8KN;動應力測試3min多,抽油機懸點載荷在13.0-36.8KN之間波動,沖次3.8min-1,沖程5m。由于測點的主方向未知,故選用45°應變花。將45°應變花粘貼在測點所在的結構表面,接成測量電橋;同時,為考慮溫度效應的補償作用,在游梁附近粘貼1塊相同材料的補償鐵,用以粘貼溫度補償片。靜測結果如表1,動測結果如表2.
表1游梁各測點靜態實測值
測點編號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
*大正應力/MPa | 7.37 | 22.46 | 17.61 | 10.51 | 10.91 |
*大剪應力/MPa | 4.39 | 16.97 | 13.59 | 7.49 | 4.01 |
表2游梁各測點應力幅值
測點編號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
*大正應力/MPa | 3.47 | 10.93 | 9.05 | 5.26 | 6.98 |
從表1可以看出,抽油機懸點靜載荷為28.8KN時,游梁連接孔B處測點2和3所受的應力較大,*大值為22.46MPa;而測點1、4、5相比則較小。目前,油田已普遍進入高含水開發階段,抽油機的懸點載荷較大,一般在78.45-98.07KN,因此抽油機所承受的載荷也較大。根據小變形原理,在材料的比例極限范圍內,應力隨外力呈線性變化,當動載荷達到95KN時,游梁的*大應力為74.09MPa,接近材料的許用應力,說明該游梁在工作載荷作用下的強度儲備已很少。由表2可知,測點2和3的應力幅值要大于其他各測點,可認為游梁是在交變應力作用下工作,其持久極限更小,故很容易產生裂紋而發生斷裂。
結論
1. 由以上實驗證明,應變電測技術可用于石油機械行業中。
2. 測試的主要目的是校核結構的*薄弱部位是否合格,測試部位一般可先利用有限元分析結果并結合實際經驗來進行選擇。
3. 測量類似鉆機井架這樣的石油機械,由于所用信號線較長,信號線自身電阻也較大,而高精度儀器所能平衡的電阻范圍較小,因此應選用電阻較小的應變片,如115Ω,而其他參數保持不變,以便于進行現場測量。
4. 測量運動構件表面的應變,*好使用與構件材料熱膨脹特性能良好匹配的溫度自補償應變計。在沒有溫度自補償應變計時,可采用半橋補償方法,但必須保證溫度相同。
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