闭锁环吊卡的结构优化与应用_管永祥.pdf

2023年04月|1230 引言吊卡是修井作业过程中，用于悬吊管柱的重要工具，目前现场主要使用的吊卡为闭锁环吊卡，需要人工循环摘挂吊卡以及开合吊卡，不仅劳动强度大，并存在安全隐患。自动吊卡可以降低工人的劳动强度，增加操作安全性，成为了国内外研究开发的重点1。高胜等开发了一种液压吊卡，开合液压缸的活塞和缸筒分别与左、右 2 个液压缸连杆铰接，液压缸活塞伸缩时，推动液压缸连杆转动，并通过由液压缸连杆、爪连杆、卡爪与后座组成的四杆机构带动卡爪转动开合，完成卡管2。王汝泽等研制了一种液压吊卡，液缸通过连杆机构推动左右活门的开合，通过更换内衬来满足不同规格管柱的悬吊3。江连会等研制了一种气动吊卡，通过气缸推动活页开合，只能适用一种油管的悬吊1。耿玉广等介绍一种液压吊卡，在吊卡上增加了一个液动摆线马达，在马达输出轴上装有一只扇形齿轮，闭锁环外侧凸面亦有同样的齿形，马达转动时驱动闭锁环转动，完成吊卡的打开或关闭4。现有吊卡总体成本相对较高，本文对单位现有手动吊卡进行改造，研制了一种可更换闭锁环和内衬的闭锁环吊卡5。1 技术分析1.1 结构气动闭锁环吊卡适用于油田修井作业中起下管作业，是一种闭锁环、内衬可更换的全自动气动吊卡，主要由吊卡体、闭锁环、拨杆、内衬、滑板、气缸等部分组成。其结构如图 1 所示。1吊卡体;2闭锁环;3拨杆;4内衬;5滑板;6气缸。图1 气动闭锁环吊卡结构示意图1.2 工作原理气动闭锁环吊卡的气缸活塞与滑板固定连接，可闭锁环吊卡的结构优化与应用管永祥，吕文杰，刘燕燕，王峰(江苏如通石油机械股份有限公司，江苏 如东 226400)摘要：在油田修井作业过程中，为了降低作业人员的操作风险，减轻人员的劳动强度，同时还为了符合轻量化的设计理念，降低吊卡的制造成本，对闭锁环吊卡的闭锁环和内衬进行了优化设计。闭锁环吊卡使用同一个吊卡体，只需要通过更换闭锁环和内衬即可满足 2 7/8和 2 7/8EU 两种管径油管的悬吊。采用大载荷吊卡，通过降低最大使用载荷，对吊卡进行结构优化，节约了设计成本和制造成本，并进行载荷试验和磁粉探伤，验证设计的可行性。现场应用结果表明，通过气控阀可以远程控制闭锁环吊卡的打开和关闭，只需要对现有吊卡做适当的改进，可以有效控制设备投入成本。关键词：闭锁环；吊卡；内衬；气动中图分类号：TE977 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)12-0123-03DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.12.033Structure Optimization and Application of Locking Ring ElevatorGUAN Yong-xiang,LYU Wen-jie,LIU Yan-yan,WANG Feng(Jiangsu Rutong Petro-Machinery Co.,Ltd.,Rudong 226400,China)Abstract:In the process of oilfield workover operation,in order to reduce the operational risk and the labor intensity,and also to meet with the lightweight design,and reduce the manufacturing cost of elevator,the locking rings and bushings of the locking ring elevator are optimized.The locking ring elevator uses the same elevator body,and only needs to replace the locking rings and bushings to satisfy the suspension of 2.7/8 and 2.7/8 EU tubings.We use a larger load elevator,and reduce the maximum load,the elevator is optimized in structure,which saves the cost of design and manufacturing.The load test and magnetic particle flaw detection are carried out to verify the feasibility of the design.The oilfield application shows that the opening and closing of locking ring elevator can be remotely controlled by the air control valve,and the cost of equipment can be effectively controlled by only making appropriate improvements to the existing locking ring elevator.Keywords:locking ring;elevator;bushing;pneumatic设备运维124|2023年04月以上下移动，拨杆与闭锁环固定，只能绕吊卡中心轴转动，气缸带动滑板上下移动，滑板上的斜槽推动拨杆转动，实现吊卡的打开和关闭。通过更换闭锁环和内衬，可以实现不同规格油管的悬吊。1.3 主要技术参数额定载荷：317.5 kg;适用管柱：2 7/8和 2 7/8EU；工作温度：-2050 ;系统工作压力：0.60.8 MPa;系统工作流量：20 L/min。2 吊卡体和内衬的设计计算吊 卡 体 和 内 衬 均 为 主 承 载 件，选 用 材 料 为35CrMoA，其主要力学属性如表 1 所示。表1 35CrMoA力学属性密度/(g/mm3)弹性模量/GPa泊松比屈服极限/MPa7.82070.3835吊卡两侧的吊臂与吊环相连，是吊卡中承受载荷最大，应力最集中的部位6。本设计选用载荷为 952.5 kg的闭锁环吊卡进行降载荷设计，设计载荷为 317.5 kg，所以此处对吊臂处的不作校核。按 API Spec 8C 规范要求，317.5 kg 闭锁环吊卡安全系数为 37。2.1 吊卡体的弯曲应力计算吊卡体需要设计为可以更换内衬结构，考虑闭锁环吊卡轻便的特点，分析闭锁环和内衬特点，将吊卡体装配闭锁环和内衬空间往下移，用来更换内衬和闭锁环。其结构如图2所示，C-C截面力学模型如图3所示。图2 吊卡体示意图图3 C-C截面力学模型C-C 截面受的弯曲应力：截面弯矩：M=P(l/4-d/8)(1)截面的抗弯模量：W=bh2/6(2)截面的弯曲应力：=M/W(3)式(1)(2)中：l 为两耳孔的中心距；d 为钻杆接头外径；b 为截面宽度；h 为截面厚度。其中：b=51.82 mm，l=320 mm，d=93 mm，通过计算得出：hmin=112.5 mm。2.2 内衬的剪切应力计算内衬在改进前与吊卡体为整体，为了适应不同规格油管，将内衬与吊卡体制作为分体，便于更换。如图4 所示，内衬结构分为上半圆 E 和下半圆 F，在改进前，内衬强度满足要求，这里只计算上半圆 E 和下半圆 F重合部分的剪切应力，等效为矩形截面，利用 CAD 测量该部分长度 b1=205.8 mm，高度为 h1。图4 闭锁环示意图剪切力：F剪=P；剪切截面面积：S=b1h1；剪切应力：=F剪/S；最大切应力：max/SFD；通过计算求得：h1min=13.4 mm。利用 CAD 软件计算吊卡体高度 h 和内衬支撑板高度 h1的关系为：h+h1=160 mm，可以得出吊卡体 高度 h 的取值范围：112.5 h 146.6。本设计选取吊卡体高度 h=145 mm，内衬支撑板高度 h1=15 mm。3 载荷试验和磁粉探伤3.1 载荷试验于 2022 年 5 月，在气动闭锁环吊卡完成空载功能试验后，运用压力试验机对气动 BD 吊卡进行载荷试验。压力试验机型号：WEW-10000F，检验日期：2021 年11 月 9 日，有效期至：2022 年 11 月 8 日。如图 5 所示，模拟现场工况，用试验工装将吊卡的两个吊臂支撑，使吊卡悬空，用试验芯轴替代现场管柱，放入吊卡中心，然后用压力试验机压试验芯轴。吊卡设计载荷为 317.5 kg，按 1.5 倍安全系数，试验载荷为476.25 kg。分别对 2 7/8和 2 7/8EU 两种内衬和闭锁环进行装配，并且分别进行试验，试验载荷曲线图如图 6 和图 7 所示。图5 载荷试验2023年04月|125图6 2 7/8载荷曲线图图7 2 7/8EU载荷曲线图3.2 磁粉探伤根据试验要求，载荷试验结束后，静置 24 小时后，用磁粉探伤机对承载件进行探伤，型号：CEW-6000，检验日期：2021年8月16日，有效期至：2022年8月15日。气动闭锁环吊卡主承载件有：吊卡体、两套闭锁环、两套内衬，分别对主承载件进行磁粉探伤，如图 8 和图 9 所示。图8 闭锁环和内衬磁粉探伤图9 主体磁粉探伤通过对气动闭锁环吊卡进行载荷试验和磁粉探伤，载荷试验后吊卡体、闭锁环、内衬均无裂纹，证明优化后的吊卡可以满足载荷要求。4 现场应用情况气动闭锁环吊卡于 2022 年 6 月在某油田井下作业公司试用，现场应用情况如图 10 所示。现场应用结果表明：(1)改进后吊卡可以通过气控阀进行打开、关闭；(2)通过更换闭锁环和内衬，可 以 满 足 2 7/8 和 2 7/8 EU 两 种 管 径 的 悬 吊；(3)轻便，单人即可对吊卡进行拆卸和搬运。图10 现场使用5 结语(1)同一个吊卡体，通过更换闭锁环和内衬，即可以满足 2 7/8和 2 7/8EU 两种管径的悬吊，更换轻便，可以有效减轻工人劳动强度。(2)现场应用结果表明，通过气控阀可以远程控制闭锁环吊卡的打开和关闭，只需要对现有吊卡做适当的改进，可以有效控制设备投入成本。(3)采用大载荷吊卡，通过降低吊卡的最大使用载荷，即可实现闭锁环吊卡的功能升级，不仅减小了设计成本，还有效降低了生产成本。参考文献:1 江连会,周斌,谭跃刚,等.一种自动翻转吊卡的研制J.石油钻采工艺,2017,39(06):791-794.2 高胜,孙冠,常玉连,等.动力开合吊卡的平衡分析与研究J.石油机械,2011,39(06):29-32.3 王汝泽,王世刚,闫家振,等.液压吊卡研制及结构强度分析J.石油矿场机械,2021,50(06):38-44.4 耿玉广,谷全福,孙连会,等.小修作业远程控制起下管柱装置的研制J.石油机械,2015,43(10):96-101.5 管永祥,王峰,陈世龙,等.一种新型闭锁环式动力吊卡:CN217950295UP.2022-12-02.6 陈东,周井玲,许波兵,等.CDZ500 钻杆吊卡结构优化设计J.机械设计与制造,2022(04):30-32,36.7 何鸿,闫永宏,王德贵,等.液压自动吊卡技术现状及发展建议J.石油机械,2012,40(08):29-33,37.