糟 洋,溫 旺

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司,甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

滑輪是一個(gè)適用范圍廣泛、工作過(guò)程連續(xù)、工作載荷變化頻率較高、失效形式較多的零件[1]。石油鉆井設(shè)備一般使用的是60 in(1 524 mm)及以下鑄造、鍛焊單腹板滑輪,而鑄造滑輪因自身的鑄造缺陷、毛坯澆鑄周期、環(huán)保要求已不能很好適應(yīng)新時(shí)期的需要。近些年,隨著鉆井技術(shù)的不斷創(chuàng)新,人們對(duì)鉆井設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能提出了更高的要求,對(duì)大尺寸且能適應(yīng)更復(fù)雜工況的滑輪的需求也越來(lái)越多。

筆者重點(diǎn)對(duì)大尺寸雙腹板滑輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,借助有限元軟件對(duì)滑輪各個(gè)部位受力情況進(jìn)行了計(jì)算分析,通過(guò)對(duì)材料的反復(fù)工藝評(píng)定和車間焊接測(cè)試,新制定了1項(xiàng)合金鋼鍛件材料企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并且成功攻克復(fù)雜焊縫形式的焊接施工、探傷檢驗(yàn)、動(dòng)平衡試驗(yàn),研制出了結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)越、生產(chǎn)周期短、能同時(shí)滿足陸地和海洋雙重工況的新型大尺寸雙腹板滑輪,具有里程碑的意義。

1 大尺寸雙腹板滑輪的基本設(shè)計(jì)

所述的大尺寸滑輪是為我國(guó)南海海域服役的中海油服旗下某海洋鉆井平臺(tái)所設(shè)計(jì),其外徑是72 in(1 829 mm),環(huán)境溫度為-20～+40 ℃,其設(shè)計(jì)符合滑輪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的溫度要求[2]。

1.1 單腹板滑輪與雙腹板滑輪結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

單腹板滑輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)工藝成熟,且已經(jīng)過(guò)常年供貨驗(yàn)證,質(zhì)量能夠得到保證。然而,雙腹板滑輪有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),兩種結(jié)構(gòu)形式的滑輪對(duì)比如表1所列。

表1 單腹板滑輪與雙腹板滑輪對(duì)比

相似工況下,雙腹板滑輪雖然制造工藝較難,但其質(zhì)量能得到有效控制。同時(shí),雙腹板結(jié)構(gòu)能改善其抗側(cè)向力的能力。

1.2 大尺寸雙腹板滑輪的基本信息

此次所設(shè)計(jì)滑輪主要由輪轂、雙腹板、輪緣、撐管四部分組成。輪轂選用廠標(biāo)材料,屈服強(qiáng)度σs≥350 MPa,抗拉強(qiáng)度σb≥490 MPa;腹板選用Q355材料,屈服強(qiáng)度σs≥355 MPa,抗拉強(qiáng)度σb≥470 MPa;輪緣選用與輪轂相同的廠標(biāo)材料,屈服強(qiáng)度σs≥350 MPa,抗拉強(qiáng)度σb≥490 MPa;撐管選用Q420材料,屈服強(qiáng)度σs≥420 MPa,抗拉強(qiáng)度σb≥520 MPa。

雙腹板鍛焊滑輪結(jié)構(gòu)如圖1所示,輪緣和輪轂間有雙腹板,腹板有一定的錐度,錐度從滑輪軸線向邊緣由大變小,腹板上開(kāi)有減重孔,孔內(nèi)穿有支撐管。輪緣內(nèi)徑和輪轂外徑有臺(tái)階坡度,用于定位和承受載荷,能形成自然坡口,便于焊接。

圖1 雙腹板鍛焊滑輪結(jié)構(gòu)圖1.輪轂 2.腹板 3.撐管 4.輪緣

1.3 設(shè)計(jì)安全系數(shù)

所設(shè)計(jì)滑輪用于海洋鉆機(jī),額定設(shè)計(jì)鉤載是907 t,按照API Spec 8C規(guī)范要求[3],其安全系數(shù)應(yīng)不小于2.25。

2 大尺寸雙腹板滑輪模型建立及有限元分析

根據(jù)滑輪設(shè)計(jì)圖紙,利用SolidWorks 2017軟件建立滑輪的三維模型,如圖2所示。

圖2 滑輪三維模型圖3 滑輪網(wǎng)格劃分

此次計(jì)算選用ANSYS WorkBench 15.0通用有限元分析軟件。ANSYS WorkBench 15.0與SolidWorks 2017之間有很好的兼容性,因此把上述三維模型導(dǎo)入ANSYS WorkBench 15.0中。對(duì)滑輪運(yùn)用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,最大網(wǎng)格尺寸20 mm,如圖3所示,共劃分18 964個(gè)單元和121 275個(gè)節(jié)點(diǎn)。

正常鉆井過(guò)程中,鉆機(jī)設(shè)計(jì)鉤載為907 t。按照API RP 9B規(guī)范要求,滑輪是滾柱軸承式[4],故滑輪摩擦系數(shù)K=1.04,選用規(guī)范中的A類方案計(jì)算快繩拉力?；喞K系7×8輪系,N=14、S=14。穿繩方式如圖4所示。

圖4 穿繩方式

有效系數(shù):

(1)

快繩系數(shù):

(2)

快繩拉力:

P快=Y快×鉤載=861.65 kN

(3)

游車每根鋼絲繩拉力按照相等計(jì)算,因此:

(4)

式中:Y為滑輪有效系數(shù);K為滑輪摩擦系數(shù),K=1.04;N為支承載荷的鋼絲繩根數(shù),N=14;S為滑輪的數(shù)量,S=14;P快為快繩端拉力,kN;P死為死繩固定器端的拉力,kN。

客戶要求的最大拉力是875 kN,該載荷大于最大鉤載時(shí)的快繩拉力861.65 kN。因此,為了滿足客戶要求,在計(jì)算滑輪時(shí)使用客戶要求的最大拉力,則單個(gè)滑輪的加載計(jì)算載荷是1 750 kN,加載地球重力加速度g。

考慮半潛式海洋平臺(tái)的搖擺以及風(fēng)力等產(chǎn)生的水平方向的載荷,根據(jù)滑輪的現(xiàn)場(chǎng)使用情況,平臺(tái)在搖擺過(guò)程中,由于頂驅(qū)沿著導(dǎo)軌行走,天車滑輪和游車滑輪之間的鋼絲繩始終與井架保持平行,因此鋼絲繩的拉力給滑輪載荷的方向相對(duì)于滑輪保持不變。而在平臺(tái)搖擺過(guò)程中天車滑輪和游車滑輪之間的鋼絲繩會(huì)隨著平臺(tái)的搖擺產(chǎn)生水平慣性載荷,查閱客戶提供的該海洋平臺(tái)在所處海域的參數(shù)手冊(cè),平臺(tái)橫搖周期為12 s,搖擺幅度為2°,縱搖周期為12 s,搖擺幅度為2°,天車位于船中心位置,天車到浮箱最低處112.3 m,在19 m吃水時(shí)船舶重心豎直方向的坐標(biāo)是24.45 m,因此可選天車到搖擺中心的距離是87.85 m。在正常工作時(shí)天車到游車的最大距離是70 m,鉆井鋼絲繩單位長(zhǎng)度重量是11.5 kg/m,滑輪直徑為1 829 mm,滑輪寬99 mm。此次計(jì)算選取船舶重心為搖擺中心。

依據(jù)CCS《海上拖航指南》2011[5]計(jì)算滑輪因平臺(tái)的搖擺以及風(fēng)力產(chǎn)生的水平載荷:

Fy=M×Ay+Fq+Fw

(5)

式中:Fy為滑輪受到的y軸方向的水平載荷,kN;M為單個(gè)滑輪對(duì)應(yīng)的天車到游車鋼絲繩的質(zhì)量,kg;Fq為風(fēng)作用力,kN;Fw為海水飛濺沖擊力,kN;Ay為橫向加速度,m/s2。M的計(jì)算公式為:

M=70 m×2×11.5 kg/m=1 610 kg

(6)

Fq的大小與單位面積受力系數(shù)及側(cè)向迎風(fēng)面積有關(guān)。根據(jù)滑輪側(cè)向投影面積,按下述三種標(biāo)準(zhǔn)選取單位面積受力系數(shù):1.0 kN/m2(無(wú)限航區(qū)和近海航區(qū));0.85 kN/m2(沿海航區(qū));0.70 kN/m2(遮蔽航區(qū))。此次涉及的海洋平臺(tái)為無(wú)限航區(qū),故選取單位面積受力系數(shù)為1.0 kN/m2。

滑輪側(cè)向迎風(fēng)面積S可根據(jù)圓形面積計(jì)算得到,即:

(7)

Fq=1.0 kN/m2×S=2.63 kN

(8)

Fw僅計(jì)算距干舷甲板以上2.0 m范圍內(nèi)迎風(fēng)受力物體,因天車不受海水飛濺沖擊,故Fw=0。

Ay計(jì)算公式為:

(9)

式中:rφ為天車到搖擺中心距離,rφ=87.85 m;β為天車到搖擺中心夾角,由于天車位于船中心位置,無(wú)夾角,故β=0°;φ0為最大橫搖角,φ0=2°;Tφ為搖擺周期,Tφ=12 s;g為重力加速度,g=9.81 m/s2。

將數(shù)值代入得:Ay=0.357 m/s2,Fy=3.2 kN。

同理,可計(jì)算得出:Ax=0.357 m/s2,Fx=1.145 kN。

3 計(jì)算結(jié)果分析

在進(jìn)行有限元計(jì)算之前首先需添加邊界條件。邊界條件是給滑輪軸孔處施加位移約束。根據(jù)上述載荷加載說(shuō)明,分別加載了地球重力加速度、縱向和橫向的搖擺慣性加速度、鋼絲繩總拉力、縱向和橫向載荷,具體載荷加載和邊界條件如圖5所示。

圖5 載荷加載及邊界條件 圖6 滑輪Mises應(yīng)力云圖

通過(guò)有限元計(jì)算,得到滑輪應(yīng)力情況,如圖6～10所示。

由圖7可知,滑輪輪轂最大Mises應(yīng)力為92.405 MPa,出現(xiàn)在圖中Max所指位置處,滑輪輪轂的計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)n=σs/σmax=3.788>2.25,滑輪輪轂設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足API 8C規(guī)范要求。

圖7 輪轂Mises應(yīng)力云圖 圖8 腹板Mises應(yīng)力云圖

由圖8可知,滑輪腹板最大Mises應(yīng)力為140.81 MPa,出現(xiàn)在圖中Max所指位置處,滑輪腹板的計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)n=σs/σmax=2.521>2.25,滑輪腹板設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足API 8C規(guī)范要求。

由圖9可知,滑輪輪緣最大Mises應(yīng)力為122.96 MPa,出現(xiàn)在圖中Max所指位置處,滑輪輪緣的計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)n=σs/σmax=2.846>2.25,滑輪輪緣設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足API 8C規(guī)范要求。

圖9 輪緣Mises應(yīng)力云圖 圖10 撐管Mises應(yīng)力云圖

由圖10可知,滑輪撐管最大Mises應(yīng)力為184.29 MPa,出現(xiàn)在圖中Max所指位置處,滑輪撐管的計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)n=σs/σmax=2.279>2.25,滑輪撐管設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足API 8C規(guī)范要求。

經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算和優(yōu)化,滑輪圖紙分別報(bào)送ABS和CCS審核通過(guò),在生產(chǎn)車間和工藝人員的共同努力下,滑輪最終研制成功,并取得CCS船用產(chǎn)品證書。圖11所示為成品滑輪。

4 結(jié) 語(yǔ)

此文重點(diǎn)對(duì)72 in(1 829 mm)雙腹板鍛焊滑輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析,利用ANSYS軟件加載工況載荷和約束條件,動(dòng)態(tài)模擬仿真和調(diào)整優(yōu)化,圖紙送審?fù)ㄟ^(guò)后在生產(chǎn)車間完成各工序生產(chǎn)并經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn),取得了CCS船用產(chǎn)品認(rèn)證。目前,該批滑輪正在我國(guó)南海海域某半潛式海洋鉆井平臺(tái)服役,使用狀況良好,客戶評(píng)價(jià)極高。該滑輪結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法可應(yīng)用到其他尺寸的滑輪設(shè)計(jì)中,對(duì)減輕滑輪組重量、提高滑輪整體穩(wěn)定性、降低維護(hù)頻率有一定的參考借鑒意義。