APISpec8C标准在顶驱研制中的应用

2022-09-11

顶部驱动钻井装置 (简称顶驱) 是集机、电、液、信息于一体的自动化石油钻井装备, 1982年首次投入市场应用, 长期以来, 该技术由美国、挪威、加拿大等少数几个国家垄断, 国外公司在价格上垄断、技术上限制、国际投标时制约、服务上拖延, 严重影响了我国油气工业钻井工艺技术的进步, 制约了国内钻井队伍开拓海外钻井市场的竞争能力, 成为我国钻井技术进步的瓶颈。北京石油机械厂2003年1月开始实施顶驱产业化, 在五年的时间里, 共计开发了6大类11种型号顶驱, 总产量已超200台, 连续5年实现年产量翻番增长, 北石顶驱跨越式发展的原因之一就是严格按照API Spec8C标准的要求研制顶驱。

1 API Spec 8C标准

API (American Petroleum Institute, 美国石油学会) 标准是世界石油领域公认的先进标准。Spec 8A/8C规定了钻井和采油提升设备设计、制造和试验方法。通过API认证为产品进入世界市场取得了通行证。

1.1 API Spec 8C标准适用的钻井和采油提升设备

API Spec 8C标准适用的钻井和采油提升设备有19类, 与顶驱有关的只有3类:连接器和吊环接头、吊环、动力水龙头。

API Spec 8C标准制定了产品规范等级 (PSL, product specification level) 要求, 对有关设备中承受主载荷的构件实施材料和工艺控制的等级进行分类, 包括PSL1和PSL2两种, 代表不同的技术要求水平。PSL2在铸件验收准则、铸件体积无损检测验收准则、焊接要求、焊缝体积无损检测、材料化学成分、延伸率等方面比PSL1要求更高, 控制更严, 由于顶驱主承载件中的悬挂体结构复杂, 外形尺寸大, 无法通过锻造加工, 只能采用铸件, 同时, 考虑到国内铸造的整体水平, 确定采用PSL1产品规范等级。

1.2 API Spec 8C标准对适用的钻井和采油提升设备的要求

API Spec 8C标准对钻井和采油提升设备的设计、设计验证试验、材料要求、焊接要求、质量控制、设备、标志、文件八个方面进行规定, 并提出了包括低温试验在内的补充要求。现仅以设计、设计验证试验、材料要求三个方面的有关内容为例对标准在顶驱研制中的应用进行说明。

1.2.1 设计

设计的目的是保证设备能安全地传递预定的载荷, 且操作简便、安全可靠, 达到预定的要求。

API Spec 8C标准规定。 (1) 不指明时设备的最低设计与工作温度为-20°C, 根据SR2补充条件, 设计工作温度可以低于-20℃, 但要由买方提出; (2) 应进行强度分析; (3) 接触表面半径、额定值、设计安全系数应参照该标准执行; (4) 形成设计文件。

1.2.2 设计验证试验

为了确保设备设计的完整性, 需要由与设计任务无关的部门或组织执行设计验证试验。

试验程序包括功能试验和设计验证试验。

设计验证试验装置必须按照ASTM E4进行校验, 其载荷试验装置可采用相当于A种方法进行校验, 其误差应小于2.5%。

所有试验结果均应进行记录和管理。

1.2.3 材料要求

所有材料均应适用于预定的用途。并对主承载件和承压件的材料合格试验、性能和加工等的各项要求作出规定, 形成书面规范。

例如, 对于冲击功的规定, 当材料的最小屈服强度大于或等于310MPa时, -20°C温度下三个足尺试件上的平均冲击功至少是42J, 且其中任一值不低于32J。当买方提出最低操作温度低于-20°C时, , 三个足尺试件上的平均冲击功至少是27J, 且其中任一值不低于2 0 J。且每个构件均应标记“SR2”。

2 API Spec 8C标准在顶驱研制中的应用

2.1 设计

2.1.1 钻井工况对顶驱的基本要求

顶驱集成了常规水龙头与钻井马达, 配备了自动化的钻杆上卸扣装置, 它具有动力水龙头的全部功能, 工作中随游车一起移动, 并向钻柱提供旋转动力, 还在起下钻作业中承受载荷, 可完成旋转钻进、循环钻井液、接钻杆和上卸钻柱各种钻井操作。

因此, 顶驱应提供钻井扭矩和转速、提供上卸扣扭矩、提供钻井液通道、提升相应的载荷、各种功能的自动控制和联锁等功能。

2.1.2 顶驱零件分类

顶驱上的零部件按承载情况和功能作用分为:主承载件、关键零部件、承压件、一般结构件、电子电气件。API Spec 8C标准规定承受主载荷的构件为主承载件, 主承载件是最关键的零件, 也是必须进行严格控制的零件, 一般包括提环、悬挂体、主轴、内套、吊环等。

2.1.3 安全系数和接触半径

设计安全系数根据额定载荷及A P I Spec 8C标准中表1计算得出。提升工具接触表面半径根据额定载荷及API Spec 8C标准中图3和表6查出其最大或最小值, 并根据需要在规定的范围内进行调整。

例如:对于额定载荷为4 5 0 0 k N的顶驱, 其设计安全系数应大于等于2.2 5, 对其上的提升工具提环的接触表面半径要求:E 2≤82.55mm, F2≥114.3mm, 设计时根据此参考值以及计算结果进行就可确定符合要求的实际值。

2.1.4 强度计算

根据顶驱功能, 常规计算有三种工况:提升额定载荷;承受工作扭矩和提升钻柱重量;承受最大卸扣扭矩。对于不同的主承载件工况不同, 受力不同, 强度计算仅以主承载件中的悬挂体为例进行分析。

悬挂体通过吊环将下部吊卡与主轴相连, 主轴通过减速箱箱体, 减速箱箱体又同整体水龙头相接。悬挂体可根据起下钻作业的需要随旋转头转动, 在实际工作中, 悬挂体承担起下钻的作业, 受额定载荷拉力的作用。可以根据API Spec 8C标准要求的接触表面半径利用经验公式计算, 并与设计安全系数进行比较, 根据结果修改设计, 形成设计计算书, 为优化设计还利用有限元分析软件对设计计算进行验证, 并进一步修改了设计。

2.2 设计验证试验

设计验证试验是用来确认所采用的设计计算的完善性而进行的试验。

为了对顶驱装置进行设计验证试验还专门设计制造了静载试验装置, 可完成9000kN拉伸载荷的试验。试验装置按照ASTM E4进行校准。

设计验证试验载荷根据API Spec 8C标准中5.3.2的公式确定, 等于:0.8×额定载荷×设计安全系数, 但不得小于2倍的额定载荷。

如对于额定载荷为4500kN的顶驱, 设计验证试验载荷等于9000kN。

为便于测定其剪应力和避免对应变片准确定位的要求, 均采用三维应变片。贴片的多少、贴片的具体位置根据计算分析预期会产生高应力的部位和装配的实际情况确定。

北石顶驱设计验证试验都委托与设计任务无关的单位进行, 并出具检测报告, 设计得到了验证。

2.3 材料的要求

2.3.1 材料规范

为了满足主承载件预定的用途, 选择合适的材料, 编写了材料规范, 对材料牌号、化学成分、热处理后的机械性能 (含硬度HB、抗拉强度Rm、规定非比例延伸强度Rp0.2、端面伸长率A、端面收缩率Z) 、规定温度下的冲击吸收功 (KV2) 、试样、取样位置、试验方法、热处理工艺方法、探伤、补焊、铸件外观要求、重复试验次数、重复热处理次数进行了规定。

2.3.2 试样取样的规定

由于顶驱主承载件结构复杂, 外形尺寸大, 为保证产品的机械性能和冲击功的要求, 防止产品与试件检测结果误差太大, 规定铸件试件与铸钢件一起整体浇铸并附带于铸钢件的本体上, 试样应在最终热处理完成后才能与铸钢件本体分离;锻件试样根据产品外形尺寸和结构采用当量直径试件, 且必须同一炉的料、采用同样的锻造工艺、同炉热处理;在试样上必须标记零件追溯号、材料炉号、热处理号。并根据API Spec 8C标准6.4规定的位置切取标准试件。

通过对所选材料进行合理的热处理, 对试件的机械性能和冲击功试验结果进行分析表明, 完全可以保证主承载件的设计安全系数符合API Spec 8A/8C的规定, 北京石油机械厂设计中所选材料已经做到了这一点, 并在设计验证试验中得到了验证。