一種水龍頭旋轉加載試驗裝置的設計

南陽二機石油裝備（集團）有限公司 鄭惠玲 李 湛 張金全 彭 慷

一種水龍頭旋轉加載試驗裝置的設計

南陽二機石油裝備（集團）有限公司 鄭惠玲 李 湛 張金全 彭 慷

水龍頭是鉆采設備的關鍵部件，也是鉆機提升系統的主要受力部件，其主要功能是懸掛、旋轉、起升、下放鉆具，必須進行出廠試驗和見證載荷試驗。系列水龍頭的負荷范圍較大，且既有提升功能又有旋轉功能，一些部件還需要進行壓力試驗，這就要求試驗工裝具有復合試驗功能。本文，筆者提出的這一種水龍頭旋轉加載試驗裝置，在設計的同時考慮了對吊環、吊卡、游車大鉤和死繩固定器等鉆機提升系統的重要部件的試驗，實現了“一機多用”，取得了很好應用效果。

一、試驗要求

1.試驗對象載荷要求。由于鉆機、修井機的系列化，水龍頭部件也有許多規格，要求的試驗載荷為1 450～5 400 kN。

2.試驗對象功能要求。由于水龍頭具有提升、承壓及旋轉功能，所以其旋轉加載裝置必須具備提升、壓力和旋轉試驗條件，并且，提升、壓力和旋轉試驗必須同時進行。

3.API標準要求。API（American Petroleum Institute)是美國石油協會的英文縮寫。由API制定與出版的標準在世界上個具有很大的影響，尤其是油田設備的標準已國際通用。API Spec 8A和API Spec 8C中所規定的鉆井和采油提升設備的標準和規范，對水龍頭的設計驗證試驗提出了明確規定。

（1）功能試驗。將試驗產品加載到設計載荷，在此載荷被解除后，檢查設備確定其設計功能及其零件均未因項加載而受到損害。

（2）設計驗證試驗。采用應力應變分析法，將應變片貼到待試產品所有會產生高應力的部位，對產品加載到設計驗證試驗載荷（設計驗證試驗載荷為0.8×R×SFd，但不得小于2R。R為額定載荷，SFd為設計安全系數），讀取應變儀數值并觀察屈服情況，其應力值不應超過設計值。

（3）設計驗證試驗裝置。試驗裝置應以與實際操作基本相同的方式和在載荷支撐表面上具有基本相同的接觸面積，對試驗產品進行加載。

二、水龍頭旋轉加載試驗裝置的結構

1.支撐架體。水龍頭旋轉加載試驗裝置的支撐架體采用龍門框架結構，由底座、立柱、懸掛橫梁組成。龍門式結構承載能力大、穩定性好、結構簡單、安裝方便。

2.加載系統。加載系統由電動液壓泵站、兩個雙作用千斤頂、控制閥、壓力表、管路組成。采用液壓加載方式，保證加載范圍廣，施力均勻、穩定、易控制、可計量。壓力控制系統采用液壓控制原理，既精確、穩定，又可實現遠程操作，使操作者避開危險區。

3.旋轉動力系統。旋轉動力系統采用自制液壓站、控制閥、液壓馬達輸出扭矩實現水龍頭的旋轉試驗。

4.試壓系統。試壓系統由智能觸摸試驗裝置、壓力自控器、液控閥等組成。其中，水壓試驗壓力可以設定，并自動處理、儲存、記錄；數據處理系統由電腦操作，包括狀態顯示、數據分析、結果輸出等。

水龍頭旋轉加載試驗裝置如圖1所示，旋轉試驗液壓系統如圖2所示。

三、工作原理

1.載荷試驗原理。根據試驗要求，在試驗對象的規定部位粘貼應變片。選擇合適的銷軸和插接件，將受試部件裝入試驗臺框架內，連接好應變片與數據采集器之間的信號線。操作液壓系統控制閥，使系統壓力回零，按下電源開關，給液壓站供電。操作調壓閥，給液壓千斤頂供油，通過改變液壓系統的壓力，使液壓缸產生不同的推力，從而對試驗對象施加不同的試驗載荷。同時，通過電腦屏幕觀察壓力曲線，記錄試驗數據，輸出試驗結果。

2.旋轉試驗原理。將水龍頭懸掛在以球體座支承的橫梁上，水龍頭的中心管與過渡接頭、聯接座聯接，水龍頭的提環與試驗裝置的底座聯接，將液壓馬達用專用聯接座與水龍頭的支架聯接。調節液壓系統壓力，啟動液壓馬達，帶動水龍頭旋轉，通過改變液壓系統的流量，獲得所需的幾種不同的試驗轉速，同時使所加載荷符合試驗要求。通過測速儀、溫度傳感器、噪聲傳感器，測量實際運行狀況，輸入電腦分析，輸出結果、保存記錄。

3.測量系統原理。電氣部分采用微機狀態下手動和自動控制。電氣的控制和處理系統均裝在微機的主機內，試驗力測量數據、位移測量數據、應變測量數據及曲線等，均顯示在微機的屏幕上，并全部存儲、打印試驗報告。

4.壓力試驗原理。采用專用智能觸摸試驗機進行壓力試驗。試驗機采用柱塞泵加壓，壓力數值由傳感器傳遞，壓力與時間的變化曲線在屏幕上顯示，并全部存儲記錄下來。

四、主要技術參數

1.試驗裝置外形尺寸。即40 000 mm（長）×1 600 mm（寬）×3 700 mm（高）。

2.允許試驗對象外形尺寸。即1 200 mm（長）×1 090 mm（寬）×3 000 mm（高）。

3.最大拉試驗力。試驗裝置最大拉試驗力為6400 kN，試驗力為4%～100%，試驗力測量精度為±1%。

4.旋轉加載。旋轉加載為1800 N.m，旋轉負荷為500 kN，旋轉轉速范圍為0～400 r/min。

5.試壓系統。液壓站采用低壓大流量和高壓小流量組成的雙聯水泵340 L/min和15 L/min，最大額定壓力為100 MPa，總功率為5.5 kW。

五、技術關鍵

1.不同型號的水龍頭試驗載荷相差很大，設計采用液壓系統加載，利用壓力變化實現試驗載荷的變化。

2.不同型號的水龍頭尺寸差異很大，但要求在一個試驗裝置上能夠滿足不同尺寸試驗對象的試驗要求。因此，加載裝置采用2個320 t的液壓千斤頂，利用液壓千斤頂自身的行程及配備的調節裝置，實現對不同噸位、不同規格、不同尺寸水龍頭部件的加載。

3.為保證施力均衡且受力在同一條直線上，將2個千斤頂的上端與承載梁設計為浮動支點，使所加載荷穩定、準確。

4.考慮旋轉試驗對速度的不同要求，調節液壓馬達的流量實現無級調速。

六、現場應用情況

該試驗裝置可進行各項試驗，如水龍頭的出廠試驗和見證載荷試驗，游車大鉤的出廠試驗和見證載荷試驗，吊環、吊卡的出廠試驗和形式試驗，以及死繩固定器的出廠試驗和形式試驗等。其最大試驗載荷為5 515 kN，能夠滿足水龍頭、游車大鉤等提升系統的試驗要求。

七、應用效果

水龍頭旋轉加載裝置不僅可以對系列水龍頭進行試驗測試，還能夠對YG180游車大鉤、YG225游車大鉤、DH250吊環、JZG18A－00死繩固定器、JZG20－00及JZG24－00（立式）死繩固定器、CD135吊卡等提升系統的產品進行型式試驗、出廠試驗、試驗證明，該裝置設計合理、自動化程度高、應用范圍廣、試驗效率高和安全可靠。