井架、抽油機(jī)等石油機(jī)械是油田現(xiàn)場(chǎng)鉆井、采油不可缺少的重要設(shè)備。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，多采用有限元分析方法。然而，由于制造中的誤差、搬運(yùn)過(guò)程中的碰撞、安裝找正中的偏差和長(zhǎng)期服役過(guò)程中的腐蝕等因素，使得這些結(jié)構(gòu)不可避免地存在著各種初始缺陷，使它們的實(shí)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(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此需要借助應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)來(lái)加以驗(yàn)證。

本文采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)對(duì)井架和抽油機(jī)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，分析了解在測(cè)試過(guò)程中的補(bǔ)片方案、結(jié)果分析以及實(shí)際測(cè)試中涉及的技術(shù)問題。

井架承載能力評(píng)價(jià)

井架是石油鉆機(jī)、修井機(jī)的重要組成部分。為了評(píng)定實(shí)際使用的井架承載能力，必須對(duì)井架在實(shí)際受載條件下的應(yīng)力、變形進(jìn)行綜合測(cè)試后，才能可靠地評(píng)定其承載能力的大小。

本文對(duì)某公司井架進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，由于井架屬超靜定空間鋼架結(jié)構(gòu)，每個(gè)桿件都承受軸力、彎矩、扭矩、剪力的聯(lián)合作用，其中軸力和彎矩引起正應(yīng)力，扭矩和剪力引起剪應(yīng)力，理論計(jì)算和實(shí)際分析表明，井架中絕大多數(shù)桿件的危險(xiǎn)點(diǎn)都發(fā)生在最大正應(yīng)力點(diǎn)處。因此，可以采用正應(yīng)力測(cè)試方法，每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿立柱方向各貼一個(gè)應(yīng)變片，采用半橋接法，可實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)補(bǔ)償。由于軸力可能為壓力或拉力，在兩個(gè)方向的彎矩作用方向的不同，由于橫截面上的危險(xiǎn)點(diǎn)位置是未知的，為了找到截面上的最大正應(yīng)力點(diǎn)，必須在各個(gè)可能的危險(xiǎn)點(diǎn)都布片。

經(jīng)靜、動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)綜合分析，該井架在最大設(shè)計(jì)鉤載1960KN時(shí)，井架立柱最大應(yīng)力為-121.70MPa，井架前立柱最大穩(wěn)定應(yīng)力為308.5MPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，該井架不能滿足原設(shè)計(jì)鉤載的工作要求，井架等級(jí)為c級(jí)。

抽油機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試

某型雙爐頭抽油機(jī)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在游梁體尾部連接孔部位出現(xiàn)了裂紋、斷裂等失效形式。為此，對(duì)雙驢頭抽油機(jī)的游梁部位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試，包括靜應(yīng)力測(cè)試，前驢頭加載28.8KN；動(dòng)應(yīng)力測(cè)試3min多，抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷在13.0-36.8KN之間波動(dòng)，沖次3.8min^-1，沖程5m。由于測(cè)點(diǎn)的主方向未知，故選用45°應(yīng)變花。將45°應(yīng)變花粘貼在測(cè)點(diǎn)所在的結(jié)構(gòu)表面，接成測(cè)量電橋；同時(shí)，為考慮溫度效應(yīng)的補(bǔ)償作用，在游梁附近粘貼1塊相同材料的補(bǔ)償鐵，用以粘貼溫度補(bǔ)償片。靜測(cè)結(jié)果如表1，動(dòng)測(cè)結(jié)果如表2.

表1游梁各測(cè)點(diǎn)靜態(tài)實(shí)測(cè)值

表2游梁各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅值

從表1可以看出，抽油機(jī)懸點(diǎn)靜載荷為28.8KN時(shí)，游梁連接孔B處測(cè)點(diǎn)2和3所受的應(yīng)力較大，最大值為22.46MPa；而測(cè)點(diǎn)1、4、5相比則較小。目前，油田已普遍進(jìn)入高含水開發(fā)階段，抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷較大，一般在78.45-98.07KN，因此抽油機(jī)所承受的載荷也較大。根據(jù)小變形原理，在材料的比例極限范圍內(nèi)，應(yīng)力隨外力呈線性變化，當(dāng)動(dòng)載荷達(dá)到95KN時(shí)，游梁的最大應(yīng)力為74.09MPa，接近材料的許用應(yīng)力，說(shuō)明該游梁在工作載荷作用下的強(qiáng)度儲(chǔ)備已很少。由表2可知，測(cè)點(diǎn)2和3的應(yīng)力幅值要大于其他各測(cè)點(diǎn)，可認(rèn)為游梁是在交變應(yīng)力作用下工作，其持久極限更小，故很容易產(chǎn)生裂紋而發(fā)生斷裂。

結(jié)論

1. 由以上實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)變電測(cè)技術(shù)可用于石油機(jī)械行業(yè)中。

2. 測(cè)試的主要目的是校核結(jié)構(gòu)的最薄弱部位是否合格，測(cè)試部位一般可先利用有限元分析結(jié)果并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行選擇。

3. 測(cè)量類似鉆機(jī)井架這樣的石油機(jī)械，由于所用信號(hào)線較長(zhǎng)，信號(hào)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(yīng)選用電阻較小的應(yīng)變片，如115Ω，而其他參數(shù)保持不變，以便于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

4. 測(cè)量運(yùn)動(dòng)構(gòu)件表面的應(yīng)變，最好使用與構(gòu)件材料熱膨脹特性能良好匹配的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。在沒有溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)時(shí)，可采用半橋補(bǔ)償方法，但必須保證溫度相同