应变电测技术在井架、抽油机上应用

时间：2023-08-21

井架、抽油机等石油机械是油田现场钻井、采油不可缺少的重要设备。在进行结构强度设计时，多采用有限元分析方法。然而，由于制造中的误差、搬运过程中的碰撞、安装找正中的偏差和长期服役过程中的腐蚀等因素，使得这些结构不可避免地存在着各种初始缺陷，使它们的实际受力、变形状况与理想情况存在一定差异。若仍采用有限元分析的方法，会产生较大的误差，因此需要借助应力测试实验来加以验证。

本文采用应变电测技术对井架和抽油机进行应力测试，分析了解在测试过程中的补片方案、结果分析以及实际测试中涉及的技术问题。

井架承载能力评价

井架是石油钻机、修井机的重要组成部分。为了评定实际使用的井架承载能力，必须对井架在实际受载条件下的应力、变形进行综合测试后，才能可靠地评定其承载能力的大小。

本文对某公司井架进行了现场实测，由于井架属**静定空间钢架结构，每个杆件都承受轴力、弯矩、扭矩、剪力的联合作用，其中轴力和弯矩引起正应力，扭矩和剪力引起剪应力，理论计算和实际分析表明，井架中绝大多数杆件的危险点都发生在较大正应力点处。因此，可以采用正应力测试方法，每个测点沿立柱方向各贴一个应变片，采用半桥接法，可实现温度的自动补偿。由于轴力可能为压力或拉力，在两个方向的弯矩作用方向的不同，由于横截面上的危险点位置是未知的，为了找到截面上的较大正应力点，必须在各个可能的危险点都布片。

经静、动载试验测试数据及计算机仿真试验综合分析，该井架在较大设计钩载1960KN时，井架立柱较大应力为-121.70MPa，井架前立柱较大稳定应力为308.5MPa。根据标准，该井架不能满足原设计钩载的工作要求，井架等级为c级。

抽油机结构强度测试

某型双炉头抽油机在长期使用过程中发现，在游梁体尾部连接孔部位出现了裂纹、断裂等失效形式。为此，对双驴头抽油机的游梁部位进行了现场应力测试，包括静应力测试，前驴头加载28.8KN；动应力测试3min多，抽油机悬点载荷在13.0-36.8KN之间波动，冲次3.8min^-1，冲程5m。由于测点的主方向未知，故选用45°应变花。将45°应变花粘贴在测点所在的结构表面，接成测量电桥；同时，为考虑温度效应的补偿作用，在游梁附近粘贴1块相同材料的补偿铁，用以粘贴温度补偿片。静测结果如表1，动测结果如表2.

表1游梁各测点静态实测值

测点编号	1	2	3	4	5
较大正应力/MPa	7.37	22.46	17.61	10.51	10.91
较大剪应力/MPa	4.39	16.97	13.59	7.49	4.01

表2游梁各测点应力幅值

测点编号	1	2	3	4	5
较大正应力/MPa	3.47	10.93	9.05	5.26	6.98

从表1可以看出，抽油机悬点静载荷为28.8KN时，游梁连接孔B处测点2和3所受的应力较大，较大值为22.46MPa；而测点1、4、5相比则较小。目前，油田已普遍进入高含水开发阶段，抽油机的悬点载荷较大，一般在78.45-98.07KN，因此抽油机所承受的载荷也较大。根据小变形原理，在材料的比例极限范围内，应力随外力呈线性变化，当动载荷达到95KN时，游梁的较大应力为74.09MPa，接近材料的许用应力，说明该游梁在工作载荷作用下的强度储备已很少。由表2可知，测点2和3的应力幅值要大于其他各测点，可认为游梁是在交变应力作用下工作，其持久极限更小，故很容易产生裂纹而发生断裂。

结论

1. 由以上实验证明，应变电测技术可用于石油机械行业中。

2. 测试的主要目的是校核结构的较薄弱部位是否合格，测试部位一般可先利用有限元分析结果并结合实际经验来进行选择。

3. 测量类似钻机井架这样的石油机械，由于所用信号线较长，信号线自身电阻也较大，而高精度仪器所能平衡的电阻范围较小，因此应选用电阻较小的应变片，如115Ω，而其他参数保持不变，以便于进行现场测量。

4. 测量运动构件表面的应变，较好使用与构件材料热膨胀特性能良好匹配的温度自补偿应变计。在没有温度自补偿应变计时，可采用半桥补偿方法，但必须保证温度相同。

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