李晨，高成，彭辉，叶锐，周华妮，金泽秦

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡 721002）

0 引言

液压猫头是钻机的基础配套部件，它与吊钳配套用于钻杆、钻铤、套管等的上卸扣作业[1]。液压驱动使输出转矩可方便地根据管径大小进行调节，与机械猫头相比较，它不但减轻了钻井工人的劳动强度，降低了钻井成本，更主要的是有力保证了钻井工人的人身安全，顺利地完成钻井作业。随着钻井工业的发展，自动化钻井工具在钻机上得以应用，各种形式的铁钻工已经可以代替液压猫头的上卸扣功能，但是作为性能可靠的备用工具，液压猫头仍然具有不可代替地位。所以现在每套钻机都将液压猫头配置齐全，并且在钻机安装完成后进行液压猫头的各项功能试验。

1 液压猫头试验介绍

根据钻机出厂要求，所有钻机配套液压猫头在出厂前都必须进行空运转和载荷试验。液压猫头空运转是为了确保液压源、控制部件、液压猫头三者之间的连接正确、控制部件逻辑正确，能够顺利实现预定的动作。载荷试验是为了验证液压猫头、液压源的性能，以及现场配焊的液压猫头座连接耳板的焊接强度。

进行空运转试验时，只需要启动液压源、接通各控制管路即可完成。但是进行载荷试验时则需要将液压猫头的出绳端固定，通过猫头油缸的伸出来绷紧出绳，当油缸无法伸出时液压源压力逐渐升高直至16 MPa额定压力，溢流阀开始溢流为止。然后通过液压猫头出绳端与固定桩之间的拉力传感器测试出液压猫头的拉力值。

现在井场普遍采用的试验连接方法是将液压猫头的出绳端与拉力传感器连接好后将活绳端固定在钻机大门立柱根部，操作液压猫头来完成载荷试验。试验过程中工作人员要扶住连接绳，防止绳索受力转动导致传感器连接插头碰坏，并且还要随时关注与大门立柱相连接的绳索不能沿立柱上滑从而拉弯大门立柱。

以往在进行该试验时出现过大门立柱被拉弯、立根台前铺台拉翻、液压猫头出绳拉断、液压猫头座连接耳板拉脱、液压猫头后部固定伸出绳的楔块拉飞等危险状况，虽未造成严重事故，但也存在极大的安全隐患。

由此，我们希望研究一套液压猫头载荷试验方案，在方便现场使用的前提下减少工作人员的近距离操作，保证现场人员的安全，并且使试验结果更直观。

2 液压猫头载荷试验改造方案

2.1 试验分析

根据钻机试验大纲要求，液压猫头需进行最大拉力为16 t的载荷试验，而载荷试验的通常做法有如下两种：1）将液压猫头伸出绳端头固定，通过拉力传感器来测试拉力；2）直接悬挂16 t配重，通过相应的导绳装置举升配重。

试验完成后必须达到以下效果：1）不能损坏钻机部件和液压猫头部件；2）试验完成后对液压猫头座在钻台面上的连接耳板焊缝进行探伤，要求不能有裂纹或其他缺陷出现。

2.2 难点分析

1）通过拉力传感器来测试拉力就必须在钻机上寻找合适的固定点，该固定点应当足够坚固，且能够提供足够反作用力抵抗液压猫头最大16 t的拉力。

2）通过悬挂配重进行拉力试验就必须将液压猫头水平方向的出绳通过导向滑轮转化为垂直方向的拉力，从而提升配重进行试验。但是导向轮安装位置必须具有足够的强度，防止配重提升过程中钻机部件的损坏。并且保证工装与钻台面的固定可靠。

2.3 试验方案设计

根据现场查看NDC钻机钻台面及查阅其他各型号钻机图样总结出液压猫头载荷试验有以下几种方案[2]：1）将液压猫头伸出绳端头连接好拉力传感器后固定在大钳尾绳桩上进行试验；2）将液压猫头伸出绳端头连接好拉力传感器后固定在钻机大门立柱上进行试验；3）在转盘上增加工装，将液压猫头出绳导向到钻台面以下，通过悬挂配重、提升配重来实现载荷试验。

2.3.1 改进方案一

将液压猫头出绳端头连接拉力传感器后固定在大钳尾绳桩上进行试验。方案分析如下：

1）大钳尾绳桩在各种类型的钻机上都会配备，并且其下部固定在底座大梁上，经过计算校核其焊缝强度也足以承受最大16 t的拉力。

2）常规液压猫头所配钢丝绳长度为8 m左右，在不裁剪钢丝绳长度的情况下，要求液压猫头与大钳尾绳桩之间的距离至少应在7 m以上，否则将无法绷紧钢丝绳产生拉力并完成试验。但是很多型号钻机液压猫头与大钳尾绳桩之间的距离太近，无法满足连接要求。

3）还有一些钻机司钻房位置太靠近转盘，液压猫头与大钳尾绳桩间的连接绳与司钻房房体会相干涉，导致试验困难。

综上所述，将大钳尾绳桩作为连接固定装置进行试验时对大钳尾绳桩的位置要求较为严格，对于不同类型钻机的兼容性较差。所以只能选择其他方案进行试验。

2.3.2 改进方案二

在转盘上增加工装，将液压猫头出绳导向到钻台面以下，通过悬挂配重、提升配重来实现载荷试验。

2.3.2.1 改进方案分析

1）通过现场查看结合钻井工具的使用选择将导绳轮工装固定在钻机转盘上相应的驱动销轴孔上，液压猫头出绳绕过滑轮通过转盘中心下放到钻台面以下，通过提升最大16 t的配重实现载荷试验。

2）试验工装安装在转盘上，可以通过转动转盘锁定导向轮的方向来适应各种液压猫头座方向偏转的情况。

2.3.2.2 工装设计

新设计工装利用工装下部的连接销将其固定在转盘上相应的驱动销孔内，实现抵抗试验时向后作用力的目的。

为了降低工装高度、减轻工装质量、方便运输和使用，根据液压猫头水平出绳高度在800 mm左右，上部导向滑轮外径设计为φ500 mm，工装安装在转盘上以后液压猫头出绳引入工装滑轮处中心离地高度为565 mm。

图1 工装安装在转盘上

2.3.2.3 工装关键件校核

1）连接销轴强度校核。连接销轴直径为φ82.93 mm，总共4件，选择材料为35CrMo，承受横向载荷为160 kN，此处按照中间连接销承受全部160 kN载荷进行校核计算，单个中间销轴受力大小为Q=80 kN，安全系数ns=3；连接销轴材料为35CrMo，σs=540 MPa。则许用应力[σ]=σs/ns=180 MPa；许用剪应力[τ]=0.58×[σ]=104.4 MPa；连接销轴剪应力τ=Q/S=29.64 MPa。计算可知：τ<[τ]，连接销轴抗剪切强度满足要求。

2）工装抗倾翻校核。液压猫头出绳点高度在500～1200 mm之间，一般出绳点高度为800 mm，合力作用点在工装底板长度以内，并且悬挂配重所产生的力矩大于液压猫头拉力所产生的力矩，所以工装不会向后翻转。

3）滑轮轴强度校核计算。当液压猫头出绳点位置最低时滑轮轴所受合力最大为226.3 kN，即滑轮轴所受最大剪切力P=226.3 kN，Q=P/2=113.15 kN，滑轮轴直径D=80 mm，材料为35CrMo，安全系数ns=3[3]。则许用应力[σ]=σs/ns=180 MPa；许用剪应力[τ]=0.58[σ]=104.4 MPa；滑轮轴剪应力τ=Q/S=11.3 MPa。计算可知：τ<[τ]，滑轮轴抗剪切强度满足要求。

4）导向滑轮强度校核。导向滑轮选用铸造实心滑轮，由于直径较小，其强度主要取决于铸造工艺条件，此处无需进行强度校核。

3 工装在现场的使用

1）试验时先将工装安装在转盘上，然后根据液压猫头的位置和偏转角度转动转盘，使工装滑轮的绳槽与液压猫头的出绳方向在一条直线上，然后将转盘补芯锁定。

2）操作手柄将液压猫头油缸全部缩回，然后将液压猫头的出绳绕过滑轮穿过转盘中心导向到钻台面下。

3）将配重悬挂在液压猫头出绳上，调整绳索长度使绳索基本处于绷紧状态。

4）操作手柄，使液压猫头提升配重，然后按要求进行试验。

图2 液压猫头载荷试验方式示意

4 结语

钻机液压猫头载荷试验一直以来都被视为钻机组装试验中参与人员较多、危险性较大的试验内容，并且试验结果还时常遭到监造人员的质疑。使用新工装后最大限度地减少了试验过程中对操作人员造成伤害的不安全因素，并且新试验方案还具有以下几方面的特点：1）新工装适用于所有类型带转盘的钻机，对液压猫头的位置能够全方位地兼容。2）新工装投入使用后将消除大门立柱被拉弯、前铺台拉翻、损坏的安全隐患，减少操作人员在危险区域的停留，极大地降低液压猫头载荷试验的危险性。3）新工装使用后使试验结果更加直观，彻底消除了由于拉力传感器损坏所造成的试验结果不可信的隐患。