一种水龙头旋转加载试验装置的设计

南阳二机石油装备（集团）有限公司 郑惠玲 李 湛 张金全 彭 慷

一种水龙头旋转加载试验装置的设计

南阳二机石油装备（集团）有限公司 郑惠玲 李 湛 张金全 彭 慷

水龙头是钻采设备的关键部件，也是钻机提升系统的主要受力部件，其主要功能是悬挂、旋转、起升、下放钻具，必须进行出厂试验和见证载荷试验。系列水龙头的负荷范围较大，且既有提升功能又有旋转功能，一些部件还需要进行压力试验，这就要求试验工装具有复合试验功能。本文，笔者提出的这一种水龙头旋转加载试验装置，在设计的同时考虑了对吊环、吊卡、游车大钩和死绳固定器等钻机提升系统的重要部件的试验，实现了“一机多用”，取得了很好应用效果。

一、试验要求

1.试验对象载荷要求。由于钻机、修井机的系列化，水龙头部件也有许多规格，要求的试验载荷为1 450～5 400 kN。

2.试验对象功能要求。由于水龙头具有提升、承压及旋转功能，所以其旋转加载装置必须具备提升、压力和旋转试验条件，并且，提升、压力和旋转试验必须同时进行。

3.API标准要求。API（American Petroleum Institute)是美国石油协会的英文缩写。由API制定与出版的标准在世界上个具有很大的影响，尤其是油田设备的标准已国际通用。API Spec 8A和API Spec 8C中所规定的钻井和采油提升设备的标准和规范，对水龙头的设计验证试验提出了明确规定。

（1）功能试验。将试验产品加载到设计载荷，在此载荷被解除后，检查设备确定其设计功能及其零件均未因项加载而受到损害。

（2）设计验证试验。采用应力应变分析法，将应变片贴到待试产品所有会产生高应力的部位，对产品加载到设计验证试验载荷（设计验证试验载荷为0.8×R×SFd，但不得小于2R。R为额定载荷，SFd为设计安全系数），读取应变仪数值并观察屈服情况，其应力值不应超过设计值。

（3）设计验证试验装置。试验装置应以与实际操作基本相同的方式和在载荷支撑表面上具有基本相同的接触面积，对试验产品进行加载。

二、水龙头旋转加载试验装置的结构

1.支撑架体。水龙头旋转加载试验装置的支撑架体采用龙门框架结构，由底座、立柱、悬挂横梁组成。龙门式结构承载能力大、稳定性好、结构简单、安装方便。

2.加载系统。加载系统由电动液压泵站、两个双作用千斤顶、控制阀、压力表、管路组成。采用液压加载方式，保证加载范围广，施力均匀、稳定、易控制、可计量。压力控制系统采用液压控制原理，既精确、稳定，又可实现远程操作，使操作者避开危险区。

3.旋转动力系统。旋转动力系统采用自制液压站、控制阀、液压马达输出扭矩实现水龙头的旋转试验。

4.试压系统。试压系统由智能触摸试验装置、压力自控器、液控阀等组成。其中，水压试验压力可以设定，并自动处理、储存、记录；数据处理系统由电脑操作，包括状态显示、数据分析、结果输出等。

水龙头旋转加载试验装置如图1所示，旋转试验液压系统如图2所示。

三、工作原理

1.载荷试验原理。根据试验要求，在试验对象的规定部位粘贴应变片。选择合适的销轴和插接件，将受试部件装入试验台框架内，连接好应变片与数据采集器之间的信号线。操作液压系统控制阀，使系统压力回零，按下电源开关，给液压站供电。操作调压阀，给液压千斤顶供油，通过改变液压系统的压力，使液压缸产生不同的推力，从而对试验对象施加不同的试验载荷。同时，通过电脑屏幕观察压力曲线，记录试验数据，输出试验结果。

2.旋转试验原理。将水龙头悬挂在以球体座支承的横梁上，水龙头的中心管与过渡接头、联接座联接，水龙头的提环与试验装置的底座联接，将液压马达用专用联接座与水龙头的支架联接。调节液压系统压力，启动液压马达，带动水龙头旋转，通过改变液压系统的流量，获得所需的几种不同的试验转速，同时使所加载荷符合试验要求。通过测速仪、温度传感器、噪声传感器，测量实际运行状况，输入电脑分析，输出结果、保存记录。

3.测量系统原理。电气部分采用微机状态下手动和自动控制。电气的控制和处理系统均装在微机的主机内，试验力测量数据、位移测量数据、应变测量数据及曲线等，均显示在微机的屏幕上，并全部存储、打印试验报告。

4.压力试验原理。采用专用智能触摸试验机进行压力试验。试验机采用柱塞泵加压，压力数值由传感器传递，压力与时间的变化曲线在屏幕上显示，并全部存储记录下来。

四、主要技术参数

1.试验装置外形尺寸。即40 000 mm（长）×1 600 mm（宽）×3 700 mm（高）。

2.允许试验对象外形尺寸。即1 200 mm（长）×1 090 mm（宽）×3 000 mm（高）。

3.最大拉试验力。试验装置最大拉试验力为6400 kN，试验力为4%～100%，试验力测量精度为±1%。

4.旋转加载。旋转加载为1800 N.m，旋转负荷为500 kN，旋转转速范围为0～400 r/min。

5.试压系统。液压站采用低压大流量和高压小流量组成的双联水泵340 L/min和15 L/min，最大额定压力为100 MPa，总功率为5.5 kW。

五、技术关键

1.不同型号的水龙头试验载荷相差很大，设计采用液压系统加载，利用压力变化实现试验载荷的变化。

2.不同型号的水龙头尺寸差异很大，但要求在一个试验装置上能够满足不同尺寸试验对象的试验要求。因此，加载装置采用2个320 t的液压千斤顶，利用液压千斤顶自身的行程及配备的调节装置，实现对不同吨位、不同规格、不同尺寸水龙头部件的加载。

3.为保证施力均衡且受力在同一条直线上，将2个千斤顶的上端与承载梁设计为浮动支点，使所加载荷稳定、准确。

4.考虑旋转试验对速度的不同要求，调节液压马达的流量实现无级调速。

六、现场应用情况

该试验装置可进行各项试验，如水龙头的出厂试验和见证载荷试验，游车大钩的出厂试验和见证载荷试验，吊环、吊卡的出厂试验和形式试验，以及死绳固定器的出厂试验和形式试验等。其最大试验载荷为5 515 kN，能够满足水龙头、游车大钩等提升系统的试验要求。

七、应用效果

水龙头旋转加载装置不仅可以对系列水龙头进行试验测试，还能够对YG180游车大钩、YG225游车大钩、DH250吊环、JZG18A－00死绳固定器、JZG20－00及JZG24－00（立式）死绳固定器、CD135吊卡等提升系统的产品进行型式试验、出厂试验、试验证明，该装置设计合理、自动化程度高、应用范围广、试验效率高和安全可靠。