CDZ钻杆吊卡设计计算书

泰兴石油机械有限公司CDZ钻杆吊卡设计计算书J201—05—01第2版共16页第1页1目的和依据1.1目的根据APISpec8C规范和SY/T5035《吊卡》标准，吊卡的基本参数已系列化，且吊耳与吊环的连接尺寸已给定了极限值。因此，在进行吊卡设计计算时，仅根据吊卡最大设计载荷和所选材料的最小屈服强度以及设计吊卡实际尺寸参数，对吊卡各危险截面的设计安全系数进行计算，并把计算结果与给定的许用安全系数进行比较，从而确定吊卡的设计是否满足设计要求，达到验证设计的目的。1.2依据1.2.1本计算书采用APISpec8C规范第四章当量应力章节中规定的计算（校核）公式。在进行计算时，按不同的情况和受力条件，可按弹性、塑性理论进行计算。在以弹性理论为依据进行强度分析时，按照VonMises—Hencky理论计算的吊卡公称当量应力不应超过计算最大许用应力。即：ASmax≤YSmin／SFD式中：ASmax——计算最大许用应力YSmin——规定的材料最小屈服强度SFD——设计安全系数在以塑性理论为依据进行极限强度分析时，按照VonMises—Hencky理论计算吊卡当量应力不应超过计算最大许用应力ASmax。即：ASmax≤TSmin／SFD式中：ASmax——计算最大许用应力TSmin——规定的材料最小极限抗拉强度SFD——设计安全系数1.2.2在下列情况下可按塑性理论进行极限强度分析：1）接触面；2）因零件几何形状引起的高度局部应力集中区和梯度区域。2计算说明2.1本计算书按100t（900kN）、150t（1350kN）、200t（1800kN）、250t（2250kN）、350t（3150kN）、500t（4500kN）六个载荷系列，对CDZ系列吊卡进行强度校验。2.2因为CDZ钻杆吊卡设计时，外形采用较多圆弧过度，在承受较大载荷时应力不易集中，而且除耳孔和锥形台阶的部分接触区塑性变形外（标准允许），其余部位均在弹性变形的范畴以内，因此本计算书不按塑性强度理论计算。2.3在按弹性理论进行强度计算时，每种载荷系列的耳孔部分的尺寸相同，其强度也相同。因此，在计算时每一载荷系列选取其中一种规格的吊卡参加计算，其计算结果适用于该载荷系列的全部吊卡。在吊卡中部强度计算时：因设计时考虑锻模数量、生产批量等因素，因此，每一种载荷系列的吊卡采用一种锻造毛坯，在计算时选取口径大、使用量大的吊卡作为计算模型，其结果适用该载荷系列中的全部吊卡。参加设计计算的吊卡规格见表1：2.4参加计算的吊卡主要承载件主体选用材料为40CrNiMoA或42CrMo，卡页、卡页轴、活页轴选用材料均42CrMo，其要求材料的机械性能最低值和热处理硬度见表2。2.5在进行计算时，剪切强度与屈服强度之比取0.58.。泰兴石油机械有限公司CDZ钻杆吊卡设计计算书J201—05—01第2版共16页第2页-表1参加计算的钻杆吊卡的规格型号序号钻杆吊卡的规格型号序号钻杆吊卡的规格型号1CDZ5IEU—100（133—900）5CDZ5IEU—250（133—2250）2CDZ5IEU—150（133—1350）6CDZ51/2IEU—350（148—3150）3CDZ5IEU—200（133—1800）7CDZ51/2IEU—500（148—4500）-表2选用材料机械性能和硬度要求零件名称材料牌号Rm(MPa)RP0.2(MPa)A％Z％AKVJ硬度HB主体40CrNiMoA≥980≥835≥15≥55≥42（－20℃）300HB～340HB主体42CrMo≥980≥835≥12≥45≥42（－20℃）300HB～340HB活页42CrMo≥980≥835≥12≥45≥42（－20℃）300HB～340HB卡页42CrMo≥980≥835≥12≥45≥42（－20℃）300HB～340HB活页轴42CrMo≥1080≥930≥9≥30≥42（－20℃）328HB～378HB卡页轴42CrMo≥1080≥930≥9≥30≥42（－20℃）328HB～378HB3强度校核模型和受力分析3.1主体当吊卡处于工作状态时，钻杆的总载荷通过钻杆锥度接头，均匀地加载到吊卡的圆锥面上，并考虑到设计验证试验为模拟工作状态的试验，其支承力垂直支承吊卡耳孔的顶端，因此可建立如图1的力学模型，计算时可适当考虑活页对系统的影响。3.2卡页当吊卡处于工作状态时，作用在吊卡圆锥面上的力可以分解成：垂直方向的力P和水平方向的力P/tg18°。因为水平方向的力均匀分布在接头的圆锥面上，所以向活页四周方向上的作用力可近似看作总水平力的1/4，即P/4tg18°，活页轴和卡页轴平分活页方向受到的力，因此，卡页最终受到的力为P/8tg18°，其力学模型见图2。3.3活页轴由于活页轴与活页有上下两个接触面，所以活页轴受到的是剪切力，其大小为P/16tg18°，具体见图3。从力学模型和以往设计验证试验的结果可知，吊卡的危险截面应在Ⅰ－Ⅰ和Ⅱ－Ⅱ两个截面，其受力情况见截面受力分析图，卡页、活页轴见受力分析图。4计算假设为便于计算，吊卡受力部分进行两部分的简化：1）全部的吊卡均假设为是刚体，不考虑因受力引起的变形而产生的变化。2）吊卡由圆弧所带来的强度因素，均未被考虑进入强度计算；3）在进行主体强度计算时，假设所有的载荷全部由主体承担，未考虑活页等部件分担的载荷。4）计算时小数点保留两位，并向不利于增强强度的方面进位。泰兴石油机械有限公司CDZ钻杆吊卡设计计算书J201—05—01第2版共16页第3页图1主体力学模型和尺寸参数P'＝P/4tg18°MxⅡ—Ⅱ截面水平方向力学模型和弯距Mx＝P(φ＋B1)/8tg18°My＝P(L/4－L1/8)PⅡ—Ⅱ截面垂直方向力学模型和弯距L1LP/2P/2τ＝PB/2(H1－Rsinα)Ⅰ—Ⅰ截面剪切力M1＝P/2cosαP'P'P'P'Ⅰ—Ⅰ截面力学模型Ⅰ—Ⅰ截面弯距M1Q1＝P/2P/2活页部分的孔径Ⅰ—ⅠⅡ—ⅡⅡ—ⅡⅠ—Ⅰ钻杆接头φL1BP/2P/2PRαH1HLB1泰兴石油机械有限公司CDZ钻杆吊卡设计计算书J201—05—01第2版共16页第4页活页轴力学模型和尺寸参数Q活＝P'/4＝P/16tg18°Q活＝P'/4Q活＝P'/4d1FⅡ＝P'FⅡ＝P'厚度H2卡页危险截面拉伸力学模型和力图P'/2P'/2F拉＝P'/2＝P/8tg18°卡页危险截面卡页力学模型和尺寸参数P'/2P'/2dDFⅡ＝P'＝P/4tg18°Ⅱ—Ⅱ截面拉伸力学模型和力图泰兴石油机械有限公司CDZ钻杆吊卡设计计算书J201—05—01第2版共16页第5页5设计安全系数〔ns〕的确定按APISpec8C规范和SY/T5035标准要求，吊卡设计安全系数按表3要求确定：表3设计安全系数载荷额定值R，t（kN）设计安全系数[SFD]≤150（1335）3.00150（1335）＜R≤500（4450）3.00－［0.75×（R—150）／350］A3.00－［0.75×（R—1335）／3115］B＞500（4450）2.25注：A公式中的R值以（t短吨）为单位。B公式中的R值以（kN）为单位。经计算：当P＝900kN，[SFD]＝3.00；当P＝1335kN，[SFD]＝3.00；当P＝1780kN，[SFD]＝2.89；当P＝2225kN，[SFD]＝2.78；当P＝3115kN，[SFD]＝2.57。6强度计算公式的确定6.1强度条件ASmax≤DSFYSmin（1）τmax≤DSFmin（2）式中：Asmax——计算最大许用应力YSmin——规定的材料最小屈服应力SFD——设计安全系数τmax——计算最大许用剪切应力τmin—规定的材料最小剪切应力6.2Ⅰ－Ⅰ截面6.2.1Ⅰ－Ⅰ截面的弯曲应力从力学模型和受力分析中可知：在Ⅰ－Ⅰ截面上，由于载荷P和支反力的共同作用，其最大应力是由弯曲应力和剪切应力同时作用而形成的。6.2.1.1支反力RA＝RB＝2P6.2.1.2弯矩M1＝2PRcosα6.2.1.3抗弯模量W1＝6B（H1－Rsinα)26.2.1.4弯曲应力σ1＝11WM＝BPR3×21sincosRH（3）式中：P——吊卡设计载荷（kN）R——耳孔半径（mm）B——吊卡翅膀厚度（mm）H1——耳孔中心到上端面的距离（mm）泰兴石油机械有限公司CDZ钻杆吊卡设计计算书J201—05—01第2版共16页第6页6.2.2耳孔产生应力最大值位置的确定因为Ⅰ－Ⅰ截面弯曲应力是关于角度α的函数，因此令σ1'＝0，则可计算出应力最大值的α角。因为σ1＝BPR3×21sincosRH，所以σ1'＝〔BPR3×21sincosRH〕'即σ1'＝〔41121sincossin2cossinsinRHRRHRH整理后得：σ1'＝3121sinsinsin2RHRHR(0＜α≤90°)在角度的取值范围内（H1－Rsinα）3≠0令σ1'＝0即Rsin2α＋H1sinα－2R＝0解方程得：sinα＝RRHH282211（4）即：当sinα＝RRHH282211时，耳孔有最大弯曲应力值。6.2.3Ⅰ－Ⅰ截面的剪切应力6.2.3.1剪切力Q＝2P6.2.3.2剪切截面面积：S＝BH1’＝B（H1－Rsinα)6.2.3.3剪切应力τ1＝SQ＝sin21RHBP（5）6.2.4Ⅰ－Ⅰ截面主应力按VonMises—Hencky强度理论，计算公式：σI＝2223yxyx在Ⅰ－Ⅰ截面内，其中σx＝0σy＝σ1τ＝τ1所以原式可化简为：σImax＝21213（6）6.3Ⅱ－Ⅱ截面从力学模型和受力分析中可知：Ⅱ－Ⅱ截面受垂直方向的弯曲应力和水平方向的弯曲应力以及水平拉应力的共同作用。6.3.1Ⅱy－Ⅱy垂直截面的弯曲应力6.3.1.1Ⅱy－Ⅱy垂直截面的弯矩My＝P（4L－81L）6.3.1.2Ⅱy－Ⅱy垂直截面的抗弯模量：Wy＝621HB泰兴石油机械有限公司CDZ钻杆吊卡设计计算书J201—05—01第2版共16页第7页6.3.1.3Ⅱy－Ⅱy垂直截面的弯曲应力：σy＝yyWM＝211826HBLLP（7）式中P——吊卡设计载荷（kN）L——两耳孔中心距（mm）L1——钻杆接头外径（mm）B1——截面厚度（mm）H——截面高度（mm6.3.2Ⅱx－Ⅱx水平截面的弯曲应力6.3.2.1Ⅱx－Ⅱx水平截面的弯矩Mx＝P＇×2φ＝184Ptg×2B1φ＋＝8B3P1）（φ＋6.3.2.2Ⅱx－Ⅱx水平截面的抗弯模量：Wx＝6B221）（H×21＝3B21H6.3.2.3Ⅱx－Ⅱx水平截面的弯曲应力：σx＝xxWM＝2118B9PHB）（φ＋（8）式中P——吊卡设计载荷（kN）φ——中孔孔径（mm）B1——截面厚度（mm）H——截面高度（mm6.3.3Ⅱ－Ⅱ截面水平拉应力σ拉＝HB2/1＇P＝18H8BP1tg＝H8B3P1（9）式中P——吊卡设计载荷（kN）B1——截面厚度（mm）H——截面高度（mm6.3.4Ⅱ－Ⅱ截面强度校核按VonMises—Hencky强度理论，计算公式：σⅡ＝2223yxyx+σ拉在Ⅱ－Ⅱ截面τ＝0，因此公式可化简为：σⅡ＝yxyx22+σ拉（10）6.4卡页根据力学模型，作用在吊卡上的载荷为P，卡页受到的拉力为P/8tg18°，即3P/8。其最大应力出现在经轴孔并线中心垂直的截面上。其最大应力为：σ卡＝卡拉SF＝－d)D8H32（P（11）式中：σ卡——卡页的最大拉应力；F拉——卡页的最大拉力；S拉——危险截面的面积；泰兴石油机械有限公司CDZ钻杆吊卡设计计算书J201—05—01第2版共16页第8页H2——卡页杆部高度；D——外径；d——卡页轴孔径。6.5活页轴根据力学模型，作用在吊卡上的载荷为P，活页轴受到的剪切力为P/16tg18°，即3P/16。其最大剪切应力为：τ活＝活活SQ＝21d4π3P（12）式中：τ活——活页轴