鄒龍慶，赫廣田 (大慶石油學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318)

JJ160/41-K型模型井架結(jié)構(gòu)分析

鄒龍慶，赫廣田 (大慶石油學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318)

針對(duì)目前在大慶油田廣泛使用的石油鉆機(jī)JJ160/41-K型井架存在的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，利用I-DEAS有限元程序?qū)υ撃Ｐ途苓M(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力分析。結(jié)果表明，該井架前部2根立柱受力最大，為井架承載的薄弱環(huán)節(jié)；振動(dòng)也較大，剛度不足。

模型井架；結(jié)構(gòu)分析；承載能力；有限元；靜力；動(dòng)力

JJ160/41-K型井架是大慶石油管理局鉆井公司機(jī)修廠研制開(kāi)發(fā)的一種適合大慶地區(qū)的K型井架。近幾年，陸續(xù)在大慶油田投入使用。雖然已經(jīng)有結(jié)構(gòu)優(yōu)化和穩(wěn)定性方面的分析研究[1]，但設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。在使用過(guò)程中出現(xiàn)了有時(shí)振動(dòng)過(guò)大、個(gè)別部位剛度弱的問(wèn)題。該井架能否滿(mǎn)足2000m井深的鉆探要求，其強(qiáng)度、動(dòng)力特性如何，已經(jīng)成為現(xiàn)場(chǎng)急需解決的問(wèn)題。為此，筆者利用I-DEAS大型有限元分析軟件對(duì)該井架進(jìn)行靜、動(dòng)力分析，從強(qiáng)度、穩(wěn)定性方面對(duì)現(xiàn)有的井架進(jìn)行承載能力研究，結(jié)合井架結(jié)構(gòu)計(jì)算仿真，建立相關(guān)承載力安全的評(píng)定理論。

1 模型的建立

JJ160/412K型井架主要由下段、中下段、中上段、上段等4部分組成。整個(gè)井架在地面或接近地面處水平組裝，依靠絞車(chē)動(dòng)力，利用起升人字架將井架整體升起到垂直的工作位置。I-DEAS軟件[2]通過(guò)建立一個(gè)簡(jiǎn)化的、接近實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型來(lái)求解。

1)將二層臺(tái)、天車(chē)、工作梯等附件在簡(jiǎn)化時(shí)全部忽略，二層臺(tái)和天車(chē)的質(zhì)量視為集中質(zhì)量分配于相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)位置。

2)井架各桿件均承受軸向力和附加彎矩作用，各結(jié)點(diǎn)均為焊接的剛性結(jié)點(diǎn)，故將其簡(jiǎn)化為空間剛架結(jié)構(gòu)，并采用空間梁?jiǎn)卧獮榛締卧?/p>

圖1 模型井架結(jié)構(gòu)圖

3)模型解算時(shí)忽略井架自重和風(fēng)載影響，井架鉤載平均作用于4根立柱上。

4)井架底座與地面為全約束。

5)簡(jiǎn)化后，井架4部分之間可視為剛性連接。

2 模型的離散化

選取井架結(jié)構(gòu)的自然結(jié)點(diǎn)作為有限元計(jì)算模型的結(jié)點(diǎn)，選取角鋼、不等邊角鋼、圓鋼和雙排工字鋼、壓型梁等定義空間梁?jiǎn)卧?/p>

該井架高41.15m，計(jì)算模型共劃分116個(gè)結(jié)點(diǎn)，281個(gè)單元，各桿件均采用16Mn鋼，共有8種截面特性，設(shè)計(jì)最大鉤載為1568kN。井架整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、計(jì)算模型和離散模型如圖1所示。

3 井架結(jié)構(gòu)分析

圖2 靜力分析結(jié)果云圖

原JJ160/41-K型鉆機(jī)井架的最大靜鉤載為160t，故模型最大靜鉤載為0.71t。利用I-DEAS進(jìn)行有限元靜力分析計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)，井架4個(gè)立柱承受主要應(yīng)力，各斜、橫撐桿的應(yīng)力總體水平遠(yuǎn)小于4根立柱，最大應(yīng)力為90.8MPa，位于井架第3大節(jié)3號(hào)立柱第1、2小節(jié)處(215號(hào)單元，19號(hào)節(jié)點(diǎn))；最大位移(豎向位移)為1.34mm，位于2號(hào)立柱下段人字架支點(diǎn)處(154號(hào)單元，78號(hào)節(jié)點(diǎn))。

表1 模型井架在不同鉤載情況下最大位移和最大應(yīng)力值

通過(guò)施加最大靜鉤載的方法的靜力計(jì)算說(shuō)明,井架模型在承受最大靜鉤載的時(shí)候，4個(gè)立柱是主要承載構(gòu)件，其中位于井架第3大節(jié)處的立柱部分壓應(yīng)力最大(圖2(a))；人字架處位移變形最大，井架模型頂點(diǎn)位置朝X向(前開(kāi)口方向)的前傾位移最大(圖2(b))。

分別在豎向載荷為290、580、870、…、1742N下對(duì)模型井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力分析(如圖3所示),得到位移和應(yīng)力值最大值(如表1)。

圖3 不同載荷下有限元靜力分析

階數(shù)頻率/Hz階數(shù)頻率/Hz114.509445.878218.011567.454324.409688.049

由圖3和表1可以看出，隨著井架載荷的逐級(jí)遞增，位移幅值隨之遞增，應(yīng)力值也隨之遞增，二者明顯呈線性關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，在模型井架的承載范圍內(nèi)，井架位移變形和承載能力變化與外載有關(guān)，并呈顯著線性變化。

2)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析 為全面獲得井架的固有振動(dòng)特性，利用有限元軟件I-DEAS對(duì)井架模型進(jìn)行模態(tài)分析，可得到井架模型的前6階固有頻率(表2)及其對(duì)應(yīng)主振型(圖4)。

表3 各主振型對(duì)應(yīng)位移與應(yīng)力

注：結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果所得應(yīng)力和位移均為等效值非真實(shí)值，主要用來(lái)獲得應(yīng)力和位移分布。

由圖4得到各主振型對(duì)應(yīng)位移與應(yīng)力數(shù)據(jù)列如表3。1階振型(圖4(a))主要表現(xiàn)為X-Y平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，以模型井架頂點(diǎn)位置處最為明顯，58號(hào)單元(63節(jié)點(diǎn))承受最大位移，42號(hào)單元(46節(jié)點(diǎn))承受最大應(yīng)力；2階振型(圖4(b))主要表現(xiàn)為X-Y平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，形式如同懸臂梁，另外，井架頂部伴有明顯的扭振；3階振型(圖4(c))主要表現(xiàn)為Y-Z平面內(nèi)的1階彎曲振動(dòng)，同時(shí)以人字架頂點(diǎn)為原點(diǎn)在繞立柱軸向做整體扭振，頂部61單元(1號(hào)節(jié)點(diǎn))應(yīng)力最大；四階振型(圖4(d))主要表現(xiàn)為模型井架的整體扭振，同時(shí)在井架二層臺(tái)、人字架附近兼有2階彎曲振動(dòng)；5階振型(圖4(e))以Y-Z面的3階彎曲為主，最大幅值分別為0.253m、0.171m和0.076m；6階振型(圖4(f))主要為X-Y平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，但振幅最大部位不在井架頂點(diǎn)位置，而在第2大節(jié)和第3大節(jié)的連接部位，最大振幅達(dá)到0.151m，59號(hào)單元(31節(jié)點(diǎn))承受最大應(yīng)力。

圖4 JJ160/41-K型井架模型的前6階振型

4 結(jié) 論

1) 井架結(jié)構(gòu)有限元靜力分析結(jié)果表明，JJ160/41-K型井架前部2根立柱受力最大，為井架承載的薄弱環(huán)節(jié)。

2) 動(dòng)力分析結(jié)果表明，該井架2個(gè)前立柱振動(dòng)較大，剛度不足。

[1]武吉有.JJ160/41-K型井架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析[J].鉆采工藝,2000,23(2):54～56.

[2]薛繼軍.鉆機(jī)井架有限元模態(tài)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2001,30(6):44～46.

[編輯] 洪云飛

TE923

A

1673-1409(2009)02-N097-03

2009-03-24

黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( E200509)；黑龍江省教育廳資助項(xiàng)目(10551008)。

鄒龍慶(1962-)，男，1982年大學(xué)畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事石油井架的設(shè)計(jì)、檢測(cè)及承載能力安全評(píng)定方面的研究工作。