吳文秀,王孟法

(長江大學(xué)機械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

大腿應(yīng)力集中損傷井架承載能力研究

吳文秀,王孟法

(長江大學(xué)機械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

目前,國內(nèi)外對損傷井架承載能力的研究局限于宏觀損傷。通過等效處理坑蝕引起的應(yīng)力集中損傷,借助有限元軟件ANSYS計算含有應(yīng)力集中損傷井架的承載能力。與現(xiàn)場測試評定的結(jié)果比較,數(shù)值相差1%,證明ANSYS軟件的計算精度可以滿足應(yīng)力集中損傷井架的承載能力評定需要。

井架;坑蝕;應(yīng)力集中;承載能力

Abstract:presently,the study on bearing capacity of damaged derrick structure was defined to macroscopic injure.Through equivalently disposing stress construction caused by pit corrosion,aiding by finite software ANSYS,the bearing capacity of stress concentration derrick is calculated.Comparing the results tested on field,number difference was within 1%,proving that the calculated precision of software ANSYS can meet the requirement of carrying capacity assessment of stress construction derrick structure.

Key words:derrick;pit corrosion;stress concentration;bearing capacity

鉆機井架在野外惡劣的環(huán)境下作業(yè),結(jié)構(gòu)上不可避免地會產(chǎn)生局部或整體損傷缺陷。損傷缺陷使井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與原設(shè)計差別較大,導(dǎo)致井架承載能力降低。國內(nèi)外重點集中在宏觀損傷井架承載能力的研究,而對隱形損傷鉆機井架承載能力的研究還未見報道或文獻資料。為彌補目前損傷井架承載能力研究的不足,本文對坑蝕引起的應(yīng)力集中隱形損傷井架承載能力進行了研究。

1 應(yīng)力集中損傷分析

坑蝕是井架大腿常見腐蝕損傷形態(tài)之一[1],其最大的危害是引起應(yīng)力集中。對于井架,由于應(yīng)力集中處的材料進入塑性階段會引起應(yīng)力重新分布,靜載作用下的應(yīng)力集中損傷不使井架結(jié)構(gòu)強度降低,但是應(yīng)力集中會對疲勞強度有較大的影響。井架在鉆井服役過程中,其承載特點是:不是單一載荷,而是復(fù)雜載荷的聯(lián)合作用;不是恒載,而是不斷變化的載荷;載荷是反復(fù)作用在服役井架上的。通常,含有應(yīng)力集中損傷的構(gòu)件的疲勞強度比除以應(yīng)力集中的“普通”桿件疲勞強度高[2]。為研究坑蝕損傷桿件,引入有效應(yīng)力集中系數(shù),定義為

式中,P為無損傷桿件疲勞極限;P′為損傷桿件疲勞極限。

有效應(yīng)力集中系數(shù)Kσ可以通過試驗獲得,也可以由式(2)的理論公式[3]計算得

式中,q為敏感系數(shù);ασ為材料損傷缺陷處的理論應(yīng)力集中系數(shù)。

敏感系數(shù)q與材料、坑蝕形態(tài)、大小有關(guān),利用式(3)計算得

式中,α為材料常數(shù),利用非線性回歸法求得,材料Q345的α=0.466;ρ為損傷處切口的曲率半徑。

求得損傷桿件的有效應(yīng)力集中系數(shù)就可對應(yīng)力集中損傷井架進行承載能力計算。

2 大腿應(yīng)力集中損傷井架承載能力計算

研究井架的承載能力[3],首先必須掌握井架的受力狀態(tài)、承載能力極限及井架的破壞形式,即,明確載荷作用下井架的內(nèi)力、變形響應(yīng)。井架是由連接件構(gòu)成的大型空間鋼結(jié)構(gòu),其應(yīng)力、變形都比較復(fù)雜,計算工作量大。大量研究表明[4-6],數(shù)值模擬法中的有限元法是研究井架結(jié)構(gòu)最可取的一種方法。本文利用參考應(yīng)力修正法修正結(jié)構(gòu)損傷,修正井架有限元模型,對損傷井架進行有限元分析。

2.1 無損傷井架承載能力分析

以常見的JJ225/43-K型井架為例,在載荷為4 000 kN時,靜力計算最大應(yīng)力為142.06 MPa(如圖1)。根據(jù)應(yīng)力值及鉤載的關(guān)系,線性外推可得井架靜態(tài)最大承載能力為5 816 kN,井架結(jié)構(gòu)屈服極限345 MPa,安全系數(shù)為1.67(經(jīng)驗值),許用極限應(yīng)力為206.6 MPa。

圖1 無損傷井架的應(yīng)力分布

井架正面開檔值(在底部)與其高度比為1/5,其側(cè)向形狀尺寸最大值與其高度比僅為1/18,是一種容易失穩(wěn)的高聳結(jié)構(gòu),因此,穩(wěn)定性分析在井架承載能力分析中是必要的。在2 250 kN鉤載作用下,對井架屈曲分析取其最優(yōu)值為2.5799,根據(jù)公式{P}cr={P}×λcr,可求得大鉤臨界載荷為 5 804 kN。綜合井架靜力、屈曲分析,得無損傷井架承載能力為5 804 kN。

2.2 大腿應(yīng)力集中隱形損傷井架承載能力分析

大腿下段含有有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.280、1.286、1.300的3種應(yīng)力集中損傷。在2 250 kN鉤載時,計算得 3種損傷井架靜態(tài)最大應(yīng)力值為90.89、91.228、92.077 MPa,如圖2～4?？赏浦o態(tài)最大承載能力為5 114、5 095、5 048 kN。

圖2 有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.280的損傷井架應(yīng)力等值分布

圖3 有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.286的損傷井架應(yīng)力等值分布

圖4 有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.300的損傷井架應(yīng)力等值分布

在設(shè)計最大鉤載作用下,對這3種應(yīng)力集中損傷井架進行穩(wěn)定性計算,取其最優(yōu)值分別為1.805、1.791、1.759,利用公式計算其最大承載能力為4 060、4 307、3 958 kN。綜合損傷井架靜態(tài)、穩(wěn)定性分析,可評定這3種損傷井架承載能力為4 060、4 307、3 958 kN。

3 在役井架損傷檢測與結(jié)論驗證

以長慶油田某鉆機井架為例,損傷缺陷檢測結(jié)果表明,井架下前大腿下段存在有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.287的應(yīng)力集中隱形損傷。根據(jù)本文的分析方法可評定井架的承載能力為4 301 kN。

對此鉆機井架進行動態(tài)測試,并利用式(4)計算該井架的承載能力,即

式中,P為井架試驗載荷,kN;PE為井架臨界載荷,kN;f0為無載荷作用時的井架結(jié)構(gòu)固有頻率,Hz;fi為有載荷作用時的井架結(jié)構(gòu)固有頻率,Hz。

在空載時測得f0=1.201 2 Hz,鉤載在740 kN時測得fi=1.300 3 Hz。由式(4)計算得該井架的承載能力為4 257 kN。2種方法評定的井架承載能力值相差1%,完全符合工程上誤差＜5%的要求。

文中井架評估結(jié)果是沒有考慮安全系數(shù)或載荷折減系數(shù)的理論承載能力。

4 結(jié)論

1) 通過分析應(yīng)力集中損傷桿件與完整桿件的強度,證明利用有效應(yīng)力集中系數(shù)分析應(yīng)力集中損傷是正確的。

2) 通過等效方法處理損傷,借助有限元軟件ANSYS分析損傷井架承載能力,證明利用有限元軟件ANSYS分析井架承載能力,方便、合理。

3) 通過現(xiàn)場測試,證明了本課題研究方法正確、科學(xué),為分析隱形損傷井架承載能力提供新方法。

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Study of Bearing Ability of Structure Damaged Derrick to Stress Concentration

WU Wen-xiu,WANG Meng-fa
(School of Mechanical Engineering,Yangtze University,Jinzhou434023,China)

TE923

A

1001-3482(2010)11-0008-03

2010-06-23

中國石油天然氣集團公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目“在役鉆機安全評定方法研究”(03B209000)

吳文秀(1965-),男,湖北天門人,教授,碩士,主要從事機械測試控制與材料成型技術(shù)的教學(xué)與研究工作,E-mail:wangmengfa@eyou.com。