楊龍飛，王龍庭，徐興平，張 棣

（1．天津市東方先科石油機(jī)械有限公司，天津 301701；2．中國(guó)石油大學(xué) （華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555）

0 引言

修井設(shè)備是油田作業(yè)中的關(guān)鍵裝備。井架作為修井機(jī)的關(guān)鍵部件之一，用來(lái)安裝和懸掛天車(chē)、游車(chē)大鉤等起升設(shè)備，以及起下和存放鉆桿、油管或抽油桿。井架的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、移運(yùn)方式、作業(yè)效率及作業(yè)布置等都是影響整套修井作業(yè)效率的關(guān)鍵所在，因此，研究、設(shè)計(jì)、制造出既經(jīng)濟(jì)適用又可靠的石油裝備，研究與制定維護(hù)管理措施，應(yīng)是當(dāng)前急需解決的課題。本文針對(duì)中小型井架的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)分析方面做出探討及解決方案，對(duì)井架的承載和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析，均具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 修井井架結(jié)構(gòu)型式

JJ135／33井架為前傾、雙節(jié)可伸縮套裝式有繃?yán)K的輕便井架，又稱為桅形井架，是XJ350修井機(jī)的重要部件之一。它主要由井架下體、井架上體、天車(chē)、上下體承載裝置、液壓貓頭裝置、各種繃?yán)K、立管、梯子、二層工作臺(tái)和大鉤托架等組成。JJ135／33井架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

井架伸縮靠一個(gè)伸縮液缸來(lái)完成。井架的立起和放倒是由連接在運(yùn)載車(chē)大梁和井架下體上的兩個(gè)液缸來(lái)完成。井架與運(yùn)載車(chē)后支架采用鉸支座連接，通過(guò)調(diào)整Y型支架和運(yùn)載車(chē)車(chē)架之間的調(diào)節(jié)絲杠來(lái)調(diào)整井架的傾角，以便保證大鉤與井口的對(duì)中。在正常工作狀態(tài)下，井架的傾角為3．5°，在Y型支架上安裝有角度指示儀。

2 修井井架工況及力學(xué)分析

2．1 載荷及邊界條件的確定

JJ135／33井架的工作工況由恒定載荷（即結(jié)構(gòu)靜載荷）、鉤載、立根載荷、環(huán)境載荷［1－3］以及這些載荷的組合所決定，下面依次對(duì)上述載荷進(jìn)行分析。

圖1 JJ135／33井架結(jié)構(gòu)示意圖

（1）井架靜載荷：指井架的不變載荷，包括井架重量及天車(chē)、游車(chē)、鋼絲繩等的重量［4］。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，井架本體的重量（包括井架上體和下體的重量）由軟件自動(dòng)加載，而井架的附件重量（天車(chē)、欄桿、梯子及游動(dòng)系統(tǒng)）等可平均加載在井架頂部的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上［5］。

（2）鉤載：該井架最大鉤載為1 350kN，井架天車(chē)輪系為5×4，有效繩數(shù)n＝8。載荷按照天車(chē)的結(jié)構(gòu)施加于天車(chē)側(cè)板安裝中心相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

（3）立根載荷：包括立根重量對(duì)井架的作用以及立根所承受的風(fēng)力載荷。立根載荷按水平方向作用在井架的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

（4）環(huán)境載荷：主要為風(fēng)載荷。

（5）邊界條件：井架與底座銷(xiāo)軸連接，在工作狀態(tài)下，繃?yán)K拉緊工作，其成為固定約束，必須限定其3個(gè)線位移及2個(gè)角位移。Y型支座調(diào)節(jié)絲杠拉桿處理成固定約束，限定三個(gè)方向的位移。Y型支座位于井架基座安裝座上，只限定了豎直方向的位移。

2．2 井架工況分析

根據(jù)API Spec 4F－2008第3版的要求，鉆修機(jī)井架的設(shè)計(jì)應(yīng)符合AISC335－1989許用靜應(yīng)力設(shè)計(jì)法，施加的載荷為靜載荷。有繃?yán)K輕便式井架設(shè)計(jì)工況如表1所示。

表1 有繃?yán)K輕便式井架設(shè)計(jì)工況

表1中的TE指的是在預(yù)期工況下，不作業(yè)，大鉤載荷為游動(dòng)系統(tǒng)的載荷，即大鉤、游車(chē)等的重量。每種工況作用下風(fēng)載又分為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共8種工況。通過(guò)對(duì)載荷的仔細(xì)分析，井架作業(yè)時(shí)向前傾斜3．5°。

井架風(fēng)載在背面吹風(fēng)時(shí)加劇了井架向井口的傾斜，而側(cè)面吹風(fēng)有可能使井架向側(cè)方向傾倒。因此，在工況1a中，只需考慮背面吹風(fēng)和側(cè)面吹風(fēng)3種工況即可。預(yù)期工況中，只考慮背面吹風(fēng)、側(cè)面吹風(fēng)及45°方向吹風(fēng)3種工況即可。同理，不可預(yù)期工況中，也只需考慮背面吹風(fēng)、側(cè)面吹風(fēng)及45°方向吹風(fēng)3種工況即可。

2．3 井架靜力分析結(jié)果

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行井架的靜態(tài)加載分析，采用APDL語(yǔ)言進(jìn)行建模、邊界條件處理和加載。

由于井架在受最大鉤載、滿立根、背面風(fēng)載情況下承受的應(yīng)力和變形最大，因此，本文考慮這種工況的情形，分析結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

（1）在鉤載為1 350kN情況下，井架上體、下體的最大位移及單元力均最大，井架的4根主腿為主要承載構(gòu)件。

（2）井架下體承載時(shí)的應(yīng)力小于上體承載時(shí)的應(yīng)力，應(yīng)加強(qiáng)上體；井架上體縮口附近應(yīng)力較大，如圖2所示。最大應(yīng)力位于縮口處的正面橫梁；上體縮口的傾斜度大小對(duì)最大應(yīng)力值影響較大；井架開(kāi)口側(cè)主腿應(yīng)力比不開(kāi)口側(cè)主腿應(yīng)力大（如圖3所示），原因是在承受壓應(yīng)力的同時(shí)，開(kāi)口側(cè)主腿更多地承擔(dān)彎矩對(duì)井架的作用。

（3）井架大部分構(gòu)件受壓產(chǎn)生壓應(yīng)力，繃?yán)K及部分橫拉筋受拉產(chǎn)生拉應(yīng)力。井架后面大腿軸向應(yīng)力普遍小于前面大腿，位于同一面的左、右側(cè)大腿軸向應(yīng)力的差別不是很大。

圖2 井架上體縮口處應(yīng)力分布

圖3 井架下體主腿應(yīng)力分布

（4）在滿負(fù)荷下，井架橫撐和斜撐除天車(chē)下門(mén)框外，其他撐桿的應(yīng)力都較小，只有幾根橫撐應(yīng)力達(dá)到100MPa，絕大部分都低于50MPa；另外，斜撐應(yīng)力普遍較橫撐應(yīng)力大，側(cè)面斜撐應(yīng)力較背部斜撐應(yīng)力大，但是背拉桿、側(cè)面橫撐和斜撐強(qiáng)度均滿足要求。

3 修井井架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)井架靜力計(jì)算結(jié)果，可以對(duì)井架的材料及局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使井架設(shè)計(jì)制造更加經(jīng)濟(jì)合理。

3．1 井架材料的優(yōu)化

在最大鉤載工況下，井架上、下體側(cè)面絕大多數(shù)橫撐和斜撐的應(yīng)力均小于100MPa。因此考慮井架上、下體中間橫撐部分鋼材由Q345B改為Q235鋼，井架的強(qiáng)度條件仍能滿足。在都滿足強(qiáng)度條件的情況下，Q235較Q345B在價(jià)格上便宜些，因此可減少井架在鋼材費(fèi)用上的花費(fèi)。

3．2 井架門(mén)框結(jié)構(gòu)優(yōu)化

井架上體縮口處截面是整個(gè)井架的危險(xiǎn)截面。井架大腿在該層門(mén)框以上向內(nèi)彎曲。從整體受力情況看，井架的各桿件單元分布并不是很合理，井架上體縮口處門(mén)框桿件單元及橫梁的應(yīng)力較大。由于這一層門(mén)框應(yīng)力分布復(fù)雜，僅靠增加桿件的截面尺寸取得的改善效果往往不大。更改結(jié)構(gòu)比單純?cè)龃髼U件截面尺寸對(duì)減小應(yīng)力集中要有效得多［6］。經(jīng)過(guò)反復(fù)更改比對(duì)，最后找出縮口處截面較好的結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其應(yīng)力分布圖如圖5所示。對(duì)比圖2和圖5發(fā)現(xiàn)，門(mén)框橫梁應(yīng)力明顯降低，井架的整體穩(wěn)定性得到提高。

圖4 改進(jìn)前、后井架上體縮口處門(mén)框結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文建立了井架整體有限元分析模型，分別分析了JJ135／33井架在工作工況、預(yù)期工況和非預(yù)期工況下的應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的井架在大腿處和上體縮口截面處出現(xiàn)了應(yīng)力集中。

針對(duì)井架的應(yīng)力集中及相關(guān)應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)井架結(jié)構(gòu)提出了幾點(diǎn)改進(jìn)方案，包括門(mén)框結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料的選擇等，取得了滿意的效果。

圖5 改進(jìn)后井架上體縮口處門(mén)框應(yīng)力分布

［1］ 登逛明．修井機(jī)械［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1995．

［2］ 尹永晶，楊漢立．石油修井機(jī)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1985．

［3］ 陳如恒，沈家駿．鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1995．

［4］ 張波，呂圣仕，彭代清，等．應(yīng)用CAE軟件分析計(jì)算鉆機(jī)井架靜應(yīng)力［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（3）：39－41．

［5］ 鄒龍慶，付海龍，任國(guó)友．JJ160／41－K型井架有限元分析與承載能力研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（6）：33－35．

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