楊 波，王再明

(1武鋼礦業(yè)公司烏龍泉礦，湖北武漢430213; 2湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003)

井架是鉆采機(jī)械的重要組成部分，其安全性將直接影響整個(gè)鉆機(jī)及修井機(jī)的正常使用。實(shí)際工程中，井架由于長(zhǎng)期處于野外作業(yè)環(huán)境，并且移動(dòng)頻繁，將逐漸產(chǎn)生腐蝕、變形、疲勞、裂紋以及其他局部或整體損傷等缺陷，難以滿足最初的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，成為鉆井及修井作業(yè)中的重大安全隱患［1－2］。因此，為保障鉆、修井作業(yè)的安全，我國(guó)在1997年制定了井架檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施細(xì)則，為石油井架承載能力檢測(cè)評(píng)定的具體實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)反饋信息的豐富，為達(dá)到井架檢測(cè)更加科學(xué)準(zhǔn)確的目的，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)于2008年發(fā)布了SY/T6326－2008《石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架、底座承載能力檢測(cè)評(píng)定方法》新標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)采用美國(guó)建筑物鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范AISC推薦的相關(guān)理論和方法進(jìn)行計(jì)算評(píng)定，不僅對(duì)井架評(píng)定方法及要求進(jìn)行了較大修訂，還增加了底座外觀檢查和評(píng)定方面的內(nèi)容。SY/T6326－2008標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施規(guī)范了實(shí)際工程中井架檢測(cè)評(píng)定內(nèi)容及要求，但目前尚缺乏與之相應(yīng)的具體實(shí)施方案。因此，制定符合SY/T6326－2008標(biāo)準(zhǔn)要求的井架強(qiáng)度檢測(cè)實(shí)施方案，對(duì)井架安全評(píng)定工作具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

本文以K型井架為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)載荷作用下井架的變形位移及應(yīng)力分布進(jìn)行仿真分析，同時(shí)基于有限元分析結(jié)果，結(jié)合SY/T6326－2008標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)井架強(qiáng)度檢測(cè)方案中應(yīng)變片的選擇及測(cè)點(diǎn)規(guī)劃布置進(jìn)行優(yōu)化，以期為實(shí)際工程中K型井架的檢測(cè)評(píng)定提供必要的指導(dǎo)依據(jù)。

1 K型井架有限元分析

1.1 井架有限元模型建立

以K型井架CAD圖紙及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ANSYS有限元軟件中建立1∶1的仿真模型，K型井架有限元模型如圖1所示。井架高度45.8 m，井架大腿、正面橫撐及側(cè)面段與段連接處橫撐均采用320 mm×200 mm×5 mm矩形鋼，正面斜撐采用Φ168 mm×5 mm圓管，側(cè)面斜撐及段與段連接處以外的橫撐則采用100 mm×63 mm×6 mm角鋼，頂部框架采用32a型工字鋼，鋼架整體采用 Q345鋼材，材料彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，井架設(shè)計(jì)載荷為2 250 kN。

圖1 K型井架有限元模型

為保證井架有限元模型在滿足算法要求的同時(shí)盡可能與實(shí)際結(jié)構(gòu)接近，本文在井架模型創(chuàng)建過(guò)程中，進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化［3］:

1)井架2層臺(tái)、天車及工作梯的質(zhì)量忽略不計(jì)。

2)無(wú)外部風(fēng)載及立根載荷，井架大鉤載荷平均分配到頂部4個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

3)桿件各節(jié)點(diǎn)之間為剛性聯(lián)結(jié)。

4)井架底座鉸支與地面為全約束。

1.2 井架變形位移分析

設(shè)計(jì)載荷作用下，K型井架滿載變形圖如圖2所示。通過(guò)對(duì)井架滿載前后變形情況分析可知，承載過(guò)程中最大變形位移處位于井架頂端，且沿左下方向移動(dòng)41 mm。這主要是由于K型井架承載過(guò)程中結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生變化，導(dǎo)致井架頂端產(chǎn)生前傾方向的位移。

圖2 K型井架滿載變形圖

1.3 井架應(yīng)力分析

K型井架滿載各部位應(yīng)力云圖如圖3所示，K型井架應(yīng)力較大單元桿件如表1所示。由圖3可知，井架前部大腿靠近底座處主肢受力較大，屬于主要受力部位。表1中的數(shù)據(jù)表明，最大應(yīng)力發(fā)生在井架上段與中上段連接處的52、53單元，最大應(yīng)力值分別為183 MPa和181 MPa。材料Q345屈服極限值σs=345 MPa，因此井架在設(shè)計(jì)載荷下的安全系數(shù)為1.89。次最大應(yīng)力發(fā)生在46、47單元，應(yīng)力值分別為164 MPa和163 MPa，安全系數(shù)為2.1左右。

圖3 K型井架滿載各部位應(yīng)力云圖

表1 K型井架應(yīng)力較大單元桿件 MPa

2 K型井架檢測(cè)方案優(yōu)化

2.1 應(yīng)力測(cè)試元件選取及布置

基于井架檢測(cè)評(píng)定目的、被測(cè)試件材料和應(yīng)力狀態(tài)以及測(cè)量精度要求，本文井架檢測(cè)方案選用阻值120Ω的電阻應(yīng)變片作為測(cè)試元件。與其他測(cè)量手段相比，電阻應(yīng)變片具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，測(cè)量范圍大，便于多點(diǎn)測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)［4－5］。

在實(shí)際工程中，石油井架為滿足強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)井架設(shè)計(jì)功能，使用了各種各樣的型材。為保證井架檢測(cè)過(guò)程中測(cè)試元件能夠測(cè)量到最大應(yīng)力，本文對(duì)各主要型材中測(cè)試元件的布置進(jìn)行了細(xì)化規(guī)定，不同型材測(cè)試元件布置示意圖如圖4所示。

圖4 不同型材測(cè)試元件布置示意圖

2.2 井架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

SY/T6326－2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定井架檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)應(yīng)根據(jù)井架結(jié)構(gòu)受力分析，在均勻應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及彈性撓度區(qū)等危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)內(nèi)選定。測(cè)試桿件則應(yīng)選取主要受力桿件、有損傷桿件和曾發(fā)生過(guò)破壞的桿件。根據(jù)不同井架形式，測(cè)試端面應(yīng)選擇在井架大腿斷面開(kāi)口處、井架大腿斷面突變處、大腿損傷處、井架2層臺(tái)處等?；谝陨蠘?biāo)準(zhǔn)要求以及前期井架有限元分析結(jié)果，本文中的K型井架應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行如下優(yōu)化布置:第1層，K型井架人字架上方斷面;第2層，K型井架2層臺(tái)處斷面;第3層，K型井架頂部倒數(shù)第3根桿件處斷面。K型井架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖5所示。

圖5 K型井架應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立K型井架有限元模型，對(duì)設(shè)計(jì)載荷作用下井架的變形位移及應(yīng)力分布情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明:K型井架承載過(guò)程中結(jié)構(gòu)形狀的變化將導(dǎo)致井架頂端產(chǎn)生前傾位移，位移量最大可達(dá)4.1 mm;井架最大應(yīng)力發(fā)生在井架上段與中上段連接處?；谟邢拊治龃_定的井架承載主要危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)，結(jié)合SY/T6326－2008標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)K型井架檢測(cè)方案中應(yīng)變片的選擇及測(cè)點(diǎn)規(guī)劃布置進(jìn)行了確定，制定出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的井架強(qiáng)度檢測(cè)實(shí)施方案，對(duì)井架安全檢測(cè)評(píng)定工作具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 郭清.鉆井井架力學(xué)性能分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35(5):57－60.

［2］ 任國(guó)友.油田在役石油井架安全檢測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(3): 144－148.

［3］ 李夯，齊明俠.基于ANSYS的K形井架結(jié)構(gòu)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37(2):5－7.

［4］ 胡澤，肖宇恒，葛亮，等.應(yīng)變式井下工程參數(shù)測(cè)量傳感器組橋與布片研究［J］.自動(dòng)化儀表，2012，33(5):77－79.

［5］ 魏夢(mèng)濤.電阻應(yīng)變片的選擇與應(yīng)用［D］.保定:河北大學(xué)，2012.