黃 山

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司工藝技術(shù)部，甘肅蘭州 730314)

0 引言

焊縫連接不僅強(qiáng)度高，而且穩(wěn)定性好，是石油鉆機(jī)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)處最常用的連接方式。鉆機(jī)在工作過(guò)程中不僅時(shí)刻承受著風(fēng)載等其它外部載荷的作用，而且還承受著轉(zhuǎn)盤(pán)或頂驅(qū)在工作時(shí)振動(dòng)力的作用，因此鉆機(jī)各連接處的焊縫不僅承受靜態(tài)載荷的作用，還要承受著不斷變化的動(dòng)態(tài)載荷的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中焊縫連接處是最易破壞的位置。在焊縫連接處出現(xiàn)破壞的原因不只是由于焊縫強(qiáng)度［1］不夠造成的，還因?yàn)楹缚p處的疲勞損傷導(dǎo)致了其破壞。

石油鉆機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中焊縫強(qiáng)度的計(jì)算主要依據(jù)《AWS D1.1－D1.1M－2010鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》和《AISC335－89結(jié)構(gòu)鋼建筑規(guī)范－許用應(yīng)力設(shè)計(jì)和塑性設(shè)計(jì)》規(guī)定的計(jì)算公式設(shè)計(jì)計(jì)算焊縫強(qiáng)度。并且通常用有限元分析軟件ANSYS對(duì)焊縫做強(qiáng)度校核，計(jì)算焊縫處能否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。而通常鉆機(jī)在工作過(guò)程中焊縫連接處不僅僅承受靜態(tài)載荷的作用，還承受著不斷變化的動(dòng)態(tài)載荷［2］，因此在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮焊縫在動(dòng)載作用下的強(qiáng)度和焊縫的疲勞壽命［3］。

選取國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的9 000 m石油鉆機(jī)的底座后腿跟底座頂層連接處的耳座作為研究對(duì)象。充分考慮鉆機(jī)在工作過(guò)程中的載荷變化，按照《API Spec 4F》第四版表1－鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷中規(guī)定的組合工況，利用有限元分析軟件SAFI計(jì)算了鉆機(jī)的兩種作業(yè)工況、可預(yù)見(jiàn)工況、不可預(yù)見(jiàn)工況、起升工況等，提取了焊縫在這些工況下的最大載荷，充分考慮載荷的變化情況，對(duì)該焊縫處做了靜態(tài)分析和疲勞壽命分析。

1 有限元模型的建立

研究對(duì)象是由左右兩塊耳板和一塊底板組成的耳座，耳板厚度是26 mm，兩耳板之間通過(guò)10 mm厚的圓管連接到一起，耳板外側(cè)各焊接一塊14 mm厚的圓板，用以增強(qiáng)耳板圓孔處的強(qiáng)度，底板是一塊330 mm×300 mm的方板，方板的厚度是30 mm，耳板跟底板之間利用等強(qiáng)度的焊材焊接。焊縫的形狀是耳板開(kāi)2 mm厚鈍邊的J型坡口焊縫加左右兩側(cè)分別為14 mm和12 mm的等邊角焊縫，焊縫形狀如圖1。

采用有限元法，利用ANSYS Workbench軟件自帶的畫(huà)圖模塊DesignModeler實(shí)體建模。由于焊縫連接處采用等強(qiáng)度焊材的全熔透坡口焊縫加角焊縫的形式，因此在建立實(shí)體模型時(shí)為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，把焊縫跟耳板單獨(dú)建模，整個(gè)耳座和焊縫組成一個(gè)Part。單元?jiǎng)澐謺r(shí)以六面體為主四面體為輔的劃分方式，共計(jì)劃分了1 137 727個(gè)節(jié)點(diǎn)、714 926個(gè)單元，通過(guò)Element Quality檢測(cè)網(wǎng)格質(zhì)量都在0.449以上，通過(guò)Skewness檢測(cè)網(wǎng)格偏斜度都在0.684以下，說(shuō)明了網(wǎng)格質(zhì)量為優(yōu)，符合計(jì)算要求。耳座均采用Q390－B鋼制成，定義材料的屬性:密度是7 850 kg/m3，彈性模量是 2.1×1011Pa，泊松比為 0.3，重力加速度9.8 m/s2，作用在－Y 方向。

圖1 耳座及焊縫

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 焊縫手算校核

在焊縫的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)過(guò)程中通常先求取焊縫的有效厚度，然后再利用焊縫的有效厚度、焊縫長(zhǎng)度和焊材的強(qiáng)度等根據(jù)公式計(jì)算焊縫連接處的許用剪力值和許用應(yīng)力值。具體的計(jì)算過(guò)程如下:

通過(guò)SAFI軟件計(jì)算完成鉆機(jī)的站立和起升工況后，耳座在滿(mǎn)立根、百分百鉤載、風(fēng)速在16.5 m/s的工作工況下耳座承受的載荷最大為1 678 kN。

焊縫的有效厚度:

式中:ts是耳板的厚度;d是為鈍邊厚度;fd是外側(cè)角焊縫的邊長(zhǎng);fs是內(nèi)側(cè)角焊縫的邊長(zhǎng)。

焊縫許用剪力值:

焊縫許用壓力值:

焊縫處的壓強(qiáng):

式中:L是焊縫長(zhǎng);Fupad是焊材的極限強(qiáng)度;Fvpad是焊材的屈服強(qiáng)度;F是耳座所承受的最大壓力。

由式(2)、(3)計(jì)算出的焊縫容許剪力值和容許壓力值都大于焊縫處的最大載荷值，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。式(4)計(jì)算出的焊縫處的平均應(yīng)力為62.48 MPa，遠(yuǎn)小于焊材390 MPa的應(yīng)力值。

2.2 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析用于分析結(jié)構(gòu)在載荷作用下的位移和強(qiáng)度等工程量，按照計(jì)算的假設(shè)，可以分為線性靜態(tài)分析和非線性靜態(tài)分析兩大類(lèi)［4］。筆者采用線性靜態(tài)分析，假設(shè)材料、結(jié)構(gòu)和對(duì)象的狀態(tài)均為線性，通過(guò)對(duì)耳座及焊縫的計(jì)算，可以確定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，判斷焊縫處能否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

利用SAFI軟件對(duì)9 000 m石油鉆機(jī)做站立工況及起升工況分析，從中提取出底座后腿跟底座頂層連接處節(jié)點(diǎn)的最大載荷作為連接耳座所承受的載荷，把這些載荷施加到耳座模型中，計(jì)算耳座及焊縫處的應(yīng)力值。

由于耳座受到的最大載荷為1 678 kN，因此給左右耳板分別施加數(shù)值方向839 kN的銷(xiāo)軸力，耳座底座的下端面施加固定約束，并且添加地球重力加速度，其具體的載荷及約束的加載如圖2所示。給耳座做靜態(tài)分析后，提取耳座及焊縫的應(yīng)力云圖，如圖3所示。

圖2 耳板載荷

圖3 耳座及焊縫的應(yīng)力

由圖3可看出，焊縫處的最大應(yīng)力值是298.02 MPa，在耳板內(nèi)側(cè)角焊縫上端跟耳板圓孔正下方的接觸位置，焊縫其它位置處的應(yīng)力值都遠(yuǎn)小于最大應(yīng)力值。焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力大的主要原因是由于在銷(xiāo)孔處施加的銷(xiāo)軸力通過(guò)耳板傳遞到角焊縫連接處導(dǎo)致了應(yīng)力值偏大，該處焊縫的焊材使用跟Q390－B等強(qiáng)度的EX55。在1.5的安全系數(shù)下，焊材的許用應(yīng)力是260 MPa，小于298.02 MPa的最大應(yīng)力值，焊縫處的最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力。根據(jù)式(4)中計(jì)算出的焊縫處的均布應(yīng)力值為62.48 MPa，遠(yuǎn)小于焊材的許用應(yīng)力。焊縫處出現(xiàn)最大應(yīng)力值的原因主要是由于焊縫處劃分的網(wǎng)格出現(xiàn)畸形或者是焊縫受力不均勻。因此在計(jì)算時(shí)要考慮焊縫本身為塑性較大的材料，對(duì)應(yīng)力集中不太敏感，在設(shè)計(jì)時(shí)如果應(yīng)力集中現(xiàn)象相對(duì)較小的情況下可以忽略［5］。

2.3 疲勞分析

疲勞是指結(jié)構(gòu)在反復(fù)作用的交變應(yīng)力作用下，即使所承受的應(yīng)力值小于其許用應(yīng)力，但仍然出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，在承受動(dòng)態(tài)載荷作用的結(jié)構(gòu)中，疲勞是常見(jiàn)的破壞方式。在轉(zhuǎn)盤(pán)或者風(fēng)載作用下，石油鉆機(jī)底座后腿跟頂層連接處的耳座承受著較大的動(dòng)態(tài)載荷，在長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)載荷的作用下耳座連接處的焊縫就會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，降低其使用壽命。通過(guò)ANSYS Workbench模擬焊縫處的疲勞破壞，能夠減少事故的發(fā)生，降低不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

在靜態(tài)分析時(shí)網(wǎng)格、約束和載荷的基礎(chǔ)上重新定義焊縫材料的S－N特性曲線，添加到模型中，重新計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，分析耳座的疲勞壽命、疲勞損傷和安全系數(shù)，此處選取了整個(gè)耳座及焊縫處的計(jì)算結(jié)果做比較，分析耳座在1 678 kN載荷作用下的疲勞強(qiáng)度。

圖4表示的是焊縫處的疲勞壽命和整個(gè)耳座的疲勞壽命。整個(gè)耳座的最小疲勞壽命值是400.76，最大疲勞壽命值是1×108，最小疲勞壽命值位于銷(xiāo)孔處，跟靜態(tài)分析中最大應(yīng)力值的位置相同，在該處疲勞壽命值較小，主要是由于應(yīng)力值較大引起的，而最大疲勞壽命值在耳座的底板處，主要是由于底板處的應(yīng)力值較小，所以耳座在同樣變化的載荷作用下，應(yīng)力值大的位置處壽命值小，焊縫處的疲勞壽命值介于整個(gè)耳座的最大值和最小值之間，在使用過(guò)程中焊縫連接處不是最先破壞的位置。

圖4 疲勞壽命

圖5 所示的是焊縫處的疲勞損傷和整個(gè)耳座的疲勞損傷。疲勞損傷是設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比值，該耳座的設(shè)計(jì)壽命值為1×109。通過(guò)計(jì)算，焊縫處的最大疲勞損傷值是61638，位于焊縫在靜態(tài)分析中最大應(yīng)力值處，而整個(gè)耳座的最大疲勞損傷值是2.5×106，位于耳板銷(xiāo)孔最大應(yīng)力值處，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)耳座最易損傷的位置在應(yīng)力值最大的位置，在使用過(guò)程中不是最易破壞件。

圖5 疲勞損傷

3 結(jié)論

采用手算及有限元方法，使用ANSYS Workbench軟件對(duì)耳座實(shí)體建模，通過(guò)SAFI軟件提取耳座在工作過(guò)程中的最大載荷，并且定義了材料的S－N特性曲線，分別計(jì)算了耳座在靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷下的強(qiáng)度，以及計(jì)算分析了焊縫的疲勞壽命和疲勞損傷，計(jì)算結(jié)果表明:

(1)耳座焊縫在設(shè)計(jì)完成后根據(jù)美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范《AWS D1.1》中規(guī)定的計(jì)算焊縫處容許的剪力和壓力，是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

(2)利用SAFI軟件提取耳座在站立和起升工況下的最大載荷值，對(duì)耳座實(shí)體建模，計(jì)算耳座在最大載荷作用下的應(yīng)力值，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)耳座在最大載荷作用下的最大應(yīng)力值不在焊縫處，并且焊縫處的最大應(yīng)力值小于焊材的許用應(yīng)力值。

(3)通過(guò)定義焊材的S－N特性曲線，計(jì)算焊縫的疲勞壽命和疲勞損傷，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，耳座最小疲勞壽命和最大疲勞損傷的位置都不在焊縫處。

［1］ 王洪峰.旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)焊接變形的控制［J］.焊接技術(shù)，2009(2):60－61.

［2］ 徐桂海.振動(dòng)時(shí)效工藝在大型焊接結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用［J］.熱加工工藝，2013(7):198－199.

［3］ 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)［M］.北京:人民郵電出版社，2014.

［4］ 陳艷霞，林金寶.ANSYS14完全自學(xué)一本通［M］.北京:電子郵電出版社，2013.

［5］ 濮良貴，紀(jì)名剛，陳定國(guó)，等.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2006.