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        K型井架的多點(diǎn)加載與變形規(guī)律分析研究

        2018-11-21 05:34:00向文進(jìn)張曉黎馬黎霞曹虎平馬存翔
        西部探礦工程 2018年12期
        關(guān)鍵詞:井架載荷網(wǎng)格

        向文進(jìn),張曉黎,馬黎霞,曹虎平,馬存翔

        (1.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司,新疆克拉瑪依834000;2.新疆油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依834000;3.西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院,陜西西安710049)

        近年來由于K型井架的使用越來越廣泛,因此K型井架展現(xiàn)的問題也就越來越多。目前的國內(nèi)外學(xué)者對(duì)井架的研究主要集中在井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析、強(qiáng)度及剛度分析等,而由于K型井架的工況比較復(fù)雜,既有常規(guī)的掛鉤載荷、二層臺(tái)的自重以及風(fēng)載等,使得對(duì)K型井架的仿真和研究比較困難。

        本文主要對(duì)K型井架進(jìn)行靜力學(xué)分析,從靜力學(xué)分析結(jié)果,對(duì)K型井架進(jìn)行強(qiáng)度校核,結(jié)合材料的屈服極限來判斷井架的安全系數(shù)是否合適等。通過對(duì)井架進(jìn)行受力分析,從而起到預(yù)防事故發(fā)生,減少人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等。

        1 功能需求分析

        隨著近年來石油的消耗越來越多,石油的開采越來越頻繁,開采量越來越多,而作為石油開采設(shè)備中的一個(gè)重要組成部分,井架的綜合性能對(duì)石油開采設(shè)備的性能起著重要作用。

        K型井架即前開口井架,前扇敞開,截面為Ⅱ形空間桁架結(jié)構(gòu),兩側(cè)分片或分塊焊成若干段,背部是桁架桿系。各段及各構(gòu)件間用銷子或螺栓連接,下段后方設(shè)人字架或撐桿,用于起放井架,并保持井架的前后穩(wěn)定性,可低位安裝,整體起升,具有整體剛性好的優(yōu)點(diǎn),由于K型井架有如此多的優(yōu)點(diǎn),所以K型井架在石油開采過程中起著重要的作用,應(yīng)用非常廣泛。

        而K型井架在實(shí)際設(shè)計(jì)和使用過程中,經(jīng)常會(huì)遇到由于材料的強(qiáng)度不夠或者安全系數(shù)取的不合適,而使井架主體發(fā)生斷裂的危險(xiǎn),因此必須結(jié)合實(shí)際使用情況對(duì)K型井架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,最大限度地避免事故的發(fā)生。

        2 建模與誤差分析

        2.1 K型井架的建模

        K型井架的整個(gè)井架主體由3~5個(gè)焊接結(jié)構(gòu)部分組成,錐形銷定位和各部分之間采用螺栓連接。在井架的使用和運(yùn)輸過程中通常采取水平拆裝,整體起落和分段運(yùn)輸?shù)霓k法搬遷井架,這樣做的好處是方便,安全,可以快速移動(dòng)。為了確保良好的視野,井架兩側(cè)的桁架結(jié)構(gòu)通常以相同的形式布置,而后部采用特殊的腹板形式布置。

        由前面的分析我們知道K型井架的模型是復(fù)雜的,但是在進(jìn)行有限元分析時(shí),我們只需要簡單的科學(xué)的合理的井架模型,因此我們需要對(duì)井架的模型進(jìn)行簡化,在模型簡化時(shí),需要滿足以下要求:首先是計(jì)算精度要符合我們的要求,其次是減少不必要的工作量,使計(jì)算時(shí)間變短。

        因此在對(duì)井架進(jìn)行分析時(shí),我們需要進(jìn)行下面幾點(diǎn)的假設(shè):

        (1)井架的主體是剛結(jié)構(gòu),井架各個(gè)桿件之間通過焊接連接;

        (2)井架的固定的方式是底部固定,在井架模型中忽略二層臺(tái)、天車、人字架及工作梯等附屬結(jié)構(gòu)對(duì)井架整體剛度的影響,只考慮井架的主體部分。

        (3)井架的上下節(jié)視為剛性的固定連接,在設(shè)計(jì)分析時(shí)不考慮井架的上下節(jié)發(fā)生移動(dòng)的影響;

        (4)假設(shè)井架在安裝時(shí)是在理想狀態(tài);

        (5)二層臺(tái)等其它零件的質(zhì)量視為集中力分配到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置。

        考慮上述因素,最后決定在SolidWorks2015中進(jìn)行建模,然后將模型直接導(dǎo)入到Ansys中進(jìn)行分析,在建模時(shí),選擇1∶1的比例建模,這樣做的好處是直觀,在井架建模時(shí),大量使用了工字鋼和角鋼。

        2.2 前處理

        將模型導(dǎo)入Ansys Workbench中的Static Structural模塊中,然后決定井架使用什么類型的材料,由于在工廠中經(jīng)常使用的是Q345,因此在Engineering data欄定義構(gòu)件材料屬性(所有構(gòu)件),設(shè)置彈性模量為2×105MPa,泊松比為0.3,密度為7.85×103kg/m3。

        網(wǎng)格劃分是有限元分析中非常關(guān)鍵的一步。當(dāng)有限元網(wǎng)格太密集時(shí),該解決方案耗時(shí)、費(fèi)力并且可能導(dǎo)致結(jié)果不收斂;如果網(wǎng)格太稀疏,結(jié)果可能不準(zhǔn)確,因此在網(wǎng)格化時(shí),要仔細(xì)斟酌,網(wǎng)格化時(shí),首先需要減少模型中的不規(guī)則形狀,因?yàn)檫@些形狀可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格形狀的不規(guī)則,因此我們?cè)跇?gòu)建模型時(shí)需要簡化模型。

        綜合考慮在實(shí)際操作中要選擇合適的單元類型與網(wǎng)格尺寸,以使得單元形狀規(guī)范,數(shù)量適中,個(gè)別網(wǎng)格劃分困難的構(gòu)件單獨(dú)定義劃分規(guī)則。取部分重要桿件劃分單元長度為主要桿長度的1/300。

        2.3 約束及加載

        對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí),建立科學(xué)合理的有限元模型后,約束和加載條件應(yīng)合理,從而控制計(jì)算精度和運(yùn)行速度。

        2.3.1 K型井架施加的載荷

        井架在運(yùn)移、安裝、起升及鉆井操作過程中承受多種載荷作用,承受的載荷在一定程度上具有不確定性,合理確定和計(jì)算井架所承受的載荷,對(duì)于精確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析是十分重要的。井架所承受的載荷大致可以分為如下幾種:恒定載荷、工作載荷、自然載荷等。

        恒定載荷是指質(zhì)量不會(huì)輕易改變的值,其中包括井架的自重以及安裝在井架上的各種設(shè)備和工具的自重,比如二層臺(tái)、天車臺(tái)、工作梯等。

        工作載荷是指井架在工作過程中所承受的載荷,包括大鉤靜載荷、工作繩作用力、最大套管柱重力、立根和立根盒載荷等。

        井架所承受的自然載荷包括風(fēng)載荷、冰雪載荷、溫度載荷和地震載荷等。設(shè)備結(jié)構(gòu)上堆積的冰雪能及時(shí)清除,所以可以不必考慮冰雪載荷;地震載荷由于不可控性,因此也可以忽略。自然載荷對(duì)鉆機(jī)井架的施加具有一定的隨機(jī)性,而且受鉆機(jī)的使用地區(qū)及鉆井地區(qū)環(huán)境的影響較大。

        因此我們?cè)趯?duì)K型井架進(jìn)行分析時(shí)主要考慮的載荷有:井架的自重、掛鉤載荷、二層臺(tái)等構(gòu)件的自重。井架的自重可以按照Workbench提供的方式自動(dòng)地施加在井架上,而天車和游動(dòng)系統(tǒng)、頂驅(qū)以及頂驅(qū)導(dǎo)軌重量以集中力平均施加到井架最上一層的所有節(jié)點(diǎn)上;最大鉤載、大鉤靜載荷(鉆柱重量)、工作繩作用力是作用在天車臺(tái)上,因此它們的重量以集中力的方式施加到井架的天車臺(tái)上。

        2.3.2 K型井架的約束

        在對(duì)井架進(jìn)行約束時(shí),主要從以下幾個(gè)方面考慮:①井架通過銷軸連接到底座,并且井架可以圍繞銷軸旋轉(zhuǎn),其中約束僅允許井架圍繞銷軸旋轉(zhuǎn),從而限制其余部件的平移和旋轉(zhuǎn);②通過液壓缸將井架提起以完成提升操作,然后通過銷軸和人字形框架固定,這相當(dāng)于固定約束。因此,兩者的約束限制了3個(gè)方向的平移和旋轉(zhuǎn)。

        2.4 靜力特性分析

        為了對(duì)比出在不同條件下井架的受力及變形情況,本文主要考慮了在3種不同工況下井架的工作情況,通過對(duì)比找出井架的薄弱部位,及分析井架的安全系數(shù),為井架的設(shè)計(jì)、使用提供指導(dǎo)。

        2.4.1 工況一

        當(dāng)最大鉤載為800kN時(shí),我們通過Workbench進(jìn)行分析可以看到:井架的最大變形在井架的頂端,最大變形為10mm,井架的最大應(yīng)力、應(yīng)變均在二層臺(tái)的附近,最大應(yīng)力為70MPa,最大應(yīng)變?yōu)?20×10-6。

        2.4.2 工況二

        當(dāng)最大鉤載為1100kN時(shí),我們通過Workbench進(jìn)行分析可以看到:井架的最大變形在井架的頂端,最大變形為14.8mm,井架的最大應(yīng)力、應(yīng)變均在二層臺(tái)的附近,最大應(yīng)力為90MPa,最大應(yīng)變?yōu)?50×10-6。

        2.4.3 工況三

        當(dāng)最大鉤載為2250kN時(shí),我們通過Workbench進(jìn)行分析可以看到:井架的最大變形在井架的頂端,最大變形為30.3mm,井架的最大應(yīng)力、應(yīng)變均在二層臺(tái)的附近,最大應(yīng)力為180MPa,最大應(yīng)變?yōu)?50×10-6。

        2.4.4 對(duì)比分析

        表1 不同工況下的分析結(jié)果

        通過表1我們可以看到,當(dāng)最大鉤載增加時(shí),最大變形和最大應(yīng)力也在不斷增加,但是通過按照式(1)、(2)的校核,我們發(fā)現(xiàn),該井架可以滿足最大鉤載為2250kN時(shí)的工作要求。

        依據(jù)SY 6326-2012《石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測評(píng)定方法及分級(jí)規(guī)范》,井架強(qiáng)度應(yīng)滿足公式(1)和公式(2)的要求:

        式中:fa——井架承受設(shè)計(jì)最大鉤載時(shí),測試桿件的軸心拉壓應(yīng)力,MPa;

        Fa——只有軸心拉壓應(yīng)力存在時(shí),允許采用的軸心拉壓應(yīng)力,MPa;

        fb——井架承受設(shè)計(jì)最大鉤載時(shí),測試桿件的壓縮彎曲應(yīng)力,MPa;

        Fb——只有彎矩存在時(shí)允許采用的彎曲應(yīng)力,MPa;

        F′e——除以安全系數(shù)后的歐拉應(yīng)力,MPa;

        Cm——系數(shù),對(duì)于端部受約束的構(gòu)件,Cm=0.85。

        3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與案例分析

        本文針對(duì)石油鉆井公司目前正在使用的K型井架進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變測量,目的是為了檢測仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確和預(yù)測K型井架的最大鉤載。本次實(shí)驗(yàn)主要步驟是在井架的二層臺(tái)和多個(gè)部位貼應(yīng)變片,其中每一層分別貼16個(gè)應(yīng)變片,然后將實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)通過無線傳輸技術(shù)傳給上位機(jī),通過上位機(jī)對(duì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        本次實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行了最大鉤載為80t、110t、225t的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)如表2所示。

        通過對(duì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析我們可以看出,最大的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生在二層臺(tái)附近,雖然仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)有一點(diǎn)差距,但是在誤差范圍之內(nèi)。

        表2 實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)

        假設(shè)該井架的最大鉤載為3500kN,對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性外推,得到井架各測試桿件在設(shè)計(jì)最大鉤載時(shí)的應(yīng)力值,并將每個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力值加上井架的自重后進(jìn)行強(qiáng)度校核,發(fā)現(xiàn)第一層的計(jì)算應(yīng)力最大。表3為測點(diǎn)處的應(yīng)力值。

        表3 測點(diǎn)處的應(yīng)力值

        通過以上數(shù)據(jù)可得:

        因此該井架不能滿足最大鉤載為3500kN的設(shè)計(jì)要求。

        通過對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,我們可以計(jì)算出井架的實(shí)際最大鉤載:

        因此該井架的最大鉤載為3017kN。

        4 結(jié)論

        通過建立井架三維模型,對(duì)井架在不同工況時(shí)進(jìn)行了靜力分析,得到了井架位移及應(yīng)力的相關(guān)數(shù)據(jù),最后與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,根據(jù)分析結(jié)果可得以下結(jié)論:(1)當(dāng)在井架頂端施加載荷時(shí),井架會(huì)向開口方向傾斜,且鉤載值越大,傾斜值會(huì)越大;(2)在二層臺(tái)附近的應(yīng)力、應(yīng)變值最大,因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)和使用井架時(shí)要充分考慮二層臺(tái)附近對(duì)井架整體安全性的影響。

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