李海

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石油鉆機(jī)井架前大腿彈塑性的穩(wěn)定性分析*

李海

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

石油鉆機(jī)井架是石油鉆機(jī)的重要承載部件，其結(jié)構(gòu)桿件多、連接復(fù)雜、受力環(huán)境惡劣，文章研究了新型前開口“Π”型井架，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析及計(jì)算，彈塑性穩(wěn)定性分析方法所得到的井架穩(wěn)定安全系數(shù)較按彈性穩(wěn)定性分析方法所算得的結(jié)果低。

石油鉆機(jī)；井架；前大腿；穩(wěn)定性

1 前言

在新型井架使用之前，油田使用的石油鉆機(jī)井架采用的是前蘇聯(lián)的方型井架，由于全部立根置于塔架內(nèi)部，故塔架內(nèi)部需要很大空間，用料多且笨重，鉆井的時(shí)候，立根的安裝、連接比較慢，工作效率較低，鉆井的深度一年內(nèi)很難超過1萬米；而新型前開口“Π”型井架全部立根置于構(gòu)架前側(cè)面外部，這樣構(gòu)架尺寸可減至最小，并且能明顯提高鉆井的工作效率，每年平均鉆井深度達(dá)到4萬米，提高工作效率300％以上。

2 井架的結(jié)構(gòu)及計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)

井架作為石油鉆機(jī)的重要承載部件之一，其鋼結(jié)構(gòu)井架桿件多、連接復(fù)雜，受力環(huán)境惡劣，使用工況復(fù)雜，因失穩(wěn)而破壞的情況在國(guó)內(nèi)外都曾發(fā)生過。特別是這種“Π”型井架，由于井架的正面，除頂端一小段封閉外，其余是完全敞開的，因此，井架的兩個(gè)前大腿，由于它們之間無任何腹桿相聯(lián)系，在它們之間構(gòu)成的平面內(nèi)失穩(wěn)的危險(xiǎn)性增加。經(jīng)驗(yàn)表明，井架在整體起升和承受最大鉤載兩種危險(xiǎn)工況下，前大腿的失穩(wěn)是此類井架的主要失穩(wěn)形式之一。

由于井架高度46m，而底座的寬度、高度僅有5~6m，工作人員在28m平臺(tái)上作業(yè)，且井架主要是由桿件組成，桿件的幾何尺寸的特點(diǎn)是長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度和高度，井架承受載荷高達(dá)2000Nk力的作用，如果設(shè)計(jì)上稍有失誤，就會(huì)造成很大損失。由于以上原因，新型井架的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)往往具有很大的危險(xiǎn)性，據(jù)統(tǒng)計(jì)，新設(shè)計(jì)的井架的損壞率達(dá)到50%。新型前開口“Π”型井架主要參照美國(guó)同類型的井架設(shè)計(jì)，但是由于兩個(gè)國(guó)家材料不同，鋼材型號(hào)不同，因此不能照本宣科美國(guó)井架的設(shè)計(jì)。對(duì)井架進(jìn)行受力分析評(píng)價(jià)，工程上常用的方法是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試井架應(yīng)力、位移，以測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按線性外推的方法確定井架的承載力。但由于其惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的受力情況，應(yīng)用常規(guī)力學(xué)方法進(jìn)行力學(xué)分析己經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的需要，這種方法只能對(duì)有限的危險(xiǎn)部位進(jìn)行布置測(cè)點(diǎn)，因此很難取得全面、合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2 前大腿有限元分析

現(xiàn)代“Π”型井架，高度為40多米，從結(jié)構(gòu)上一般分為四段，每段約10米，除由頂段為一個(gè)完整的焊接體外，其余三段都可分解為左右兩大片(為運(yùn)輸方便而設(shè)計(jì))。每片是一個(gè)焊接體部件，兩大片由背部桿通過銷釘相連接，段與段之間則通過銷釘和螺栓固緊。由于井架正面是完全敞開的，即在井架的兩個(gè)前大腿之間所構(gòu)成的平面內(nèi)無任何腹桿相聯(lián)接，因此，井架在整體起升和承受最大鉤載兩種危險(xiǎn)工況時(shí)，井架的兩個(gè)前大腿受到來自天車等巨大的軸向壓力，首先會(huì)造成前大腿在上述平面內(nèi)的失穩(wěn)的嚴(yán)重危險(xiǎn)。

圖1 前大腿穩(wěn)定性分析的有限元模型

為提高前大腿對(duì)這種失穩(wěn)的抵抗能力，設(shè)計(jì)者每隔一定高度設(shè)計(jì)一道橫箍，這些橫箍由側(cè)面兩大片上的橫腹桿與背面的橫腹桿相連接而成，這些橫箍在水平面內(nèi)的彎曲剛度頗大。當(dāng)前大腿欲失穩(wěn)變彎而發(fā)生橫向位移時(shí)，這些橫箍在被迫變形后就產(chǎn)生相應(yīng)的約束反作用力，起到阻礙和限制失穩(wěn)變形的作用，它們實(shí)際上相當(dāng)于一些橫向彈性支承。在它們之間構(gòu)成的平面內(nèi)失穩(wěn)井架前大腿的穩(wěn)定性不僅和其本身的抗彎剛度有關(guān)，而且很大程度上取決于井架每層橫桿組成的框架的抗彎能力。在井架的最上部是前扇封閉的結(jié)構(gòu)，剛性較大，下部牢固地連接在底座上，因而可得到前大腿穩(wěn)定性分析的有限元模型，如圖1所示，這一模型的每一段桿都受有不同的軸向壓力和彎矩的作用，它可由有限元法的靜強(qiáng)度分析得到。彈簧的彈性系數(shù)按圖2所示結(jié)構(gòu)應(yīng)用變形能法求得彈性系數(shù)C的表達(dá)式。

C=E/Lh2[(h/3Ⅰ1)+( h /2Ⅰ2)] （1）

式中 L------弓單性支座的間距(井架每層的高度)；

E------材料的彈性模量；

h------側(cè)扇橫桿的長(zhǎng)度；

b------后扇橫桿的長(zhǎng)度；

I1、Ⅰ2------州則扇、后扇橫桿的慣性矩。

圖2 框架彈性作用示意圖

將井架有關(guān)的幾何尺寸、材料的彈性模量及側(cè)扇、后扇橫桿的慣性矩代入式(4-1)，計(jì)算得到彈簧彈性系數(shù)C=566e3 N/m，前大腿結(jié)構(gòu)情況如表1所示。

表1 井架前大腿結(jié)構(gòu)情況

2.3 彈性穩(wěn)定性計(jì)算

分別對(duì)井架整體穩(wěn)定性計(jì)算中的四種工況進(jìn)行分析，穩(wěn)定性最危險(xiǎn)的工作狀態(tài)是最大吊載工況，圖3是最大吊載工況時(shí)彈性變形的位移結(jié)果，查詢計(jì)算結(jié)果可知，臨界載荷為266OkN，在井架實(shí)際結(jié)構(gòu)中，最大吊載工況時(shí)，前大腿的軸向力為830kN，因此穩(wěn)定安全系數(shù)為n=3.2，而許用安全系數(shù)為[n]=3.00，這顯然是安全的。

圖3 彈性變形的位移結(jié)果

作為單向穩(wěn)定性分析，每個(gè)單元只有四個(gè)自由度。設(shè)單元的節(jié)點(diǎn)位移分量和節(jié)點(diǎn)載荷分量列陣依次為：

{Ue}=[uiui’ujuj’]T

{Fe}=[QiMi’QjMj’]T

每個(gè)單元的剛度方程為：

[[kfe]+[kge]]{Ue}={Fe}

其中[kfe]和[kge]分別為單元的剛度矩陣和幾何矩陣。

由單元?jiǎng)偠确匠炭山M成系統(tǒng)的總剛度方程：

[[k*f]+[kg]]{U}={F}

其中[k*f]和[kg]分別為系統(tǒng)的總彈性矩陣和總幾何矩陣，{U}和{F}分別為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)位移分量列陣和節(jié)點(diǎn)載荷分量列陣。

考慮到中間節(jié)點(diǎn)處彈性支撐的作用，總剛度方程改為

[[k*f]+[kg]]{U}={F}-[R]{U}

[[k*f]+ [R] +[kg]]{U}={F}

在進(jìn)行井架前大腿彈塑性穩(wěn)定分析時(shí)，我們把整個(gè)過程分成看成一個(gè)載荷同步求解。同時(shí)，保證在每一個(gè)載荷步內(nèi)只有斜坡一種載荷形式。然后指定子步為1000和平衡迭代個(gè)數(shù)為15。分析方法：靜態(tài)分析；外力大?。篎=2660kIV；激活大變形影響(NLGEOM)為ON；輸出每一個(gè)子步驟。將線性搜索打開(on)，促進(jìn)Newton-Raphson求解器收斂。將最大迭代次數(shù)(Maximun Number of Iterations)設(shè)為1000。

3 結(jié)束語

對(duì)井架前大腿進(jìn)行了彈塑性穩(wěn)定性分析，并與彈性穩(wěn)定性分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比?？傻玫剑喊磸椝苄苑€(wěn)定性分析的臨界載荷是彈性穩(wěn)定性分析0.870086倍。

[1] 常玉連,劉玉泉.鉆井井架,底座的設(shè)計(jì)計(jì)算[M].石油工業(yè)出版社, 1992.9.

[2] 李皓月,周田朋,劉相新.工程計(jì)算應(yīng)用教程[M].中國(guó)鐵道出版社,2003.

[3] 王紀(jì)海.石油鉆機(jī)井架彈性及彈塑性的穩(wěn)定性分析研究[D].西安建筑科技大學(xué),2005.

Elasto - plastic Stability Analysis of Front Thigh of Oil Drilling Rig Derrick*

Li hai

( Gansu Communications Vocational and Technical College, Gansu Lanzhou 730070 )

The derrick of oil drilling rig is an importantly bearing component of oil drilling rig. It has many structural members, complicated connections and poor stress environment. This paper studies a new type of front-opening- type"Π" type derrick, and carries out a finite element analysis and calculation to it. The result of stability safety factor of derrick obtained by elastic-plastic stability analysis method is lower than that obtained by elastic stability analysis method.

mid-summer; harvester; soil separation device; mechanical analysis

U467

B

1671-7988(2019)08-67-03

U467

B

1671-7988(2019)08-67-03

李海（1981－），男，講師，就職于甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與筑機(jī)工程系。主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)，汽車維修工作。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（310822161115）；甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（1504FKCA001）；甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目（2016A-130）；甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（2017Y-18）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.021