車載式不壓井修井機井架應力及動力特性分析

金嘉琦，朱思顥

（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽110870） ①

車載式不壓井修井機井架應力及動力特性分析

金嘉琦，朱思顥

（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽110870）①

以車載式不壓井修井作業設備中的井架及伸出支架為研究對象，分別采用有限元分析軟件的靜力分析、模態分析研究了二者的受力特點，獲得了井架的模態振動規律。分析結果標明，該井架具有較好的抗載荷能力，但應避免井架的低頻振動。

不壓井作業；井架；應力；振動；有限元法

車載式不壓井修井作業設備是將修井機、起吊系統、液壓系統及控制系統等集成于1臺車上，整體操作、整體運輸，可以提高修井作業效率以及安全性和移運性，具有很高的經濟效益。井架是用來支撐井口防噴系統、強制起下系統等裝置的重要承載部件，為了使井架應力分布均勻，保證井架在工作過程中安全可靠，需要對井架系統在運輸與工作狀態進行受力分析以及強度校核。本文應用有限元分析軟件［1－2］，以車載式不壓井修井作業設備中修井井架及伸出支架為研究對象，通過建立有限元模型，分析井架在工作載荷下的受力情況，同時針對各種振動載荷對井架的影響，對井架進行模態分析，從而給出井架較為全面的結構安全狀況的評價［3－5］。

1 井架及伸出支架的結構特點

車載式不壓井修井作業設備中的井架系統主要由井架、防噴器、過渡管、強制起下及井架固定支撐系統組成。矩形井架是由多種型鋼焊接成的空間框架結構，其外型尺寸：（長×寬×高）2 000mm× 1 500mm×4 215mm，寬度尺寸不含附腿長度，高度尺寸不含欄桿高度。伸出支架是井架與車體連接的重要部件，支架一端與井架采用鉸連接，另一端與車體剛性連接。

由于受整體系統結構限制，井架在運輸過程中呈平臥狀態，由車體及伸出支架支撐，后面有一部分懸伸，如圖1。修井作業時，在吊車的幫助下，井架由平臥到直立，同時由井架平移系統中的液壓缸將伸出支架回縮至工作位置，如圖2。井架底端由支撐座和4個可調支撐腳支撐，保證井架在工作狀態的穩定性。

圖1 井架平臥狀態

圖2 井架直立狀態

2 有限元模型

井架及伸出支架整體有限元模型如圖3～4所示。由于車載式不壓井修井作業設備中的井架與車體采用的是鉸連接，故在井架與車體連接處施加約束；井架底端由支撐座和4個可調支撐腳支撐，應在井架底部2個橫梁的端部施加約束。在提升井管時井架承受載荷為：最大提升載荷400kN，井架總成自重力50kN。由于伸出支架與車體是剛性連接，故在連接端施加約束，另一端承受井架總成自重力50kN。

井架及伸出支架的構件采用Q345B鋼材，材料的彈性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比μ＝0.3，密度為ρ＝7 850kg／m3，屈服極限σs＝345MPa。

圖3 井架有限元模型

圖4 伸出支架有限元模型

3 應力及變形計算

井架在提升管柱時最大提升載荷是400kN，加上井架總成自重力50kN，井架豎直方向上的力已達到450kN，這時最大應力出現在2根槽型鋼與井架接觸的部位，最大應力為207MPa，如圖5所示。最大變形出現在井架底部支撐提升載荷的2根槽型鋼上，最大變形為1.506mm，如圖6所示。伸出支架一端承受的載荷為50kN，最大應力出現在支架中間的變截面處，最大應力為329MPa，如圖7所示［6－9］。最大位移出現在支架與井架連接的一端，最大位移為2.285mm，如圖8所示。

圖5 井架應力云圖

圖6 井架位移云圖

圖7 伸出支架應力云圖

圖8 伸出支架位移云圖

4 動力特性分析

影響井架動力特性的載荷有4種。

1） 由起下修井作業中的動力載荷及工作過程中的沖擊載荷引起結構系統的振動。

2） 由大風、陣風所產生的晃動。

3） 由地震引起的垂直于地面的振動。

4） 由起下作業時油管重力變化以及井內壓力變化引起的振動。

本文僅分析第1種載荷。采用前文建立的有限元計算模型，在井架底部2個橫梁的端部施加約束條件，然后采用BlockLanczos方法計算出了井架的前6階固有頻率（如表1所示）。井架的前6階模態振型如圖9所示。

表1 井架前6階固有頻率

圖9 井架前6階振型

前6階振型對井架的影響：

1） 第1階振型（f＝35.73Hz）主要表現為井架沿x軸方向做前后大幅度的一階搖擺振動，無明顯的其他振動。

2） 第2階振型（f＝39.85Hz）主要表現為井架沿z軸方向做前后大幅度的一階搖擺振動，無明顯的其他振動。

3） 第3階振型（f＝70.77Hz）主要表現為井架繞y軸做二階的扭轉振動，無明顯其他振動。

4） 第4階振型（f＝110.99Hz）主要表現為對稱的2根立柱向中間方向的二階擠壓振動，無明顯其他振動。

5） 第5階振型（f＝115.66Hz）主要表現為井架中間部位沿z軸做前后的二階扭擺振動，無明顯其他振動。

6） 第6階（f＝116.177Hz）主要表現為井架沿y方向做上下的二階拉伸振動，無明顯其他振動。

5 結論

1） 井架在提升管柱時所受最大應力為207 MPa，材料的屈服極限為345MPa，根據API井架設計標準，井架的安全系數為1.6，許用應力為210 MPa，最大應力小于許用應力。由于井架底端橫梁有支撐座支撐，分擔提升管柱時的壓力，故實際最大應力達不到207MPa，滿足對井架的設計要求。

2） 伸出支架所受最大應力為329MPa，但必須考慮到車輛運行中井架對伸出支架產生的沖擊載荷，故需要進一步加強伸出支架的強度，并需要保證伸出支架不能有大幅度的變形，若能進一步縮短伸出支架的長度，其穩定性、可靠性更佳。

3） 井架在自由狀態下的固有頻率與工作頻率相差較大，井架結構不會發生共振現象。從井架各階振型分析中看出，井架整體的剛度和質量分布較為均衡，無明顯的薄弱部位。

4） 綜合評定，該作業車的井架整體結構設計是合理的，滿足使用要求。

［1］ 龔曙光.ANSYS基礎應用及范例解析［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］ 張朝暉，王富恥.ANSYS工程應用范例入門與提高［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［3］ 高學仕，齊明俠，鄭滿圈，等.修井機井架的靜強度與疲勞分析［J］.石油礦場機械，2001，30（4）：9－11.

［4］ 常玉連.鉆井井架、底座的設計計算［M］.北京：石油工業出版社：1996.

［5］ 馬林昌.無繃繩修井機穩定性仿真分析［J］.石油礦場機械，2011，40（9）：53－56.

［6］ 丁 穎，張克勝.修井機和鉆機井架焊接變形的控制方法［J］.焊接，2004，（3）：44－45.

［7］ 張見明.修井機井架的應力分析及結構改進［J］.石油礦場機械，1998，27（2）：17－20.

［8］ 張 勇，何軍國.井架結構設計中的優勢原則［J］.石油礦場機械，2006，35（5）：86－87.

［9］ 付海龍.石油鉆機井架動態響應研究［D］.大慶：大慶石油學院，2005.

Analysis of Strength and Dynamic Characteristics for Truck－Mounted Snubbing Workover Derrick

JIN Jia－qi，ZHU Si－hao
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang110870，China）

Taking the derrick and outrigger of the truck－mounted snubbing workover equipment as the study objects，the mechanical characteristics were studied with static analysis and modal analysis of the finite element analysis software.And the vibration law of derrick was obtained by means of modal analysis.The research results show that，this derrick has the good load ability.However，the low－frequency vibration of the derrick should be avoided.

snubbing service；drilling derrick；stress；vibration；finite element method

1001－3482（2012）04－0061－04

TE935

A

2011－10－28

金嘉琦（1955－），男，遼寧黑山人，教授，博士，主要從事精密測量理論與技術研究，E－mail：jjq612＠126.com。