萬夫 周兆明 毛德森
摘要:在ANSYS中建立修井機井架和Y形支座的有限元模型,并采用六面體單元劃分網格.用ANSYS/LSDYNA進行計算,獲得井架墜落撞擊過程的完整圖像以及井架和Y形支座在墜落撞擊過程中產生的應力狀況,并得到產生裂紋可能性最大的井架部位.該方法為事故井架的無損檢測、修理補焊或者鋼材更換等提供理論支持.
關鍵詞:修井機; Y形支座; 井架; 墜落; 撞擊; 接觸; ANSYS
中圖分類號: TE923;TB115.1
文獻標志碼: B
0引言
在石油和天然氣勘探開發施工中,石油修井機是修井作業井架系統的關鍵設備.修井機井架應滿足在修井過程中各種組合工況所需的負荷能力,必須有足夠的剛性和穩定性.超過29 m的自行式修井機井架主要由天車、井架上體、井架下體、上下承載機構、二層工作臺、Y形支座、伸縮液缸及其扶正裝置、液壓毛頭裝置、立管、繃繩和梯子等組成.[1]修井機按井架形式分為前開口桁架結構和桅桿式結構,同時可采取伸縮式結構.[2]桁架結構兩段或多段的井架可采用伸縮或折疊方式,使用液缸或鋼絲繩起升將其豎立到作業位置.在起升過程中若發生輕微摔落事故,則發生事故的井架是否可繼續使用,需要無損檢測和承載測評分析.[34]井架跌落事故為瞬間沖擊過程,現場無法檢測事故發生時的數據,很難檢測井部受沖擊后的性能特性,也不可能觀測整個跌落沖擊過程.本文通過計算機仿真模擬事故發生的過程,利用ANSYS/LSDYNA顯式動力分析軟件計算井架瞬間撞擊Y形支座的應力情況,為該井架系統的檢測、評定和修理提供參考.
1沖擊計算理論
2Y形支座受撞擊的物理模型
在ANSYS Workbench的Design Modeler中建立三段車載式修井機模型,型號為XJ120.修井機模型井架主桿件的第一大節(第一段)為角鋼,長160.0 mm,寬160.0 mm,厚13.5 mm;第二大節為矩形截面,長140.0 mm,寬75.0 mm,厚9.0 mm;井架整體高度為29 m.該修井機起升過程為:利用液缸首先立起三段重合的整體井架,然后使用起升鋼絲繩起升頂段井架,最后起升中間段直至井架全部立起到作業位置.假設起升中段至離Y形支座0.5 m時發生墜落事故,頂段和中段井架順下段井架的角鋼落至Y形支座上.三維實體模型見圖1.
井架實體模型包含矩形截面的鋼材、圓形截面管材、L形截面鋼材和實體的薄鋼板等.由于該模型鋼材截面形式較多,模型體積較大,因此網格劃分難度較高.為獲得良好的仿真結果,本文以六面體單元為主劃分網格,并采用映射和分割等方法.整體網格劃分及局部放大示意見圖2和3.
為同時獲得井架和Y形支座受力情況,撞擊接觸采用面對面的自動接觸[10],接觸面和目標面都設置為柔體,計算的時間和難度增加.
3結果分析
在大型工作站上利用ANSYS/LSDYNA的顯式動力學程序進行并行計算,共耗時40 h.井架上與Y形支座接觸的單元A(單元編號為39346)的壓力和速度隨時間變化曲線見圖4和5.由圖4可知,在20 ms時刻支座受到的壓力最大為15 kPa.隨著井架被彈起,井架底部單元受到上部井架段的壓力而未受到支座的反力,所以隨著井架被彈起速度的減小該單元受力不斷反復.給定井架初速度為3 m/s,接觸后被彈起,30 ms時上升速度最大,到140 ms時上升速度約降為0,而后井架落在支座上.
Y形支座受撞擊接觸時刻的應力云圖見圖6,此刻為整個過程受力最大時刻.由于支座前傾3~5°,導致支座受瞬間沖擊力不均勻,產生較大應力集中區域.在撞擊過程中動能向應變能轉換,墜落井架的應變能由整個Y形支座承擔.由圖6可知,Y形支座下面2個主受力柱受力最大,連接焊縫處產生應力集中.2個主受力柱與橫拉筋的焊縫處、斜支撐與支座橫拉筋的焊縫處以及支座兩邊的V形支柱與板筋的焊縫處應力都較大.畫圈區域應力已略超過其屈服應力345 kPa,Y形支座在這幾處的焊縫可能存在裂紋.現場對這幾處進行無損檢測,其結果與理論分析較為吻合.因此,理論分析結果可指導現場檢測,以免漏檢和浪費大量時間進行不必要的檢測.
由圖7可知,應力最大區域分布在橫拉筋與井架主立柱焊接處,并且有斜拉筋焊接部位比沒有斜拉筋焊接部位應力大.圖7中畫圈和畫框區域應力超過應力屈服極限,這幾處可能存在裂紋,需進行無損檢測.選取井架左側前大腿從下到上3個單元,等距離間隔,見圖8中的64212,64069和63917單元.由圖8可知,在20 ms即撞擊接觸時刻井架應力最大,而后逐漸下降;井架中間64069單元受力最大,井架上部63917單元受力最小;所有單元隨著時間的推移等效應力逐漸下降,直至撞擊結束部分單元依然存在較小應力,說明產生遺留效應,材料性能發生變化.
4結論
(1)建立井架墜落撞擊支座的有限元模型,模擬事故發生的物理過程,結果認為撞擊接觸時刻Y形支座受力最大,而后受到反復的壓力并逐漸減小.
(2)分析結果可指導現場無損檢測:焊縫附近為塑性應變最嚴重區域,需著重檢測,及時補焊.檢測結果與計算結果較為吻合.
分析結果同時可以指導井架實際承載能力測試,以便得到準確的承載能力,為分析此類事故及修理事故井架提供參考.
(3)對井架大變形部位進行加固或者更換梁,建議重新進行應力分析,同時配合井架承載能力檢測.計算結果可指導事故井架修理,避免設備損失,對安全快速的油氣開發有重要意義.
參考文獻:
[1]尹永晶, 楊漢立. 石油修井機[M]. 北京: 石油工業出版社, 2003: 143.
[2]SY/T 5202—2005石油修井機[S].
[3]SY/T 6408—2012鉆井和修井井架、底座的檢查、維護、修理與使用[S].
[4]SY 6326—2012石油鉆機和修井機井架、底座承載能力檢測評定方法[S].
[5]張汝清. 固體力學變分原理及其應用[M]. 重慶: 重慶大學出版社, 1991: 118.
[6]HALLQUIST J O. LSDYNA theory manual[EB/OL]. (20061231) [20130110]. http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/trent001/manuals/lsdyna_theory_manual_2006.pdf.
[7]尚曉江, 蘇建宇, 王化鋒. ANSYS/LSDYNA動力分析方法與工程實例[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005: 194.
[8]李裕春, 時黨勇, 趙遠. ANSYS 11.0/LSDYNA基礎理論與工程實踐[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2008: 258.
[9]郝好山, 胡仁喜, 康士廷, 等. ANSYS 12.0 LSDYNA 非線性有限元分析從入門到精通[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.
[10]SHELDON Imaoka. Contact analysis tips[EB/OL]. (20091031) [20130110]. http://ansys.net/sheldon_tips/2009/Contact%20Analysis%20Tips.pdf.
(編輯于杰)
摘要:在ANSYS中建立修井機井架和Y形支座的有限元模型,并采用六面體單元劃分網格.用ANSYS/LSDYNA進行計算,獲得井架墜落撞擊過程的完整圖像以及井架和Y形支座在墜落撞擊過程中產生的應力狀況,并得到產生裂紋可能性最大的井架部位.該方法為事故井架的無損檢測、修理補焊或者鋼材更換等提供理論支持.
關鍵詞:修井機; Y形支座; 井架; 墜落; 撞擊; 接觸; ANSYS
中圖分類號: TE923;TB115.1
文獻標志碼: B
0引言
在石油和天然氣勘探開發施工中,石油修井機是修井作業井架系統的關鍵設備.修井機井架應滿足在修井過程中各種組合工況所需的負荷能力,必須有足夠的剛性和穩定性.超過29 m的自行式修井機井架主要由天車、井架上體、井架下體、上下承載機構、二層工作臺、Y形支座、伸縮液缸及其扶正裝置、液壓毛頭裝置、立管、繃繩和梯子等組成.[1]修井機按井架形式分為前開口桁架結構和桅桿式結構,同時可采取伸縮式結構.[2]桁架結構兩段或多段的井架可采用伸縮或折疊方式,使用液缸或鋼絲繩起升將其豎立到作業位置.在起升過程中若發生輕微摔落事故,則發生事故的井架是否可繼續使用,需要無損檢測和承載測評分析.[34]井架跌落事故為瞬間沖擊過程,現場無法檢測事故發生時的數據,很難檢測井部受沖擊后的性能特性,也不可能觀測整個跌落沖擊過程.本文通過計算機仿真模擬事故發生的過程,利用ANSYS/LSDYNA顯式動力分析軟件計算井架瞬間撞擊Y形支座的應力情況,為該井架系統的檢測、評定和修理提供參考.
1沖擊計算理論
2Y形支座受撞擊的物理模型
在ANSYS Workbench的Design Modeler中建立三段車載式修井機模型,型號為XJ120.修井機模型井架主桿件的第一大節(第一段)為角鋼,長160.0 mm,寬160.0 mm,厚13.5 mm;第二大節為矩形截面,長140.0 mm,寬75.0 mm,厚9.0 mm;井架整體高度為29 m.該修井機起升過程為:利用液缸首先立起三段重合的整體井架,然后使用起升鋼絲繩起升頂段井架,最后起升中間段直至井架全部立起到作業位置.假設起升中段至離Y形支座0.5 m時發生墜落事故,頂段和中段井架順下段井架的角鋼落至Y形支座上.三維實體模型見圖1.
井架實體模型包含矩形截面的鋼材、圓形截面管材、L形截面鋼材和實體的薄鋼板等.由于該模型鋼材截面形式較多,模型體積較大,因此網格劃分難度較高.為獲得良好的仿真結果,本文以六面體單元為主劃分網格,并采用映射和分割等方法.整體網格劃分及局部放大示意見圖2和3.
為同時獲得井架和Y形支座受力情況,撞擊接觸采用面對面的自動接觸[10],接觸面和目標面都設置為柔體,計算的時間和難度增加.
3結果分析
在大型工作站上利用ANSYS/LSDYNA的顯式動力學程序進行并行計算,共耗時40 h.井架上與Y形支座接觸的單元A(單元編號為39346)的壓力和速度隨時間變化曲線見圖4和5.由圖4可知,在20 ms時刻支座受到的壓力最大為15 kPa.隨著井架被彈起,井架底部單元受到上部井架段的壓力而未受到支座的反力,所以隨著井架被彈起速度的減小該單元受力不斷反復.給定井架初速度為3 m/s,接觸后被彈起,30 ms時上升速度最大,到140 ms時上升速度約降為0,而后井架落在支座上.
Y形支座受撞擊接觸時刻的應力云圖見圖6,此刻為整個過程受力最大時刻.由于支座前傾3~5°,導致支座受瞬間沖擊力不均勻,產生較大應力集中區域.在撞擊過程中動能向應變能轉換,墜落井架的應變能由整個Y形支座承擔.由圖6可知,Y形支座下面2個主受力柱受力最大,連接焊縫處產生應力集中.2個主受力柱與橫拉筋的焊縫處、斜支撐與支座橫拉筋的焊縫處以及支座兩邊的V形支柱與板筋的焊縫處應力都較大.畫圈區域應力已略超過其屈服應力345 kPa,Y形支座在這幾處的焊縫可能存在裂紋.現場對這幾處進行無損檢測,其結果與理論分析較為吻合.因此,理論分析結果可指導現場檢測,以免漏檢和浪費大量時間進行不必要的檢測.
由圖7可知,應力最大區域分布在橫拉筋與井架主立柱焊接處,并且有斜拉筋焊接部位比沒有斜拉筋焊接部位應力大.圖7中畫圈和畫框區域應力超過應力屈服極限,這幾處可能存在裂紋,需進行無損檢測.選取井架左側前大腿從下到上3個單元,等距離間隔,見圖8中的64212,64069和63917單元.由圖8可知,在20 ms即撞擊接觸時刻井架應力最大,而后逐漸下降;井架中間64069單元受力最大,井架上部63917單元受力最小;所有單元隨著時間的推移等效應力逐漸下降,直至撞擊結束部分單元依然存在較小應力,說明產生遺留效應,材料性能發生變化.
4結論
(1)建立井架墜落撞擊支座的有限元模型,模擬事故發生的物理過程,結果認為撞擊接觸時刻Y形支座受力最大,而后受到反復的壓力并逐漸減小.
(2)分析結果可指導現場無損檢測:焊縫附近為塑性應變最嚴重區域,需著重檢測,及時補焊.檢測結果與計算結果較為吻合.
分析結果同時可以指導井架實際承載能力測試,以便得到準確的承載能力,為分析此類事故及修理事故井架提供參考.
(3)對井架大變形部位進行加固或者更換梁,建議重新進行應力分析,同時配合井架承載能力檢測.計算結果可指導事故井架修理,避免設備損失,對安全快速的油氣開發有重要意義.
參考文獻:
[1]尹永晶, 楊漢立. 石油修井機[M]. 北京: 石油工業出版社, 2003: 143.
[2]SY/T 5202—2005石油修井機[S].
[3]SY/T 6408—2012鉆井和修井井架、底座的檢查、維護、修理與使用[S].
[4]SY 6326—2012石油鉆機和修井機井架、底座承載能力檢測評定方法[S].
[5]張汝清. 固體力學變分原理及其應用[M]. 重慶: 重慶大學出版社, 1991: 118.
[6]HALLQUIST J O. LSDYNA theory manual[EB/OL]. (20061231) [20130110]. http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/trent001/manuals/lsdyna_theory_manual_2006.pdf.
[7]尚曉江, 蘇建宇, 王化鋒. ANSYS/LSDYNA動力分析方法與工程實例[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005: 194.
[8]李裕春, 時黨勇, 趙遠. ANSYS 11.0/LSDYNA基礎理論與工程實踐[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2008: 258.
[9]郝好山, 胡仁喜, 康士廷, 等. ANSYS 12.0 LSDYNA 非線性有限元分析從入門到精通[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.
[10]SHELDON Imaoka. Contact analysis tips[EB/OL]. (20091031) [20130110]. http://ansys.net/sheldon_tips/2009/Contact%20Analysis%20Tips.pdf.
(編輯于杰)
摘要:在ANSYS中建立修井機井架和Y形支座的有限元模型,并采用六面體單元劃分網格.用ANSYS/LSDYNA進行計算,獲得井架墜落撞擊過程的完整圖像以及井架和Y形支座在墜落撞擊過程中產生的應力狀況,并得到產生裂紋可能性最大的井架部位.該方法為事故井架的無損檢測、修理補焊或者鋼材更換等提供理論支持.
關鍵詞:修井機; Y形支座; 井架; 墜落; 撞擊; 接觸; ANSYS
中圖分類號: TE923;TB115.1
文獻標志碼: B
0引言
在石油和天然氣勘探開發施工中,石油修井機是修井作業井架系統的關鍵設備.修井機井架應滿足在修井過程中各種組合工況所需的負荷能力,必須有足夠的剛性和穩定性.超過29 m的自行式修井機井架主要由天車、井架上體、井架下體、上下承載機構、二層工作臺、Y形支座、伸縮液缸及其扶正裝置、液壓毛頭裝置、立管、繃繩和梯子等組成.[1]修井機按井架形式分為前開口桁架結構和桅桿式結構,同時可采取伸縮式結構.[2]桁架結構兩段或多段的井架可采用伸縮或折疊方式,使用液缸或鋼絲繩起升將其豎立到作業位置.在起升過程中若發生輕微摔落事故,則發生事故的井架是否可繼續使用,需要無損檢測和承載測評分析.[34]井架跌落事故為瞬間沖擊過程,現場無法檢測事故發生時的數據,很難檢測井部受沖擊后的性能特性,也不可能觀測整個跌落沖擊過程.本文通過計算機仿真模擬事故發生的過程,利用ANSYS/LSDYNA顯式動力分析軟件計算井架瞬間撞擊Y形支座的應力情況,為該井架系統的檢測、評定和修理提供參考.
1沖擊計算理論
2Y形支座受撞擊的物理模型
在ANSYS Workbench的Design Modeler中建立三段車載式修井機模型,型號為XJ120.修井機模型井架主桿件的第一大節(第一段)為角鋼,長160.0 mm,寬160.0 mm,厚13.5 mm;第二大節為矩形截面,長140.0 mm,寬75.0 mm,厚9.0 mm;井架整體高度為29 m.該修井機起升過程為:利用液缸首先立起三段重合的整體井架,然后使用起升鋼絲繩起升頂段井架,最后起升中間段直至井架全部立起到作業位置.假設起升中段至離Y形支座0.5 m時發生墜落事故,頂段和中段井架順下段井架的角鋼落至Y形支座上.三維實體模型見圖1.
井架實體模型包含矩形截面的鋼材、圓形截面管材、L形截面鋼材和實體的薄鋼板等.由于該模型鋼材截面形式較多,模型體積較大,因此網格劃分難度較高.為獲得良好的仿真結果,本文以六面體單元為主劃分網格,并采用映射和分割等方法.整體網格劃分及局部放大示意見圖2和3.
為同時獲得井架和Y形支座受力情況,撞擊接觸采用面對面的自動接觸[10],接觸面和目標面都設置為柔體,計算的時間和難度增加.
3結果分析
在大型工作站上利用ANSYS/LSDYNA的顯式動力學程序進行并行計算,共耗時40 h.井架上與Y形支座接觸的單元A(單元編號為39346)的壓力和速度隨時間變化曲線見圖4和5.由圖4可知,在20 ms時刻支座受到的壓力最大為15 kPa.隨著井架被彈起,井架底部單元受到上部井架段的壓力而未受到支座的反力,所以隨著井架被彈起速度的減小該單元受力不斷反復.給定井架初速度為3 m/s,接觸后被彈起,30 ms時上升速度最大,到140 ms時上升速度約降為0,而后井架落在支座上.
Y形支座受撞擊接觸時刻的應力云圖見圖6,此刻為整個過程受力最大時刻.由于支座前傾3~5°,導致支座受瞬間沖擊力不均勻,產生較大應力集中區域.在撞擊過程中動能向應變能轉換,墜落井架的應變能由整個Y形支座承擔.由圖6可知,Y形支座下面2個主受力柱受力最大,連接焊縫處產生應力集中.2個主受力柱與橫拉筋的焊縫處、斜支撐與支座橫拉筋的焊縫處以及支座兩邊的V形支柱與板筋的焊縫處應力都較大.畫圈區域應力已略超過其屈服應力345 kPa,Y形支座在這幾處的焊縫可能存在裂紋.現場對這幾處進行無損檢測,其結果與理論分析較為吻合.因此,理論分析結果可指導現場檢測,以免漏檢和浪費大量時間進行不必要的檢測.
由圖7可知,應力最大區域分布在橫拉筋與井架主立柱焊接處,并且有斜拉筋焊接部位比沒有斜拉筋焊接部位應力大.圖7中畫圈和畫框區域應力超過應力屈服極限,這幾處可能存在裂紋,需進行無損檢測.選取井架左側前大腿從下到上3個單元,等距離間隔,見圖8中的64212,64069和63917單元.由圖8可知,在20 ms即撞擊接觸時刻井架應力最大,而后逐漸下降;井架中間64069單元受力最大,井架上部63917單元受力最小;所有單元隨著時間的推移等效應力逐漸下降,直至撞擊結束部分單元依然存在較小應力,說明產生遺留效應,材料性能發生變化.
4結論
(1)建立井架墜落撞擊支座的有限元模型,模擬事故發生的物理過程,結果認為撞擊接觸時刻Y形支座受力最大,而后受到反復的壓力并逐漸減小.
(2)分析結果可指導現場無損檢測:焊縫附近為塑性應變最嚴重區域,需著重檢測,及時補焊.檢測結果與計算結果較為吻合.
分析結果同時可以指導井架實際承載能力測試,以便得到準確的承載能力,為分析此類事故及修理事故井架提供參考.
(3)對井架大變形部位進行加固或者更換梁,建議重新進行應力分析,同時配合井架承載能力檢測.計算結果可指導事故井架修理,避免設備損失,對安全快速的油氣開發有重要意義.
參考文獻:
[1]尹永晶, 楊漢立. 石油修井機[M]. 北京: 石油工業出版社, 2003: 143.
[2]SY/T 5202—2005石油修井機[S].
[3]SY/T 6408—2012鉆井和修井井架、底座的檢查、維護、修理與使用[S].
[4]SY 6326—2012石油鉆機和修井機井架、底座承載能力檢測評定方法[S].
[5]張汝清. 固體力學變分原理及其應用[M]. 重慶: 重慶大學出版社, 1991: 118.
[6]HALLQUIST J O. LSDYNA theory manual[EB/OL]. (20061231) [20130110]. http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/trent001/manuals/lsdyna_theory_manual_2006.pdf.
[7]尚曉江, 蘇建宇, 王化鋒. ANSYS/LSDYNA動力分析方法與工程實例[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005: 194.
[8]李裕春, 時黨勇, 趙遠. ANSYS 11.0/LSDYNA基礎理論與工程實踐[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2008: 258.
[9]郝好山, 胡仁喜, 康士廷, 等. ANSYS 12.0 LSDYNA 非線性有限元分析從入門到精通[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.
[10]SHELDON Imaoka. Contact analysis tips[EB/OL]. (20091031) [20130110]. http://ansys.net/sheldon_tips/2009/Contact%20Analysis%20Tips.pdf.
(編輯于杰)