鉆柱立根排放升降臂的受力性能分析

陳悅軍，王維國，解文芳，雷昊天，張 磊

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070）

鉆柱立根排放升降臂的受力性能分析

陳悅軍，王維國，解文芳，雷昊天，張 磊

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070）

為了分析海洋鉆井平臺中的二層臺立根動力排放升降臂的強度，采用ANSYS有限元軟件，在合理選取鋼材特性基礎上，采用單元為8節點的Solid45建立分析模型。在升降臂懸臂夾頭的端部施加集中載荷來模擬端頭自重力和外載荷，進行豎向位移分析和Mises應力分析。根據分析結果，在懸臂板和滑道連接處增加加強板，使其強度滿足規范的要求。

鉆柱；升降臂；應力分析

隨著海洋鉆井平臺工程結構形式的多樣化和復雜化，越來越多的工程人員采用有限元軟件進行工程結構的數值分析，作為設計后結構安全性的驗算和有效補充［1-2］，例如采用ANSYS、ABAQUS等大型通用有限元軟件，其計算精度高、可以滿足工程設計的需要。海洋鉆井平臺立根排放裝置中的升降臂是核心受力件，由于結構復雜，采用傳統方法難以校核其強度。根據海洋作業的安全要求，本文采用ANSYS軟件對其受力性能進行有限元分析。

1 升降臂裝置簡介

1.1 功能和結構

在起下鉆過程中，海洋鉆井平臺二層臺立根動力排放裝置用于在動力鼠洞或井口與排放架之間移動鉆柱立根，操作人員不需要與鉆柱直接接觸。該裝置頂端和底端各有1個移動小車。頂端移動小車軌道安裝在二層臺指梁之上，移動小車可沿縱橫2個方向移動并可沿中心旋轉。其下部安裝有升降臂及上夾持機構，可帶動鉆柱旋轉及上下移動。底部小車軌道安裝在鉆臺面井眼與立根盒之間，沿軌道方向移動，并可沿中心旋轉。其上部安裝有下夾持機構，配合上夾持機構協同動作。頂端小車利用液壓馬達驅動，通過一系列蝸輪蝸桿和齒輪齒條傳動，使其沿軌道移動并可繞中心回轉。底部小車的液壓缸和活塞桿機構可以配合上部移動，使小車移動并旋轉180°，同步移運鉆柱立根到達指定方向［1］。升降臂的結構和受力如圖1。

圖1 升降臂的結構和受力示意

1.2 材料的應力-應變關系模型

二層臺立根動力排放裝置升降臂中擋板和筋板材料均為Q345B，容許彎曲應力fy為345 MPa，泊松比為0.3。其余筋板材料均為Q235B，容許彎曲應力fy為235 MPa，泊松比為0.3，彈性模量E＝206 000 MPa。考慮到該項目中要求結構件在工作狀態中處于彈性，因此計算時鋼材本構關系選取雙折線隨動強化模型，應力-應變關系分為彈性階段和塑性階段，塑性段的斜率取為初始彈性模量的0.01倍，即0.01E＝2 060 MPa。應力-應變關系模型如圖2所示。

圖2 材料的本構關系示意

2 建立有限元模型

根據升降臂的特征，在ANSYS有限元建模時對其進行了簡化。根據計算簡圖建模，模型采用的單元為Solid45，該單元是8節點的3維實體單元，具有良好的計算精度［2］。該裝置的材料模型都采用鋼材雙折線隨動強化材料本構模型，能夠較好地反映鋼材的力學行為。升降臂的有限元模型如圖3所示。圖4～5分別是轉盤和筋板圖以及懸臂端與筋板圖。

圖3 升降臂的有限元模型

圖4 升降臂的轉盤與筋板

圖5 懸臂端與筋板

有限元模型的邊界條件和載荷如圖6所示，在懸臂夾頭的端部施加集中載荷來模擬端頭自重力和外載荷。實際結構中夾頭作用1個大小為170 k N的集中荷載，根據圣維南原理，將該集中荷載簡化為2個分別布置在懸臂夾頭的端部的集中荷載，每個集中力大小為85 k N。整個升降臂有限元模型中施加0.524 rad／s的角速度來模擬升降臂的轉動，旋轉180°的轉動時間為6 s。

圖6 升降臂載荷與邊界條件

升降臂有限元模型網格劃分如圖7所示，該網格劃分所采用的單元類型為Solid45。

圖7 升降臂網格劃分示意

3 分析結果

3.1 豎向位移

通過ANSYS有限元分析計算，升降臂在外載荷作用下旋轉180°過程中的最大位移出現在懸臂夾頭的端部，這是由于夾頭端部作用外載荷引起的，最大豎向位移為2.74 mm，沿著懸臂夾頭部分，位移向內遞減。圓盤以及下部的加強板和滑道的位移較小，為0.9 mm［3-4］。由于整個轉動過程為勻速轉動，因此每個轉動位置的位移變化是相同的，如圖8所示。

圖8 升降臂豎向位移云圖

3.2 應力

采用ANSYS有限元分析中，其應力分析主要考慮拉、壓應力，其彎曲應力較小，暫不考慮。通過ANSYS有限元分析計算，得出升降臂結構的Mises應力分布［5］，如圖9。

升降臂結構的圓盤和滑道處的Mises應力值很小，為11.978 Pa，如圖9a所示。但是，局部有應力集中，應力最大值出現在加強板和滑道的連接處，該應力值為349 MPa，如圖9b所示。該應力值超過了Q345鋼材的屈服強度345 MPa，主要是由于局部的應力集中造成。在懸臂端與滑道的連接處最大應力分布在懸臂板的上邊緣，該處應力值較大，應力值為310 MPa，小于Q345鋼材的屈服強度，但安全系數僅為1.02，如圖9c所示［6-8］。

圖9 升降臂的Mises應力云圖

根據圖9的應力集中情況，在滑道與懸臂板以及加強板3者之間增加箱體加強板，如圖10所示，據此改進后加強板和滑道連接處應力值由原來的349 MPa降為157 MPa，安全系數為2.2；懸臂板上邊緣的最大應力值由原來的310 MPa降為205 MPa，安全系數為1.68。根據經驗安全系數，改進后的結構可以滿足工況安全要求。

圖10 改進后升降臂的Mises應力云圖

4 結論

1） 通過ANSYS有限元分析，升降臂在外載荷作用下旋轉180°過程中的最大位移出現在懸臂夾頭的端部，最大豎向位移為2.74 mm。沿著懸臂夾頭部分，位移向內遞減，滿足設計規范。

2） 由Mises應力分析可知，升降臂的圓盤和滑道處的應力值很小。在加強板和滑道的連接處、懸臂端與滑道的連接處的最大應力均超過材料的屈服極限。通過增加加強筋，降低了升降臂的最大應力，使鉆柱升降裝置滿足海洋作業的安全要求。

［1］ 何鴻.鉆井平臺鉆桿自動化排放系統方案設計［J］.石油礦場機械，2012，41（9）：82-84.

［2］ 關云飛，高峰，趙維炳，等.ANSYS軟件中修正劍橋模型的二次開發［J］.巖土力學，2010，31（3）：976-980.

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Analysis on Mechanical Behavior of Lifting-Arm in Pipe Racking System

To analyze the lifting-arm intensity of pipe racking system on offshore drilling platform，model units of solid45 with 8 nodes by using ANSYS was built，based on the reasonable steel material.Concentrated load is applied to the cantilever end to simulate its self-weight and external load，the analysis of vertical displacement and Mises stress analysis were carried out.According to the results of the analysis，plates are added on the connection of cantilever plate and slide，which can meet the safety load requirements.

drill stem；lifting-arm；stress analysis

TE923

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.017

1001-3482（2014）10-0073-04

2014-03-30

陳悅軍（1968-），男，四川廣安人，高級工程師，主要從事陸地、海洋鉆機的研制工作，E-mail：chenyuejun＠shlanbin.com。