JJ675／48-K型井架起升過(guò)程力學(xué)分析

胡晶磊，祁秀芳

（蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州 730050）

JJ675／48-K型井架起升過(guò)程力學(xué)分析

胡晶磊，祁秀芳

（蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州 730050）

井架在起升過(guò)程中的力學(xué)分析比較復(fù)雜，很難采用理論計(jì)算的方法得到。為了保證井架及其起升系統(tǒng)的安全，以JJ675／48-K型井架為例，采用SAFI 7.1軟件建立模型并模擬該井架的起升過(guò)程。分析了在不同起升角度時(shí)井架和鋼絲繩的受力，得到了最大起升力、最大鉤載及井架各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度。為井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)起升提供依據(jù)。

井架；起升力；分析；SAFI

鉆機(jī)井架在起升過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，鋼絲繩的受力、井架最大受力處的位置、最大鉤載下各個(gè)構(gòu)件的受力情況難以用理論計(jì)算的方式精確得到，必須借助計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件來(lái)進(jìn)行求解、仿真和分析［1-2］。通過(guò)對(duì)井架起升裝置結(jié)構(gòu)和起升原理的分析可知，在井架起升時(shí)其中主要運(yùn)動(dòng)部件為井架主體、起升大繩和由鋼絲繩、滑輪組成的游動(dòng)系統(tǒng)［3］。對(duì)于鋼絲繩-滑輪系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于繩索結(jié)構(gòu)和其力學(xué)特性相當(dāng)復(fù)雜，基于目前的理論和軟件功能的限制，只能采用簡(jiǎn)化處理的建模方法來(lái)模擬真實(shí)鋼絲繩的特性。JJ675／48-K型井架的結(jié)構(gòu)是前開(kāi)口式無(wú)繃?yán)K“K”形，是為ZJ90／6750D型鉆機(jī)而設(shè)計(jì)的。本文采用SAFI 7.1軟件研究該井架在起升過(guò)程中的最大起升力、最大鉤載及其各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度，對(duì)井架的設(shè)計(jì)和起升具有一定的指導(dǎo)意義。

1 建立實(shí)體模型

采用SAFI軟件建立分析模型。由于不涉及鉆機(jī)其他部件的設(shè)計(jì)，僅以井架的力學(xué)分析而建模，因此本文只對(duì)重要零部件進(jìn)行建模，忽略了一些小的結(jié)構(gòu)。由于建模時(shí)做了簡(jiǎn)化處理，會(huì)造成模型的質(zhì)量小于井架的實(shí)際質(zhì)量，所以井架自重力要乘以1個(gè)系數(shù)，具體如表1。

表1 井架在起升工況下的設(shè)計(jì)載荷

建模過(guò)程中，根據(jù)圖紙準(zhǔn)確建立關(guān)鍵點(diǎn)，然后連接成線，然后對(duì)線添加截面及材料，焊接工字鋼通常采用Q345B材料，工字鋼、角鋼及槽鋼采用Q235B材料。JJ675／48-K型井架的實(shí)體模型如圖1。按照有限單元法單元?jiǎng)澐值囊话阍瓌t，凡是多根梁的交叉點(diǎn)、邊界點(diǎn)、集中力作用點(diǎn)都應(yīng)列為節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)之間的梁則作為單元。

圖1 JJ675／48-K型井架的實(shí)體模型

按這個(gè)原則，對(duì)整個(gè)井架及底座在交叉點(diǎn)打斷，形成多個(gè)單元及節(jié)點(diǎn)。井架與底座用銷子連接，即釋放z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，底座與地面的接觸點(diǎn)完全固定。

2 井架起升時(shí)的載荷分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的力學(xué)分析，保證其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性是非常重要的。石油鉆機(jī)組合載荷設(shè)計(jì)須符合API 4F4th規(guī)范［4］，如表1。許用應(yīng)力符合AISC 335—1989規(guī)范。井架在起升過(guò)程中承受的載荷有結(jié)構(gòu)自重力、設(shè)備重力、鉤載、環(huán)境載荷等。關(guān)于環(huán)境載荷，在此鉆機(jī)中僅考慮風(fēng)載，風(fēng)速按0、45、90、135、180、225、270、315°8個(gè)方向分別進(jìn)行計(jì)算。

3 載荷施加與求解

由于井架起升速度很緩慢，一般都將起升過(guò)程假設(shè)為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，即井架在每個(gè)位置都處于受力平衡狀態(tài)，從而根據(jù)力矩平衡原理采用理論計(jì)算的方法得出井架起升拉力的大小，有2個(gè)方法，①根據(jù)幾何學(xué)和物理知識(shí)推導(dǎo)出快繩拉力與起升角度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，從而通過(guò)該關(guān)系式計(jì)算任何起升角度時(shí)的快繩拉力大小，并得出連續(xù)曲線；②計(jì)算幾個(gè)特殊起升角度下的拉力，采用一定的方法測(cè)得各作用力在起升當(dāng)前位置時(shí)的力臂，進(jìn)而算出力的大小，然后采用曲線擬合的方法得出大致的變化曲線。在SAFI軟件中，先估算大概的起升力，為計(jì)算方便先加100 k N的起升力，然后在井架與高支架的接觸點(diǎn)各設(shè)置1個(gè)彈簧，進(jìn)行求解。根據(jù)彈簧處點(diǎn)的支反力是否為零而調(diào)整初始估算的快繩拉力，起升拉力即為100 k N乘以快繩拉力的調(diào)整系數(shù)，進(jìn)而算出起升時(shí)的最大鉤載。

井架起升時(shí)配有高支架，使井架與水平面成4°的夾角。現(xiàn)將圖1的模型由垂直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到起升狀態(tài)，在井架與高支架的接觸點(diǎn)各設(shè)置1個(gè)彈簧，然后起初假設(shè)1個(gè)100 k N的起升力，分別加在起升耳板、人字架滑輪及二段起升滑輪處，再由此100 k N的起升力計(jì)算出天車滑輪處的鉤載及快繩輪上的載荷，然后進(jìn)行求解。具體的加載情況如圖2（不含風(fēng)載）及圖3（含風(fēng)載）。

圖2 井架在起升狀態(tài)的受力（不含風(fēng)載）

圖3 井架在起升狀態(tài)的受力（含風(fēng)載）

4 結(jié)果分析

4.1 最大起升拉力及鉤載

根據(jù)計(jì)算得到的起升力系數(shù)如表2。

表2 井架初起時(shí)不同風(fēng)載方向的起升力系數(shù)

4.2 UC值分析

根據(jù)AISC 335—1989中組合應(yīng)力校核公式，在SAFI軟件后處理模塊中對(duì)每一單元進(jìn)行校核，并以UC值（limit states summary）加以表示出來(lái)。

式中：fa為軸向計(jì)算應(yīng)力；Fa為只有軸向拉力作用時(shí)的允許壓應(yīng)力；Fb為只有彎矩作用時(shí)的允許壓彎應(yīng)力；fb為在計(jì)算點(diǎn)算得的壓彎應(yīng)力；Fex、Fey分別為在x、y方向除以一個(gè)安全系數(shù)劃分的歐拉應(yīng)力，在數(shù)值上兩者相等；Cm為系數(shù)；E為彈性模量；K為有效長(zhǎng)度系數(shù)；lb為受彎平面內(nèi)實(shí)際的無(wú)支撐長(zhǎng)度；rb為相應(yīng)軸的回轉(zhuǎn)半徑；下角標(biāo)x、y表示坐標(biāo)。

系數(shù)Cm按下以下情況取值：

1） 框架結(jié)構(gòu)中的受壓構(gòu)件有節(jié)點(diǎn)側(cè)移時(shí)，取Cm＝0.85。

2） 對(duì)于加有支撐以限制節(jié)點(diǎn)位移且在彎曲平面內(nèi)的支撐點(diǎn)不承愛(ài)橫向載荷時(shí)，Cm＝（0.6～0.4）（M1／M2）。M1／M2是指受彎平面中的無(wú)支撐構(gòu)件部分在端點(diǎn)的較小彎矩與較大彎矩之比。當(dāng)構(gòu)件反向彎曲時(shí)，M1／M2為正，反之為負(fù)。

3） 對(duì)于加有支撐以限制節(jié)點(diǎn)位移，在彎曲平面內(nèi)的支撐點(diǎn)承受橫向載荷時(shí)，Cm取值分2種情況：端部有旋轉(zhuǎn)約束時(shí)，Cm＝0.85；端部無(wú)旋轉(zhuǎn)約束時(shí)，Cm＝1.0。

由圖4看出UC值均小于1。在井架起升工況下，最大UC值為0.99，位于人字架前腿處；井架上的最大UC值為0.95，位于井架起升耳板附近，如圖5。

圖4 井架在起升過(guò)程的UC值

圖5 井架在起升過(guò)程中UC＞0.9的構(gòu)件

5 結(jié)論

1） 結(jié)合物理和幾何關(guān)系所求得的最大起升力和鉤載分別為1 155.0 k N、1 892.2 k N。SAFI軟件計(jì)算結(jié)果分別為1 228.5 k N、2013.0 k N，兩者相差不多。前者沒(méi)有考慮風(fēng)載，后者考慮了16.5 m／s的風(fēng)載。

2） 井架在起升時(shí)UC值均小于1，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求，可以安全起升。

3） 井架在最大起升拉力下最危險(xiǎn)構(gòu)件處于人字架前后腿、井架一段及起升耳板處。

4） 風(fēng)載方向?qū)ζ鹕Φ挠绊懖淮蟆?/p>

5） 正確計(jì)算井架的起升力，分析結(jié)構(gòu)的安全性對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)起升具有重要的指導(dǎo)意義。

［1］ 朱玄，吳強(qiáng)，尹雪霏.JJ450／45-K型井架起升過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械2010，39（12）：41-44.

［2］ 王路林，高學(xué)仕，王佐祥.井架起升過(guò)程的有限元仿真分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（2）：20-22.

［3］ 翟東峰.石油鉆機(jī)井架計(jì)算方法研究［D］.北京：中國(guó)石油大學(xué)，2007.

［4］ API Spec 4F—2013，鉆井和修井井架、底座規(guī)范［S］.

Mechanical Analysis of Raising JJ675／48-K Drilling Derrick

Mechanical analysis during the process of drilling derrick raising is complex，it is difficult to use theoretical calculation methods.To take JJ675／48-K type drilling derrick as an example，in order to ensure the safety of the drilling derrick and its raising system，SAFI 7.1 software was used to do the modeling and to simulate the drilling derrick raising process.Analyzing wire line force and stress that the drilling derrick has taken when it was at different raising angles，the maximum raising force and hook load，strength and rigidity of every component were obtained.All of these data would be the basis for drilling derrick structure design and on-site raising.

drilling derrick t；raising force；analysis；SAFI

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.023

1001-3482（2014）10-0097-03

2014-07-30

胡晶磊（1982-），女，山西運(yùn)城人，工程師，主要從事石油鉆采機(jī)械的技術(shù)研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，E-mail：hu.jinglei＠lspe.cn。