車裝鉆機靜力分析*

祁秀芳,薛 冠

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司,甘肅蘭州 730314)

車裝鉆機靜力分析*

祁秀芳,薛 冠

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司,甘肅蘭州 730314)

結合相關規范,采用SAFI有限元分析軟件對某車裝鉆機建立三維有限元模型,得出在各種不同組合工況下受力單元的UC值,確定井架、底座及繃繩的強度、剛度,為鉆機的結構設計和現場使用提供理論依據。

SAFI;有限元分析;車裝鉆機;UC;強度

0 引 言

車裝鉆機具有質量輕、移運性能好、結構緊湊、安裝簡便、在油田中轉場作業快捷等優點,被廣泛用于油田的修井和鉆井作業中。常用車裝鉆機井架(以下簡稱井架)為雙節、可伸縮、有繃繩的桅桿式井架。該井架不但要滿足鉆井作業的工作要求,而且要滿足配套運載車及自身伸縮等要求,故井架在設計過程中要保證結構的合理設計,并確保井架結構的安全。某型車裝鉆機井架采用SAFI有限元分析軟件對井架在各種不同工況下進行靜力分析,校核其強度及剛度,為鉆機的設計和現場使用提供一定的理論依據。

1 鉆機結構及軟件簡介

1.1 鉆機結構

鉆機由天車、井架主體、二層臺、起升液缸、伸縮液缸、Y型支架、繃繩、底座及一些附件及設備組成。井架主體分為上下段,由螺栓和銷軸聯接,設計為前開口形式,工作高度為39.3 m,井架及底座較工作位置前傾3°,最大鉤載2 250 kN。

1.2 軟件簡介

SAFI是加拿大SAFIQuality Software Inc.開發的結構計算軟件,軟件有專門分析石油鉆機結構的領域,其有效結合了API4F4th《鉆井和修井井架、底座規范》)[1]及AISC 335-1989《美國鋼結構標準》[2],能準確完成各種工況下的建模、加載、分析等工作,并可自動生成計算報告。SAFI軟件提供UC值來判定構件的綜合強度,該值為實際載荷與許用載荷的比值,其完全遵循AISC 335-1989規范的要求,若單元的UC值小于1.0,則認為該單元滿足強度要求,反之則不滿足,結構需加強或重新設計。

2 建立結構有限元模型

2.1 簡化模型

利用SAFI有限元分析軟件,簡化后的模型由天車、井架上段、井架下段、二層臺、Y型支架、起升液缸、繃繩總成[3-4]及底座組成。按照有限單元法單元劃分的一般原則,凡是多根梁的交叉點、邊界點、集中力作用點都應列為節點,而節點之間的梁則作為單元,按這個原則,對整個井架及底座在交叉點打斷,形成多個單元及節點。井架及底座主體結構材料均為Q345B,彈性模量為200 GPa,屈服強度為345 MPa。圖紙要求繃繩A、B、C、D、E尺寸分別為:φ19、φ19、φ22、φ19、φ19。規格均為:6X19S+NF/Q級,其彈性模量均為150 GPa。圖1為繃繩預拉力示意圖。車裝鉆機的實體模型如圖2。

圖1 繃繩預拉力示意圖

圖2 實體模型

圖1中:A為四根從天車到地面的繃繩,最小尺寸為5/8″,其預拉力為373 kg;B為兩根從二層臺到地面的交叉繃繩,最小尺寸為9/16″,其預拉力為187 kg;C為兩根從天車到車上的內負荷繃繩,最小尺寸為7/8″,其預拉力為560 kg;D為兩根從二層臺到地面的附加繃繩,最小尺寸為9/16″,其預拉力為373 kg;E為兩根從下段頂部到地面的內負荷繃繩。

2.2 施加載荷[5]

對結構進行精確的力學分析,保證其強度、剛度、穩定性是非常重要的。本鉆機以井眼中心為原點,前后為X方向,左右為Z方向,上下為Y方向建立模型,底座及繃繩與地面的接觸點完全約束。石油鉆機組合載荷設計須符合API 4F4th規范,許用應力符合AISC 335—1989規范,在作業過程中主要承受自重載荷、設備載荷、鉤載、環境載荷、立根載荷及轉盤載荷等。關于環境載荷文中僅考慮風載,風速按0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°等8個方向分別進行校核,如表1所列。

表1 組合工況下的設計載荷

3 有限元結果分析

3.1 整體結構分析

分別對以上幾種進行分析,得出在2 250 kN靜鉤載作用下,結構在作業工況下最危險。以最危險工況為例,如圖3和4所示。

圖3 鉆機位移偏移量

圖4 鉆機整體UC值分布

前后四根立柱為主要承載構件,前立柱比后立柱的截面尺寸稍微大一些,上段后立柱最大UC值為0. 97,Y型支架處0.94,是整個井架的薄弱部分,其他多數處于0.7～1之間,結構較為合理。分析相應數據可知,井架前面2根立柱軸向應力變化趨勢相一致,井架后面2根立柱的軸向應力變化趨勢也相一致。在同一高度下,前面2根立柱的軸向應力明顯大于后面2根立柱的軸向應力。同前左右兩側和同后左右兩側立柱的軸向應力差別不大。井架斜撐受力普遍要大于橫撐,在方案圖中斜撐截面已有所增大。底座UC值最大位置位于轉盤梁和立根盒梁附近,最大UC為0.92,其他均小于1,滿足強度安全要求。井架各單元主要是拉、壓作用產生軸向變形與彎曲變形。由圖3可看出,在靜鉤載作用下,井架發生了微前傾現象,天車上掛繃繩耳板處位移最大,位移方向為井架前傾方向,最大位移值為63.6 mm,前后立柱豎直向下方向的最大位移為65.19 mm。結果證明,在最大靜鉤載2 250 kN作用下井架、底座及繃繩強度、剛度均滿足正常使用要求。

3.2 繃繩強度校核

在靜鉤載作用下,井架發生了微前傾現象,井架后部的2根繃繩受拉,前部2根繃繩處于自然下垂狀態,繃繩最大拉力為58.5 kN。

根據API 4F4th:

式中:n為安全系數;F為公稱強度;Fs為計算所得最大繃繩載荷。由表2可知,繃繩符合強度,安全。

表2 繃繩強度匯總

4 結 論

(1)總體來看,井架比底座受力復雜,車裝鉆機安全設計主要位于井架。

(2)在最大靜鉤載2 250 kN作用下,井架上段的位移大于下段的位移變化;井架前主弦桿受壓,后主弦桿受拉,前主弦桿應力大于后主弦桿的應力。

(3)井架后面2根繃繩受力大于前面2根繃繩,但均符合強度要求,安全。

(4)井架在各種組合工況下的UC值均小于1,結構滿足強度、剛度要求,可以正常使用。

(5)對結構進行精確的力學分析,保證其強度、剛度及穩定性是非常重要的。

[1]APISpec 4E—1988,鉆井和修井結構規范[S].

[2]AISC 335-1989,美國鋼結構標準[S].

[3]APISpec 4F—2013,鉆井和修井井架、底座規范[S].

[4]APISpec 4G—2012,鉆井和修井結構的檢驗·維護·修理與使用的推薦方法[S].

[5]胡晶磊,祁秀芳.JJ675/48-K型井架起升過程力學分析[J].石油礦場機械,2014(10):97-99.

Static Analysis of Truck-M ounted Drill Rig

QIXiu-fang,XUE Guan
(Lanzhou LSPetroleum Equipment Engineering Co.,Ltd,Lanzhou Gansu 730314,China)

This paper establishes a three-dimensional finite elementmodel for one truck-mounted drill rig,combining with applicable specifications and using the SAFIsoftware to get the UC values on the force unit in different combination of the conditions,which determines the strength and stiffness of themast,substructure and guy rope,it provides the theoretical basis to the structural design and field use.The conclusion shows that the rigmeets the operational requirements for structure strength.

SAFI;finite element;truck-mounted drill rig;UC;strength

FE923

A

1007-4414(2015)06-0020-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.008

2015-10-01

祁秀芳(1987-),女,青海格爾木人,助理工程師,主要從事金屬結構設計及計算方面的工作。