JJ315-K型井架動力學特性分析

龐世強，苗　波（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，山東　青島266520）

JJ315-K型井架動力學特性分析

龐世強，苗波
（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，山東青島266520）

鉆機井架作為一種高聳的懸臂梁結構，其工作環境非常惡劣，不僅要承受大鉤的載荷、風載及天車的質量，還要抵消頂驅對反轉矩梁的轉矩。研究了國內某5000m鉆機井架在這些載荷作用下天車處的振動，分析了井架的動態響應特性，探討了該井架在工作狀態下的力學性能。為石油鉆機井架的設計和優化提供了一定的理論參考。

井架；有限元法；動態分析；共振

在石油鉆井過程中，鉆機井架作為懸臂梁結構安裝在底座上，不僅要承受天車上大鉤載荷的作用，還要在API 4F規定的不超過16.5 m／s的陸上最大工作風載的作用下工作，并且承受著頂驅給井架提供的轉矩的影響。井架工作環境惡劣，是鉆機中最不穩定且易損壞的結構。

本文選取國內某公司生產的5 000 m前開口式“K”型井架作為研究對象，充分考慮鉆機在工作工況下承受的載荷。按照API 4F第四版規定的1a工作工況，大鉤載荷為100%，陸上設計工作風載為16.5 m／s。該井架的最大鉤載為3 150 k N，頂驅給井架的轉矩為39.1 k N·m。該井架有效高度42 m，共由5段組成，各段之間通過銷軸連接。井架背面通過斜拉桿和橫梁連接，井架側面為片架結構，井架整體為桁架結構，具有較強的剛性。

筆者采用有限元法，利用ANSYS軟件的BEAM188梁單元和PIPE16柱單元，通過APDL語言程序建模。充分考慮了鉆機的鉤載、風載和頂驅的反轉矩對井架的脈沖載荷，建立了井架的有限元模型，對該井架做了模態、諧響應、瞬態分析；研究了井架的縱向和橫向振動的相應特性以及井架的力學性能，為井架的設計和力學分析提供了一定的理論參考。

1　JJ315-K型井架有限元模型

本文研究對象JJ315-K型井架是一種前開口式“K”型井架，該井架的結構特點是以梁、柱和桿件為主的空間桿系鋼架結構。依據井架的結構特點和主輔受力點對模型做了進一步的簡化，在建模過程中略去了井架上的梯子總成、大鉗平衡重、套管扶正臺等附屬結構，同時略去了天車結構用等效靜載荷代替，添加到井架主腿上端。

在ANSYS軟件前處理模塊中建立以三維梁、柱單元（BEAM188和PIPE16）為主的井架有限元模型，單元劃分共計384個節點，263個單元。對井架主腿底端施加位移固定約束和左右方向的轉動，釋放前后方向的轉動。并且參照API4F第4版的規定把井架每一段在16.5m／s的風載下的載荷計算出來平均加到井架各段，同時給井架主腿施加頂驅的反轉矩載荷。井架主體構件采用Q235A和Q345B鋼制成，材料彈性模量2.1×1011Pa；泊松比0.3；密度7850kg／m3；轉盤轉速120r／min；重力加速度9.8m／s2。

2　計算結果與分析

2.1模態分析

模態分析是用來確定結構振動特性的一種技術，本文通過對井架的模態分析確定結構的固有頻率和振型［1］。從數學概念分析模態特性主要表現在系統的特征值和特征向量。

根據井架的實際工況，結合彈性力學有限元分析法，利用ANSYS軟件對該井架進行模態分析［2］。由于井架的固有頻率較大，對井架結構產生影響的主要是前幾階振型，因此提取了井架的前6階固有頻率和最大位移，如表1所示。

表1　井架前6階頻率

井架的前6階振型如圖1所示。

圖1　井架前六階振型

從圖1可見，該井架的一階振型主要表現為繞x軸前后方向的擺動，隨著井架高度的不斷上升，井架的前后擺動的幅值越大；二階振型主要表現為繞y軸做扭轉擺動，特別是在二層臺及井架以上的結構擺動幅度較大；三階振型不僅表現為繞y軸做扭轉擺動，而且還表現為繞z軸的左右擺動；四階振型主要表現在井架的一段上部到二層臺下部的前主腿向內彎曲，而二層臺上部則無此變形；五階振型主要表現為二層臺以下做左右擺動，二層臺以上沿著y軸做扭轉擺動；六階振型主要表現為井架做前后方向的擺動，其中一到四段向前擺動，五段向后擺動，整個井架在前后方向呈現“S”形擺動。在前六階振型中四階振型的位移最大，結構最不穩定。通過對井架的陣型分析對井架結構做出一些改進：首先加強井架二、三段前主腿，防止其向內彎曲；其次加強井架二層臺處，主要是由于有幾階陣型是從二層臺處開始彎曲或者扭轉的。

風載荷包括穩定風和脈動風，高聳井架的風振影響，主要就是脈動風起的作用。脈動風的風速和風向是隨時間和空間而變化的，具有明顯的紊亂性和隨機性，脈動風的這些特性主要受到地表構造的影響［3］，因此，在做井架模態分析時要根據井架的具體使用地點，參考當地權威機構的風載數據計算，當脈動風的頻率達到或者接近井架的固有頻率就會引起井架的共振，造成井架的破壞。

地震載荷也是造成鉆機破壞的致命因素。地震主要以地震波的形式向各方向傳遞能量，地震波的頻率和振幅跟震級和震源等有關系，當地震波的頻率達到井架的固有頻率時會造成井架共振。

2.2諧響應分析

諧響應分析是確定一個結構在已知頻率的間諧載荷作用下結構的響應技術［4］。本文參考井架模態分析前六階固有頻率，計算了JJ315-K型井架在0～8 Hz頻率范圍內的響應特性。通過對該井架的模態分析可知，井架的天車和二層臺在振動狀況下反應的比較活躍，因此分別選取了模型中天車和二層臺處的135和174節點，采用完全法分析這兩處節點在0～8 Hz頻率范圍內的響應［5］。

天車處135節點在x、y、z方向的位移響應曲線如圖2所示。

圖2　天車處位移響應曲線

由圖2中可以看出，x方向對應著井架的左右方向，從x方向的位移響應曲線中可以看出有5個頻率點處出現較大的位移，分別對應井架的一階、二階、三級、五階和六階固有頻率值，特別是在井架五階固有頻率處位移最大，達到了12.58mm。y方向對應著井架的豎直方向，從y方向的位移響應曲線中看出只有3個頻率點處出現較大的響應位移，分別對應井架的一階、五階和六階固有頻率，在一階固有頻率處位移響應最大，為13.29mm。z方向對應著井架的前后方向，從z方向的位移響應曲線中看，其響應點同y方向一樣，但是在z方向最大的位移響應值為264.6mm。通過對天車135節點處的響應曲線分析，井架在一階固有頻率下前后方向的擺動較大，在該頻率下容易造成井架的破壞。

二層臺處174節點在x、y、z方向的位移響應曲線如圖3所示。

由圖3中可以看出，在x方向有5個頻率點處出現較大的響應位移，分別對應著井架前六階固有頻率中的一階、二階、三階、五階和六階，并且在五階頻率處位移響應值最大；y方向有4個頻率點處出現了較大的響應位移，分別對應著井架固有頻率中的一階、四階、五階、六階，且在一階處對應的位移響應值最大；z方向有2個頻率點處出現了較大的響應位移，分別對應著井架一階和六階的固有頻率，且在一階頻率處的位移響應值最大，達到了128.9mm。

通過對井架135和174節點在x、y、z方向的位移響應分析，可以看出在z方向的位移響應值最大，井架在振動過程中如果受到的外部載荷頻率達到井架的一階頻率時，井架天車處z方向的最大位移響應值達到了264.6mm，需要增強井架主腿的剛性，減小其z方向的擺動。

圖3　二層臺處位移響應曲線

2.3瞬態分析

瞬態動力學分析是用于確定承受任意的隨時間變化載荷的結構動力學響應的一種方法［6］。本文模擬井架在工作工況下“猛拉、猛剎”的工作狀態，分析井架的振動特性。該鉆機在工作過程中將游動系統及大鉤載荷通過鋼絲繩傳遞到天車上，因此在該井架建模時略去了游動系統，把游動系統和大鉤載荷通過力的形式加載到井架頂端的天車處。

載荷加載的瞬態載荷如圖4所示。oa段為提升游動系統，其中游動系統給天車的載荷為125.6kN（游動系統包括游車6210kg、大鉤3 450 kg、水龍頭2900kg）；ab段為井架滿載的過程，該井架的最大載荷為3150k N；bc段為井架滿載的持續過程；cd段為井架卸載的過程；de段為井架僅承受游動系統的重量；ef段為井架卸去游動系統質量的過程［6］；同時給井架上下兩處背扇橫梁添加39.1kN·m的轉矩，用來代替頂驅轉矩對井架的作用，施加轉矩的時間段為圖4中的ac段。

圖4　瞬態載荷

通過對該井架的陣型和位移響應分析可知，該井架的天車處在振動過程中的位移響應最大，結構最不穩定，因此選取天車處135節點，分析該節點在工作時瞬態載荷作用下的響應值。天車處135節點的振動位移曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，在開始階段3個坐標軸方向的振動位移很大。在x方向的前1.8 s內振動位移和頻率都相對較高，振動劇烈，而隨著時間的增加振動過程逐漸變平穩；在y方向的前1 s內振動較劇烈，隨著時間的增加振動逐漸變平穩，最后趨近于一條直線；而在z方向井架的振動頻率相對于x、y方向要小很多，但是其保持較大振動位移的時間相對較長，在整個受載過程中振動位移較大，結構不穩定。

圖5　天車處135節點振動位移曲線

天車處135節點的振動速度曲線如圖6所示。

圖6　天車處135節點振動速度曲線

由圖6中可以看出，在載荷加載的初始階段3個坐標軸方向的振動速度和頻率都很大。在x方向的前1.6s內振動速度和頻率相對較大，振動劇烈，而隨著時間的增加，振動曲線趨近于一條直線，說明工作過程變穩定；而在y方向的前1.2 s時間內的振動較為劇烈，最大振動速度為3.3 m／s，遠大于x和z方向的振動速度。在z方向的前5 s內雖然振動的頻率相對于x、y方向較低，但是振動速度始終保持著。

天車處135節點的加速度響應曲線如圖7所示。

圖7　天車處135節點加速度響應曲線

從圖7中可以看到，在前0.8 s內135節點的振動加速度較大，并且y方向的加速度遠大于x、z方向，當過了0.8 s以后3個方向的加速度響應曲線都趨近于平行于橫坐標的一條直線，表示振動穩定下來。

通過上述分析，在載荷加載的初始階段井架振動劇烈，結構不穩定，隨著時間的增加，振動頻率和幅值逐漸減小，最后趨近于一條直線，表示結構變穩定。在井架的前后方向（z方向）相對于上下和左右方向振動時間長，表示在前后方向上結構相對不穩定，這符合了前開口“K”型井架在開口方向結構的不穩定性，在設計時應當加強井架前后主腿的剛性。

3　結論

采用有限元法，結合ANSYS軟件的有限元分析，充分考慮了JJ315-K型井架在工作過程中的載荷及結構特型，分析了該井架的固有頻率和陣型、在0～8 Hz內的位移響應以及在工作過程中“猛拉、猛剎”時井架受載的瞬態過程。

1）井架的前6階固有頻率如果跟風載及地震載荷的頻率接近，容易發生共振現象。應當加強井架二、三段前主腿和井架二層臺處，減小井架陣型。

2）通過對井架0～8 Hz內的諧響應分析，井架天車處的位移響應值要大于二層臺處，說明了天車處結構更不穩定，并且在井架前后方向的位移相對較大，應當增強井架主腿剛性，減小井架前后方向的擺動。

3）通過模擬井架在工作時的一種受力狀況，分析發現井架在受力初始階段振動劇烈，并且在前后方向振動持續時間長，更容易造成結構的不穩定。

［1］陳艷霞，林金寶.ANSYS14完全自學一本通［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［2］梁慶海，周國強，韓東穎.JJ454／49-H型海洋動態井架動力特性分析［J］.石油礦場機械，2007，36（4）：34-37.

［3］王肇民.高聳結構的振動控制［M］.上海：同濟大學出版社，1996.

［4］張麗娜，李鳳臣，楊鷗，等.JJ16041-K型石油井架結構的動力響應分析［J］.科學技術與工程，2012，12（20）：4884-4887.

［5］周思柱，祝克強，華劍，等.深井鉆機井架及底座系統的諧響應分析［J］.石油機械，2013，41（8）：28-31.

［6］吳昌，艾志久，陳海林，等.JJ250／42-K型井架動態特性分析［J］.石油礦場機械，2009，38（11）：19-23.

Analysis of Dynamics Characteristic for JJ315-K Type Derrick

PANG Shiqiang，MIAO Bo
（Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute Co．，Ltd．，Qingdao 266520，China）

As a structure of towering cantilever，loads the rig derrick has to withstand is very tough，not only the hook loads and wind loads，but the reaction torque from Top Drive as well. Taking the hook loads，reaction torque and pulsating impact led by wind loads what the derrick has to withstand while drilling into full consideration，the libration in the crow of a 5 000 m der-rick under these loads was studied and the characteristics of dynamic response was analyzed，then，the mechanical property of the derrick while drilling was discussed.Those offered theoretical ref-erences for oil rig derrick's design and optimization.

derrick；FEM；dynamic analysis；resonance vibration

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.008

1001-3482（2015）12-0031-06

2015-6-11

龐世強（1985-），男，山東臨沂人，主要從事石油鉆井裝備設計計算，Email：pangshi-101＠163.com。