JJ675/48-K型井架有限元及應力測試對比分析

喬長奎，郝奉禹，華小濤

(1.蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州 730314；2.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)

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JJ675/48-K型井架有限元及應力測試對比分析

喬長奎1，郝奉禹1，華小濤2

(1.蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州 730314；2.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)

摘要：針對JJ675/48-K型井架，運用SAFI軟件建立有限元模型，對設計載荷進行分析研究，使其符合API Spec 4F—2013及AISC 335—1989的設計要求。對JJ675/48-K型井架進行6 750 kN載荷的應力測試，同時結合有限元模型進行數據對比分析，驗證了有限元模型的準確性及井架設計的合理性。

關鍵詞：井架；SAFI；有限元模型；應力測試；對比分析

石油鉆機井架按照結構形式大致可分為4大類：A型井架、塔型井架、前開口K型井架以及桅桿型井架。其中前開口型井架是目前應用最為廣泛的井架結構。該井架整體剛度好、穩定性強，且能夠實現低位安裝起升。K型井架在陸地鉆機中占據絕對的支配地位，由于該井架易于安裝頂驅導軌，陸地深井和超深井鉆機也選用K型井架[1]。

近年來，石油鉆機井架及底座的發展趨勢有兩個明顯的方向：快速移運性和超深井這兩方面[2]。JJ675/48-K型井架便是在這樣的背景下開發設計的，其配套于ZJ90/6750D鉆機。本文通過有限元分析與實測值進行對比，可以有效地驗證產品設計的合理性、理論計算的正確性及模型的準確性，同時可及時地進行設計修改及結構優化。

1JJ675/48-K型井架有限元分析

JJ675/48-K型井架是以H型鋼為主大腿的前開口式無繃繩“K”形井架。井架主體分6段，12大件，第Ⅱ段背部有背扇剛架，剛架、斜拉桿與主體各段相連，Ⅰ段和Ⅱ段采用法蘭連接，其余各段采用銷子耳板連接。

采用SAFI Quality Software Inc 公司的 SAFI 7.1.3[3]軟件進行該鉆機井架底座鋼結構在作業、起升各種工況組合下的受力分析與計算，使之安全、經濟、實用，完全滿足用戶要求，并遵循API Spec 4F —2013[4]及 AISC 335—1989規范[5]。該軟件在國內石油裝備行業已得到廣泛應用[6-7]。運用SAFI軟件對每一單元均根據AISC 335中組合應力校核公式進行校核，并以UC值(limit states summary)表示出來[8]。

1.1有限元模型的建立

以JJ675/48-K型井架設計圖紙為基礎，在SAFI中建立1∶1的模型。

為了使有限元模型盡可能與實際結構接近，在井架建模時做了如下簡化：

1)假設井架底座與地面之間不發生相對的移動和轉動，在分析時，其邊界條件為全約束。

2)大鉤載荷平均分布于天車主滑輪軸上。

3)立根載荷平均分布于立根盒梁及二層臺架上，立根風載平均分布于二層臺架上。

4)大繩的拉力集中到受力點上，省略大繩實體。

建立的有限元模型如圖1所示。

圖1　JJ675/48-K型井架有限元模型

1.2載荷條件

根據API 4F—2013的規定對井架工況載荷做了如表1的設定。

表1　JJ675/48-K型井架各工況的設計載荷組合

說明：1)立根額定載荷3 300 kN，最大靜鉤載6 750 kN。

1.3應力分析

通過SAFI計算，所有工況UC值均小于1，即結構安全符合API Spec 4F—2013要求。UC值如圖2。

圖2　JJ675/48-K型井架各工況的UC值

2井架應力測試

為便于準確地了解JJ675/48-K型井架的受力情況，井架出廠前進行了6 750 kN載荷的應力測試，測試井架的承載能力。試驗方法是反拉轉盤梁下的試驗工裝，通過油缸逐級加載到滿負荷6 750 kN，油缸保壓15 min，測量井架的位移量，記錄指重表的數值，并用電腦自顯應變記錄儀逐級記錄應變得出應力值。

2.1試驗目的

1)驗證該井架設計是否符合API Spec 4F—2013的要求。

2 )測定主要承載件的應力分布狀況，驗證設計計算的正確性。

3)驗證設計結構的合理性。

2.2執行標準

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及分級規范。

2.3試驗負荷

按照API Spec 4F—2013第11.8.2節“設計驗證”中的內容確定部件的試驗負荷(除風載及立根載荷外，因實際加載時無法實現)。

2.4測試項目及要求

2.4.1井架應力測試。

1)井架起升、下放試驗。記錄起升、下放井架時指重表讀數，測出起升、下放井架時井架最大受力點的實際應力。試驗井架在起升、下放過程中的整體穩定性和安全可靠性。

2)井架承受6 750 kN鉤載試驗。記錄指重表讀數，測出井架最大受力點的實際應力。檢驗井架(含天車)在承受6 750 kN鉤載的穩定性和安全可靠性。檢驗設計計算的正確性。

3)天車承受6 750 kN拉力試驗。記錄指重表讀數，測出天車最大受力點的實際應力。測量并記錄天車頂部正面和側面的變形量。

2.5試驗方法

本井架的設計特點決定了試驗必須在配套的底座上聯合進行。將井架及底座安裝完畢并起升至工作狀態，安裝好試驗裝置(包括2臺875.4 t液壓千斤頂及液壓源，液壓泵等)。高壓油泵同時向2個液壓千斤頂供油，推動大鉤試驗螺桿，通過游動系統使井架受拉，實現加載的目的。

2.6試驗前準備

先將加載用鋼絲繩(鉆井繩)的快繩端固定在鉆臺下方的主絞車滾筒上；將死繩端固定在位于井架右后腿的死繩固定器上，準備加載。

2.7加載方法及數值

測試時，共加載2次。第1次加載至4 350 kN后卸載，第2次加載至6 720 kN后卸載。

2.8位移觀測點的選取與布置

采用2臺TDJ2高精度經緯儀，貼反光坐標紙觀測位移。JJ675/48-K型井架共設了4個位移觀測點，觀測點位于天車架的前面及側面，觀測點上貼反光坐標紙。具體位置如圖3所示。

圖3　JJ675/48-K 型井架天車位移觀測點布置

2.9應力電測的測點布置[9]

按照SY/T 6326—2012標準第6.2條規定的測點布置位置要求進行。

在JJ675/48-K型井架應力測試中對井架主體(不含人字架)和天車共48個部位進行應力測試，共貼應變片196片；人字架共14個部位，共貼應變片20片，三向應變片36片。具體貼片位置如圖4～6。

圖4　JJ675/48-K型井架主體電測應變片布置

圖5　JJ675/48-K型井架人字架電測應變片布置

圖6　JJ675/48-K型井架天車電測應變片布置

3數據對比

3.1模型加載處理

由于SAFI計算時加了風載及立根載荷，而實

際測試時無法施加風載及立根載荷，因此將模型中的風載及立根載荷取消；又由于試驗方法是反拉轉盤梁，因此，轉盤載荷為負值，這樣使模型與實際測試情形盡可能接近，以便將兩者的數據進行對比驗證。具體參數如表2。

表2　與JJ675/48-K型井架承載能力檢測工況相似的模型工況參數

3.2位移偏移量對比

偏移量數據如表3所示。

表3　JJ675/48-K型井架天車位移偏移量　mm

表3(續)　mm

表3數據表明：

1)井架承載過程中其頂端產生了最大值為62mm的前傾位移。

2)實測值與電算值相差最大值為36mm(為兩點偏差直線距離)。

3.3對比分析

應變片測試與有限元模型數據對比如表4所示。

表4　JJ675/48-K型井架應力測試數據與對比

表4數據表明：

1)第1次加載應力沒有完全釋放，數據不能作為參考數據。

2)各測試點應力值均未超過許用彎曲應力值Fb=0.6×Fy=0.6×345=207MPa。

3)由有限元模型得出的最薄弱處位于Ⅱ段前腿靠近滑輪處，但此處并未有應力片測試。由此得出最薄弱處主要集中在Ⅱ段及Ⅲ段前腿處。

4)有限元模型結果高于測試結果，但基本數據相同。

4結論

1)通過SAFI計算，所有工況UC值均小于1，即結構安全符合APISpec4F—2013要求。井架最大應力發生在井架前腿Ⅱ、Ⅲ段處。SAFI軟件分析與實際測試值基本一致，可以通過其準確地分析井架各工況下的受力情況。

2)通過對JJ675/48-K型井架進行6 750kN載荷的應力測試，同時結合有限元模型進行數據對比分析，驗證了有限元模型的準確性及井架設計的合理性。JJ675/48-K型井架滿足最大設計承載能力的要求。

3)根據SAFI有限元分析結果及應力與變形測試數據，可進行井架結構的優化設計。

參考文獻：

[1]李繼志，陳榮振.石油鉆采機械概論[M].東營：中國石油大學出版社，2006.

[2]潘浩，李佳玲，池勝，等.新型鉆機井架及底座設計模型[J].石油機械，2005(2)：21-23.

[3]User’sGuideSAFI7.0[K].SAFIQualitySoftware，2013.

[4]APISpecification4F—2013，SpecificationforDrillingandWellServicingStructures[S].

[5]AISC335—1989，SpecificationforStructuralSteelBuildings-AllowablestressDesignandPlasticDesign[S].

[6]李志剛，雍 軍.基于SAFI的海洋塔形井架的拖航計算分析[J].石油礦場機械，2011，40(5)：40-44.

[7]王昌榮.基于SAFI的70D海洋滑移鉆機抗傾覆和滑移設計[J].石油礦場機械，2013，42(7)：31-34.

[8]胡晶磊，祁秀芳.JJ675/48-K井架起身過程力學分析[J].石油礦場機械，2014，43(10)：97-99.

[9]許仁波，段晶晶，鄧荊江，等.K型井架有限元仿真分析及檢測方案優化[J].石油機械，2014，42(1)：14-17.

The Finite Element Simulation Analysis and Stress Testing Contrast for JJ675/48-K Mast

QIAO Changkui1，HAO Fengyu1，HUA Xiaotao2

(1.LanzhouLSPetroleumEquipmentEngineeringCo.，Ltd.，Lanzhou730314，China；2.BaohaiEquipmentLiaoheHearyIndustryCompany,Panjin124010,China)

Abstract：In terms of JJ675/48-K mast，a finite element model was established by means of SAFI.The design load was analyzed to ensure that it conformed to API 4F and AISC 335-89 and stress testing with 6 750 kN load was also performed on the mast.At the same time，the date were compared and analyzed by combining the finite element model which verified the accuracy of the finite element model and the reasonability of the mast design.

Keywords：mast；SAFI；finite element model；stress test；comparative analysis

文章編號：1001-3482(2016)06-0031-06

收稿日期：2015-10-28

作者簡介：喬長奎(1966-)，男，甘肅靈臺人，工程師，主要從事石油鉆機的機械設計及管理工作，1534579665@qq.com。

中圖分類號：TE923

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.007