基于有限元方法的井架承載力安全評(píng)定

劉漢光，張士超，吳奇兵，饒 茜

井架是石油鉆修機(jī)起升設(shè)備的重要組成部分之一，其桿件多，受力情況復(fù)雜，在油田作業(yè)中使用頻繁。海洋修井機(jī)井架作業(yè)環(huán)境惡劣、作業(yè)難度較大、作業(yè)強(qiáng)度高，因此對(duì)其進(jìn)行承載能力評(píng)定尤為重要[1-2]。W平臺(tái)修井機(jī)井架已服役近15年，隨著服役時(shí)間的延長，設(shè)備逐漸老化，在不同程度上削弱了結(jié)構(gòu)的承載能力，增大了井架結(jié)構(gòu)服役期間失效的可能性。為評(píng)估W平臺(tái)修井機(jī)井架安全狀況及作業(yè)能力，在進(jìn)行現(xiàn)場結(jié)構(gòu)測(cè)量和腐蝕檢測(cè)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，得出井架的應(yīng)力分布規(guī)律，計(jì)算其現(xiàn)有承載能力，并結(jié)合修井作業(yè)的實(shí)際條件和狀況，得出合理的安全評(píng)定結(jié)論。

1　有限元模型建立

1.1　井架概況

W平臺(tái)修井機(jī)井架設(shè)計(jì)最大鉤載1 580 kN，為直立無繃?yán)K伸縮式K型井架。井架分為上體、下體、人字架3部分，整個(gè)井架結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱。其井架結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

對(duì)于有限元分析計(jì)算，在建立幾何模型時(shí)必須明確井架結(jié)構(gòu)的主要尺寸，總體尺寸見表1。

該井架主要使用了兩種型鋼：H型鋼、矩型鋼。鑒于W平臺(tái)井架長期承受海洋環(huán)境腐蝕等因素的影響，各桿件壁厚減薄是不可避免的。通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)以及部分圖紙資料，確定了修井機(jī)井架總體結(jié)構(gòu)尺寸以及桿件的截面參數(shù)，數(shù)據(jù)見表2。

1.2　有限元模型的建立

井架結(jié)構(gòu)桿件繁多，受力復(fù)雜。為減少計(jì)算成本，在建立井架有限元模型時(shí)按照以下幾點(diǎn)進(jìn)行簡化，建立出滿足精度要求的簡化力學(xué)模型[3-4]。

表2　井架桿件截面尺寸

1）井架本體為三維剛架結(jié)構(gòu)，桿件多為壓彎桿件，因此將井架簡化為三維空間剛架結(jié)構(gòu)，采用三維線性梁B31單元。

2）井架上下體在工作時(shí)連接可靠，不發(fā)生相互竄動(dòng)現(xiàn)象，簡化為耦合約束。

3）由于天車、二層臺(tái)等井架附屬結(jié)構(gòu)對(duì)井架整體的剛度影響不大，建模時(shí)可忽略。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測(cè)的井架尺寸，結(jié)合簡化原理建立井架三維有限元模型，模型共計(jì)劃分2 369個(gè)單元。

1.3　材料參數(shù)

該井架用鋼為Q345，相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)見表3。

表3　Q345鋼力學(xué)性能參數(shù)

1.4　邊界條件及載荷施加

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研及設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)井架人字架大腿與鉆臺(tái)剛性連接，而鉆臺(tái)剛性很大，因此認(rèn)為井架底端為固支約束。井架上下體之間通過銷軸聯(lián)接傳遞載荷，在有限元模型中通過井架橫桿間的節(jié)點(diǎn)耦合模擬傳遞此作用力。

該井架設(shè)計(jì)最大鉤載為1 500 kN。在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，將該井架最大鉤載與井架自重組合計(jì)算。最大鉤載平均分配到井架頂部的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上，即在井架頂部4個(gè)節(jié)點(diǎn)上，分別沿Y軸施加-375 kN集中力，同時(shí)對(duì)井架整體施加重力載荷。邊界條件及載荷施加見圖2。

圖2　井架有限元模型邊界條件及加載示意圖

2　有限元模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，利用現(xiàn)場應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正有限元模型[5-6]。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)，采用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集[7-8]。結(jié)合有限元分析結(jié)論合理布置應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。測(cè)試進(jìn)行3次，每次載荷取值為：30 kN（儀器調(diào)零）、80 kN、160 kN、240 kN、320 kN、400 kN。得出各載荷作用下的應(yīng)力值，通過曲線擬合得到各測(cè)點(diǎn)在設(shè)計(jì)最大鉤載1 500 kN載荷時(shí)的應(yīng)力值。

對(duì)井架有限元模型依次施加試驗(yàn)載荷，分析得到井架模擬應(yīng)力值，與應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果見圖3。

圖3　井架某測(cè)點(diǎn)有限元分析與應(yīng)力測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖3可以看出，建立的修井機(jī)井架模型承載力測(cè)試數(shù)據(jù)與現(xiàn)場應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)相差很小，說明該有限元模型滿足對(duì)井架分析的要求，模擬數(shù)據(jù)可以作為井架研究的參考依據(jù)。

3　結(jié)構(gòu)受力分析

3.1　最大鉤載

最大鉤載工況是API標(biāo)準(zhǔn)[9]及國家標(biāo)準(zhǔn)定義的井架極限承受載荷狀況，理論上也是最危險(xiǎn)的一種工況。檢驗(yàn)井架承載能力必須考察井架在最大鉤載工況下桿件的應(yīng)力與位移情況。通過修正的有限元模型進(jìn)行最大鉤載工況模擬分析，其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與位移計(jì)算結(jié)果見圖4。

由最大鉤載工況下的應(yīng)力分析結(jié)果可得，井架主桿應(yīng)力較大，橫撐和斜撐的應(yīng)力情況均較小，這與主桿為井架主要承載桿件的事實(shí)相符。通過比較各節(jié)主桿受力情況，井架前主桿及二層臺(tái)上下段連接處主桿受力較大。

按我國海洋石油標(biāo)準(zhǔn)及API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：海上鋼結(jié)構(gòu)材料最低屈服強(qiáng)度與承受設(shè)計(jì)計(jì)算最大值時(shí)的構(gòu)件最大應(yīng)力之比不得小于1.67，得到井架的許用應(yīng)力[σ]＝345÷1.67=206.59 MPa。由圖4可見：井架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為252.20 MPa＞206.59 MPa。可見W平臺(tái)修井機(jī)井架經(jīng)過多年的使用與腐蝕，其承載能力下降較快，目前已不能滿足最大鉤載下的作業(yè)要求。

圖4　井架在自重及最大鉤載作用下的應(yīng)力云圖

由位移分布圖4（b）可見，井架整體上段位移相對(duì)下段位移大，最大位移處發(fā)生在井架二層臺(tái)之上第二節(jié)前主桿，位移值56.5 mm。井架上段桿件剛度小，且結(jié)構(gòu)形式為前開口式，導(dǎo)致桿件活動(dòng)自由，而由于井架底部受到約束，側(cè)向變形小。

3.2　模態(tài)分析

在井架進(jìn)行修井作業(yè)起下鉆過程中，尤其是在處理事故時(shí)使用大噸位載荷時(shí)，井架所受到的沖擊力會(huì)使其產(chǎn)生劇烈振動(dòng)[10-11]。為分析出井架的振動(dòng)特性，可采用ABAQUS模態(tài)分析。由于井架結(jié)構(gòu)剛度較大，因此其振動(dòng)頻率低，故分析其前8階振動(dòng)固有頻率和振型即可。前8階振動(dòng)振型和固有頻率分別見圖5和表4。

圖5　井架前8階模態(tài)振型圖

由表4可見：井架的固有頻率較低。在設(shè)計(jì)及使用修井機(jī)其他機(jī)械設(shè)備時(shí)，盡量避免與井架固有頻率相同或相近，以免發(fā)生共振對(duì)井架結(jié)構(gòu)造成影響。

3.3　穩(wěn)定性分析

井架結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件以壓彎為主，要保證井架安全工作，不但要滿足強(qiáng)度及剛度要求，穩(wěn)定性亦很重要。尤其遇到井架安裝后井架不平齊或大鉤不對(duì)中等狀況時(shí)，使得井架受力偏心，井架受彎曲作用明顯，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題尤為突出。進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可以應(yīng)用ABAQUS進(jìn)行線性屈曲分析，得到該井架的極限載荷，將該臨界載荷作為非線性穩(wěn)定性分析的參考值[12]。通過有限元計(jì)算，提取前5階屈曲模態(tài)如表5所示。

分析表明：井架一階失穩(wěn)時(shí)承受的鉤載為5 631.30 kN，遠(yuǎn)大于該井架的額定鉤載，說明井架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，在額定載荷作用下不會(huì)失穩(wěn)破壞。

3.4　局部應(yīng)力分析

通過井架外觀檢查以及井架各桿件截面尺寸測(cè)量可以看出：井架結(jié)構(gòu)整體銹蝕較嚴(yán)重，外觀檢查標(biāo)記銹蝕部位78處。修井機(jī)井架橫撐及斜撐存在大量銹蝕，通過超聲波測(cè)厚，井架因銹蝕導(dǎo)致主要桿件減薄量最大為1.7 mm，有10處銹蝕穿孔。

表4　井架前8階固有頻率

表5　井架前5階屈曲模態(tài)

為分析桿件穿孔對(duì)桿件受力狀態(tài)的影響，選取某帶穿孔橫撐，對(duì)比腐蝕穿孔前后桿件受力情況。

由圖6可見，在桿件正常狀態(tài)下應(yīng)力分布均勻，等效應(yīng)力為25.78 MPa。當(dāng)受到腐蝕穿孔后，桿件有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)的最大應(yīng)力為44.22 MPa，可見穿孔對(duì)桿件受力不利影響很大，在對(duì)井架做安全評(píng)定時(shí)要格外關(guān)注，穿孔位置同樣是加固修復(fù)的重點(diǎn)關(guān)注部位。

圖6　某橫撐正常狀態(tài)應(yīng)力云圖

4　結(jié)論

1）由最大鉤載工況下的應(yīng)力分析結(jié)果可得，井架主桿應(yīng)力較大，橫撐和斜撐的應(yīng)力情況均較小，井架結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力為252.20 MPa＞206.59 MPa。W平臺(tái)修井機(jī)井架經(jīng)過多年的使用與腐蝕，其承載能力下降較快，目前已不能滿足設(shè)計(jì)最大鉤載下的作業(yè)要求。

2）通過模態(tài)分析可以得出，井架的固有頻率較低，在設(shè)計(jì)和使用修井機(jī)其他設(shè)備時(shí)，要避免與井架固有頻率相同或相近，以免發(fā)生共振。

3）井架一階失穩(wěn)時(shí)承受的鉤載為5 631.30 kN，遠(yuǎn)大于井架額定鉤載。說明該井架的穩(wěn)定性好，井架發(fā)生破壞時(shí)因?yàn)閺?qiáng)度不夠，而非整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4）當(dāng)桿件受到腐蝕有穿孔后，桿件有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在對(duì)井架做安全評(píng)定時(shí)要格外關(guān)注，穿孔位置同樣是加固修復(fù)的重點(diǎn)部位。

5）有限元分析可以得出井架詳細(xì)的受力狀態(tài)，優(yōu)勢(shì)明顯。但有限元模型需要結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)力測(cè)試等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，提高其準(zhǔn)確程度，分析結(jié)論才會(huì)更加符合實(shí)際狀態(tài)。

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