海底鉆井用鐵鉆工機械臂的工作安全性分析

基金項目：國家自然科學基金項目“地面旋轉導向鉆井新方法及其控制機理”（51974035，U1262108，U1762214）；湖北省重點研發計劃項目“智能鉆井多維動力集成鉆具研發及應用”（2020BAB055）。

隨著石油勘探開采逐漸由陸地轉向海洋，淺海轉向深海、超深海，常規的陸地鐵鉆工已無法在深水海洋平臺直接應用。針對該問題，提出一種新型海底鉆井系統配套的鐵鉆工機械臂結構，運用數值仿真模擬的方法對鐵鉆工機械臂結構的強度、疲勞強度、剛度、穩定性、抗振性展開安全性分析。研究表明：海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構在危險姿態（伸出1.8 m）時的最大von Mises應力為195.45 MPa（小于許用應力［σ］=320 MPa），疲勞強度安全系數n=4.63（大于許用安全系數［n］=2.0）；危險姿態下機械臂結構的總彎曲剛度，x、y和z軸方向上的彎曲剛度分別為1.11×10¹⁰、1.62×10¹²、2.43×10¹³、7.34×10¹⁰ N·m²，符合機械臂結構的剛度要求；機械臂結構的屈曲臨界載荷P_cr=915.80 kN，為實際受載的45.79倍，滿足結構穩定性要求；隨機振動激勵作用下機械臂結構有68.23%的概率最大von Mises應力不超過179.77 MPa，滿足材料強度安全要求。研究結果驗證了新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂的結構設計安全可靠，可為海底鉆井用鐵鉆工機械臂的結構設計提供一定參考。

海底鉆井；鐵鉆工機械臂；危險姿態；結構強度；疲勞強度；安全性

Working Safety Analysis of Iron Roughneck Arm Used in Seabed Drilling

Qin Saibo^1，2 Yi Xianzhong^1，3 Zhang Xuwen⁴ Cai Xingxing⁴ Chen Zhixiang⁵ Wang Lijun⁶ Zhang Xiliang⁶

（1.School of Mechanical Engineering， Yangtze University; 2.Intelligent Oil and Gas Drilling and Production Equipment Enterprise-School Joint Innovation Center of Hubei Province; 3.Yancheng Xinyongjia Petroleum Machinery Manufacturing Co.， Ltd.; 4.Hubei Jianghan Petroleum Instrument amp; Meter Co.， Ltd.; 5.Yangzhou Huayuan Oil and Gas Technology Co.， Ltd.; 6. CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production Co.， Ltd.）

As the exploration and exploitation of petroleum gradually shift from land to ocean， from shallow sea to deep sea and then to ultra-deep sea， the conventional onshore iron roughnecks are unable to work directly on deepwater offshore platforms. To address this issue， a new type of iron roughneck arm structure supporting the seabed drilling system was proposed. The numerical simulation method was used for safety analysis on the strength， fatigue strength， stiffness， stability and vibration resistance of the iron roughneck arm structure. According to the research results， when the structure of the iron roughneck arm used in seabed drilling is in a dangerous posture （extending 1.8 m）， the maximum von Mises stress is 195.45 MPa （less than the allowable stress σ=320 MPa）， and the fatigue strength safety factor n=4.63 （greater than the allowable safety factor n=2.0）. The total flexural rigidity and the flexural rigidity in the x， y， and z directions of the iron roughneck arm structure are 1.11×10¹⁰， 1.62×10¹²， 2.43×10¹³ and 7.34×10¹⁰ N·m²， respectively， meeting the rigidity requirements of the iron roughneck arm structure. The critical buckling load of the iron roughneck arm structure P_cr=915.80 kN， which is 45.79 times the actual load， meeting the stability requirements of the structure. There is a 68.23% probability that the maximum von Mises stress of the iron roughneck arm structure does not exceed 179.77 MPa under random vibration excitation， meeting the material strength safety requirements. The research results have verified the safety and reliability of the designed structure of the new type of iron roughneck arm used in seabed drilling， and provide some reference for the structural design of it.

seabed drilling;iron roughneck arm; dangerous posture; structural strength; fatigue strength; safety

0 引 言

隨著全球深海鉆井技術的不斷進步^［1］，深海鉆井作業逐漸邁向超深水。但隨著鉆井深度的加深，海洋內部氣壓隨深度的加深而不斷增大，加上海洋內部環境復雜，使得進行深海鉆井作業越發困難，鉆井系統設備的安全面臨著巨大挑戰。鐵鉆工是石油鉆井自動化生產的關鍵井口機械化設備^［2］，它可以方便快捷地完成鉆具的上、卸扣和旋緊扣等動作，是一種非常重要的井口工具。在深水海洋平臺鉆井作業時，受海上作業空間、質量控制、風載過大等不利因素的制約，常規的陸地鐵鉆工無法在深水海洋平臺或海上鉆井船上直接應用。因此，開展海洋平臺用鐵鉆工的設計研究是一大趨勢。

目前，鐵鉆工共有2種類型，分別為伸縮臂式鐵鉆工和軌道式鐵鉆工。軌道式鐵鉆工是通過導軌進行傳送，而伸縮臂式鐵鉆工是用伸縮臂來完成傳送鉗頭的操作。由于海洋鉆井平臺的特點及環境要求，海洋平臺鐵鉆工主要是伸縮臂式。伸縮臂式鐵鉆工由支撐裝置、機械臂、鉗頭、液壓系統等構成，有質量輕、占地少等優勢。關于鐵鉆工，易先中等^［3］提出了一種新型軌道式鐵鉆工旋扣鉗，并通過ADAMS軟件證明了該旋扣鉗在旋扣過程中的接觸力和驅動力均在允許范圍內，以及結構設計的合理性。李洪波等^［4］研制出一種適用于?73.0～?247.7 mm鉆具的伸縮臂式鐵鉆工，具有定位精度高、動作連貫、操作靈活等特點。張浩等^［5］運用SolidWorks軟件對JSTZG-40型鐵鉆工伸縮臂機構的強度進行了分析，結果表明其在最大推力作用下仍處于安全范圍內。任紅偉^［6］針對深水海洋平臺研制了一種包括立柱箱體總成、伸縮臂、旋扣鉗、沖扣鉗等組成部分的適合深水海洋平臺的自動化鐵鉆工。裴峻峰等^［7］以鐵鉆工沖扣鉗殼體為研究對象，利用ANSYS Workbench有限元軟件對沖扣鉗殼體尺寸和零件尺寸進行輕量化設計和敏感度分析，為鐵鉆工沖扣鉗的設計提供了理論依據。閆文輝等^［8］以鉗牙花型與當量摩擦因數的關系為切入點，證明了鉗牙牙型角對當量摩擦因數影響最大，而牙頂倒角半徑的影響可以忽略不計。王定亞等^［9］對海洋鉆井平臺管柱堆場折臂式抓管機進行了結構設計和性能試驗，試驗結果表明該結構滿足管柱吊運機械及運動平穩要求。

國內鐵鉆工的研制開發工作正朝著性能優越的方向發展，因此，針對深水海洋鉆井市場的需求，開發出穩定性高和性能優良的鐵鉆工有重要意義。筆者結合深水海洋鉆井平臺和鉆井船的工作特點和環境要求，提出一種新型海底鉆井系統配套的鐵鉆工機械臂結構，利用數值仿真模擬的方法對新型鐵鉆工機械臂的結構強度、疲勞強度、剛度、穩定性、抗振性展開安全性分析。研究結果可為深水海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構的設計提供一定的參考。

1 鐵鉆工機械臂結構設計

1.1 總體設計

新型海底鉆井系統配套的鐵鉆工機械臂二維結構如圖1所示。機械臂機構包括前上臂、前下臂、后上臂、后下臂、前后臂連接板、后上臂連接板等部位。原有的陸地鐵鉆工機械臂結構件為方管，但隨著深海鉆井作業逐漸邁向超深海，海洋內部氣壓也隨之增大，加上海洋內部環境復雜，原有的陸地鐵鉆工機械臂結構極有可能在海底強水壓下發生結構變形，從而引發鉆井事故。因此，為保證機械臂式鐵鉆工的安全作業，應避免機械臂結構有空氣或空腔設計。將海底鐵鉆工機械臂方管結構改為工字結構，該結構不僅質量輕、占地少，而且穩定性更好。

1.2 工作原理

鐵鉆工機械臂部分用于將鉗體移動至指定的工作位置，并在鉗頭完成上卸扣工作后帶動鉗頭退回至待工作位置。鐵鉆工伸縮結構的前后臂均采用平行四邊形機構，可以保證結構簡單的同時提供較高的可靠性和穩定性。前上臂與前下臂組成平行四邊形機構，一端連接前后臂連接板，另一端連接基座。后上臂與后下臂也構成平行四邊形機構，一端連接鉗體支座，另一端連接前后臂連接板。前后臂之間的傳動通過前下臂與后上臂之間的連接桿完成。在鉗體伸展運動過程中，伸展油缸驅動平行四邊形機構運動，從而帶動鉗體沿水平方向運動^［10］REF_Ref149587902＼w＼h＼*MERGEFORMAT。機械臂運動簡圖如圖2所示。

2 模型建立及網格劃分

2.1 建模及網格劃分

利用SolidWorks軟件建立鐵鉆工機械臂三維模型，模型建立后將其導入到ANSYS軟件進行網格劃分。網格細化是提高有限元計算精度的有效途徑，但隨之而來的是計算效率、精度和計算時間的平衡，故需要選擇合適的網格尺寸和劃分方法來獲得盡可能理想的結果。應在保證計算效率的前提下選擇滿足計算精度的網格尺寸。通過采用不同網格尺寸的四面體劃分網格方法，得到網格尺寸與von Mises應力、變形量的關系圖（見圖3）。由圖3可知，隨著網格尺寸的減小，von Mises應力值和變形量的變化趨勢不大且逐漸趨于平穩。考慮計算精度和成本，最終選取網格尺寸為20 mm對鐵鉆工進行數值模擬分析。經四面體單元、網格尺寸為20 mm對機械臂進行網格劃分，模型單元數為174 532，節點數為440 136。

網格劃分完成后，需要評判網格質量好壞，網格質量與計算結果的精度有直接關系REF_Ref107927482＼r＼h＼*MERGEFORMAT。一般來說，網格質量主要看雅可比比率、單元質量、縱橫比等參數。對于合格網格，雅可比比率需大于1且越接近1網格質量越好。本研究網格形狀規則，平均雅可比比率為1.5862，表明網格質量良好。

2.2 邊界條件及加載方式

靜力平衡狀態下，鐵鉆工機械臂主要承受來自軸承對機械臂后上臂、后下臂的約束作用，對機械臂的后上、下臂軸孔采用圓柱面約束，忽略摩擦力對軸孔的影響?？紤]鐵鉆工機械臂自身重力的影響，對機械臂整體施加沿y軸方向的標準地球重力G，分別對機械臂前上臂和前下臂端部的鉗體處施加沿y軸方向的垂直力20 kN。機械臂結構材料為Q345，彈性模量為206 GPa，密度為7 850" kg/m³，抗拉強度為490 MPa，屈服強度為345 MPa。為了更好地研究鐵鉆工機械臂作業時的力學特性，主要對鐵鉆工機械臂在危險姿態（伸出1.8 m）進行數值模擬分析。

3 鐵鉆工機械臂安全性分析

隨著深海鉆井作業逐漸邁向超深水，超深水海底鉆井系統設備的工作環境、受力載荷也變得更為惡劣與復雜。而鐵鉆工機械臂是深海鉆井作業完成鉆桿上扣卸等作業的重要機械構件，其結構安全可靠是深海鉆井作業順利進行的重要前提。所以為確保深海鉆井作業的安全進行，對海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構危險姿態（伸出1.8 m）時的強度、疲勞強度、剛度、穩定性、抗振性展開安全性能分析顯得尤為重要。

3.1 機械臂結構強度分析

采用ANSYS Worbench中的靜態結構分析模塊對鐵鉆工機械臂結構的強度進行數值模擬仿真，以載荷邊界條件為結構預載荷對機械臂結構進行仿真分析。機械臂結構數值仿真分析結果如圖4所示。由圖4可知，機械臂結構在縮回姿態時的最大von Mises應力為84.417 MPa，應力集中主要出現在后下臂位置處。在危險姿態（伸出1.8 m）時的最大von Mises應力為195.45 MPa，應力集中主要出現在后上臂和后下臂位置處。與機械臂結構縮回姿態相比，危險姿態下機械臂結構的von Mises應力是縮回姿態下von Mises應力的2.3倍。

對于機械機構其靜強度應滿足以下要求：

式中：σ為許用應力，MPa；σ_max為最大Mises應力，MPa；σ_s為屈服強度，σ_s=345 MPa；n_s為安全因數，塑性材料n_s=1.5～2.0，脆性材料n_s=2.0～3.5，基于安全考慮取n_s=1.5^［11］。

由式（1）可得，機械臂結構的許用應力σ=230 MPa，而鐵鉆工機械臂結構在縮回姿態和危險姿態的最大von Mises應力皆小于許用應力，則該新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構滿足強度安全要求。

3.2 機械臂結構疲勞強度分析

隨著全球深海鉆井技術的不斷進步，鉆井系統設備的疲勞壽命不斷影響著鉆井作業的安全。鐵鉆工機械臂作為鉆井系統設備的重要部件，其本身作業次數頻繁，加上工作環境惡劣，使得機械臂結構容易產生疲勞失效與裂紋，甚至發生結構斷裂的現象，造成不可逆轉的鉆井事故。因此對機械臂結構進行疲勞強度分析十分有必要。

鐵鉆工機械臂結構用以下公式進行疲勞強度校核^［12-13］：

式中：σ_a為應力幅值，MPa；σ_m為平均應力，MPa；σ_min為最小Mises應力，MPa；σ_b為抗拉強度，MPa；K_σd為正應力下的疲勞強度降低系數，無量綱；σ_-1為等效對稱應力循環下的應力幅值，MPa；k_σ為疲勞缺口系數（有效應力集中系數），取k_σ=1.43；ε為尺寸系數，取ε=0.96；β為表面加工系數，取β=0.65；ψ_σ為平均應力影響系數；n為零件疲勞安全系數；［n］為許用疲勞安全系數。

由式（3）～式（8）聯立可得危險姿態下新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂作業時的疲勞強度安全系數n=4.63。而在文獻［12］中疲勞許用安全系數值取決于力和應力的計算可靠性、材料的均勻性、零件的制造工藝水平和其他因素。當廣泛采用試驗數據來確定載荷、應力和疲勞強度特性，且材料均勻和工藝質量高時，取［n］=1.3～1.5。

當載荷和強度的試驗資料不完整，實際疲勞試驗數據不多時，取［n］=1.5～2.0?；诎踩紤]取許用疲勞安全系數［n］=2.0。而新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂在危險姿態時的疲勞強度安全系數n=4.63（大于許用安全系數［n］=2.0），說明新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構滿足疲勞強度安全要求。

3.3 機械臂結構剛度分析

鐵鉆工機械臂在深海鉆井平臺作業時不僅要有足夠的強度，還要有足夠的剛度。若機械臂結構的撓度過大將影響鉆桿上扣卸等作業順利進行，且在撓度過大位置處容易發生彎曲疲勞失效，嚴重影響機械臂的結構安全。鐵鉆工機械臂在危險姿態時可近似看成一懸臂梁（見圖5），根據材料力學^［11］，危險姿態下機械臂結構的彎曲剛度計算方法為：

式中：F為施加在機械臂上的垂向載荷，N；ω_max為施加垂向載荷F后得到的最大撓度，m；l為機械臂結構長度，m；EI為機械臂的彎曲剛度，N·mm²。

圖6為危險姿態下機械臂結構在靜態結構分析下的不同方向的變形云圖。由圖6可知，危險姿態下機械臂結構的最大總變形量L=3.5 mm，出現在前上臂和前下臂端部鉗體位置。x軸方向上的最大變形量L_x=0.024 mm，出現在連接板位置處。y軸方向上的最大變形量L_y=0.001 6 mm，出現在后上臂和后下臂位置。z軸方向上的最大變形量L_z=0.53 mm，出現在前下臂端部鉗體位置。由式（9）可得危險姿態下機械臂結構在深水海底作業時的總彎曲剛度，x、y和z軸方向上的彎曲剛度分別為1.11×10¹⁰ 、1.62×10¹² 、2.43×10¹³ 、7.34×10¹⁰ N·m²，符合機械臂結構的剛度要求。這說明新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構的設計可靠有效。

3.4 機械臂結構模態分析

模態分析作為動力學分析中的一種方法，常用于分析結構的固有頻率和振型。在受力比較復雜的梁類結構中（如機械臂、吊車梁等）由于其工作特點，需要有效避免產生共振和自激振蕩。鐵鉆工機械臂作業時，由于機械臂在吊起重物及進行回轉時會產生一定的沖擊載荷，導致機械臂產生振動。當沖擊載荷引起的振動頻率達到了機械臂的固有頻率時會引起共振，嚴重時會導致機械臂出現折斷等事故^［14-15］。

因此需要對機械臂結構進行模態分析以確定其固有頻率和振型，為鐵鉆工機械臂結構的減振提供一定的理論基礎。

由于鐵鉆工機械臂的振動主要是受到低階模態的影響，綜合考慮機械臂結構的工作特點及振動原理等因素，對機械臂的高階模態不再進行分析計算。提取機械臂結構前6階模態變形云圖以及頻率與振型特征，如圖7和表1所示。

由圖7和表1可知，機械臂結構的第1、2、5、6階模態振型主要表現為彎曲變形，第3、4階模態振型表現為彎曲和扭轉變形。鐵鉆工機械臂作業時主要是在前上臂和前下臂端部產生大的變形，若外界激勵與機械臂結構的固有頻率相近時，容易在該薄弱位置發生彎曲或扭轉變形。因此在設計機械臂結構時應注意加強前上臂和前下臂的結構強度以減小振動變形。

3.5 機械臂結構屈曲穩定性分析

鐵鉆工機械臂作為海洋鉆井平臺鉆井系統作業時的關鍵部件，是主要的傳力、受力構件，在設計時除了應該滿足強度、剛度要求，機械臂結構還應在外力作用下保持穩定性。機械臂結構的穩定性是整個鐵鉆工結構穩定的基礎，對鉆井系統的安全性和運行可靠性起著決定性的作用^［16-17］。

機械臂結構穩定性分析即特征值屈曲分析。特征值屈曲分析是用于確定機械結構開始變得不穩定的臨界屈曲載荷和屈曲模態的分析方法，用于預測一個理想結構的理論屈曲強度，其通用數學模型為：

式中：K為剛度矩陣；S為應力剛度矩陣；ψ為位移特征矢量；λ為特征值；P為零件實際載荷；P_cr為屈曲臨界載荷。

采用ANSYS Worbench中的特征值屈曲分析模塊對鐵鉆工機械臂結構的穩定性進行數值仿真，以機械臂結構靜力分析結果為基礎，以載荷邊界條件為結構預載荷，對機械臂結構進行線性特征值分析，計算得到機械臂結構前6階屈曲模態云圖如圖8所示。

根據臨界屈曲載荷計算方法，只需要將施加的單位載荷乘以載荷因子（屈曲特征值）即可得到零件結構發生屈曲失穩時的最大臨界載荷。因為低階屈曲通常發生于高階模態之后，1階屈曲模態和特征值更能反映結構的失穩特征^［18-19］。由圖9中的1階屈曲模態可知，新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂在前上臂和前下臂位置處的結構穩定性偏弱。由表2可知，機械臂結構在深水海底鉆井作業時的屈曲臨界載荷P_cr=915.80 kN，為機械臂結構實際受載的45.79倍，表明新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂作業時處于穩定狀態，不存在結構失穩的現象，滿足結構穩定性安全要求。

3.6 機械臂結構抗振動性分析

鐵鉆工機械臂結構在深水海洋鉆井平臺、鉆井船上經常受風載、波浪力等隨機激勵作用，準確評估機械臂結構在隨機激勵下的振動響應，對提高鐵鉆工機械臂結構的安全性和可靠度具有重要意義。功率譜是隨機激勵的一種常用的描述方法^［20-21］。隨機振動條件一般以功率譜密度的形式呈現，即以功率譜密度表征復雜的隨機振動激勵。

采用ANSYS Workbench中的隨機振動分析模塊對新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構的抗振性進行數值仿真。由于深水海底鉆井系統配套的鐵鉆工機械臂受力較為復雜，且缺少相關機械臂結構的振動試驗，隨機振動分析中參考曹賓等^［22］的隨機振動激勵載荷，輸入的激勵為位移功率譜密度G_d（f），見表3。

機械臂結構隨機振動分析結果如圖9所示。由圖9可知，機械臂結構有68.23%的概率最大von Mises應力不超過179.77 MPa，發生在后下臂與連接板相連位置處，小于材料的屈服強度345 MPa，材料強度存在富余，滿足強度安全要求。機械臂結構在x軸方向的變形有68.23%的概率不超過0.061 mm，發生在后下臂中間位置處。在y方向的變形有68.269%的概率不超過0.95 mm，發生在機械臂的前上臂和前下臂位置處。在z方向的變形有68.23%的概率不超過0.53 mm，發生在機械臂的連接板位置處。

4 結 論

（1）新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構在危險姿態（伸出1.8 m）下的最大von Mises應力為195.45 MPa，疲勞強度安全系數n=4.63，滿足結構強度和疲勞強度安全要求。危險姿態下機械臂結構在深水海底作業時總彎曲剛度，x、y和z軸方向上的彎曲剛度分別為1.11×10¹⁰ 、1.62×10¹² 、2.43×10¹³ 、7.34×10¹⁰ N·m²，符合機械臂結構的剛度要求。

（2）新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構在深水海底鉆井作業時的屈曲臨界載荷P_cr為實際受載的45.79倍，表明海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構作業時處于穩定狀態，不存在結構失穩的現象。

（3）隨機振動激勵載荷作用下機械臂結構有68.269%的概率最大應力不超過179.77 MPa，發生在后下臂與連接板相連位置處，滿足材料強度安全要求。

（4）通過數值仿真模擬的方法，驗證了新型海底鉆井用鐵鉆工機械臂結構的強度、疲勞強度、剛度、模態、屈曲穩定性和抗振性均滿足結構的合理性和安全性能要求，可為深水海底鉆井用鐵鉆工機械臂的結構設計提供參考。

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第一作者簡介：秦賽博，生于1996年，在讀碩士研究生，研究方向為油氣鉆采機械及其智能化。地址：（434023）湖北省荊州市荊州區。電話：（0716）8062600。email：2582957770@qq.com。

通信作者：易先中，教授。email：yxz@yangtzeu.edu. cn。