（机械工程专业论文）钻机井架的寿命评估.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 钻机井架的寿命评估 机械工程 王晗阳( 签名) 届文涛( 签名) 杨云霞( 签名) 摘要 在石油和天然气的勘探开发中，钻井工作的发展占有非常重要的位置，是进行石油 勘探的主要方法之一。钻井井架是石油工程的重要设备，这些设备在野外经受各种气候 变化，在工作过程中长期承受变化的载荷，经过多年的使用，逐渐产生了腐蚀、变形、 疲劳、裂纹以及其它局部或整体的变形等缺陷与故障，使用性能已达不到设计要求，继 续使用会成为钻井作业的重大事故隐患。而目前通常对钻机井架进行的检验只针对井架 当前的承载能力，不能对井架的使用寿命进行准确的评估，造成井架的检测频率较高， 增加了检测成本，并在一定程度上影响了生产进度。 本课题的研究目的就是为了解决上述存在的问题，准确预测井架的使用寿命，从而 达到在役钻井设备的安全使用，杜绝安全事故，增加油田生产工作的合理性与科学性。 本文详细介绍了钻机井架寿命评估方法的研究过程和研究成果。 钻机井架寿命评估方法是首先根据井架结构特点与各项结构参数，建立井架有限元 模型，按不同工况对井架应力状况进行分析，对组成井架的所有构件进行强度校核，找 出井架上最危险部件。再运用井架有限元模型对井架受腐蚀程度的影响进行分析，在其 基础上获得井架杆件强度校核与腐蚀程度的关系曲线。还要通过井架有限元模型对井架 在承载状态下的位移进行分析，获得井架位移受腐蚀影响的历年曲线。最后对井架进行 现场应力检测和位移检测，将获得的各杆件实际强度校核结果和位移数值与分析获得的 曲线进行比对，最终得到井架的寿命结论。通过本方法对钻机井架进行寿命评估可以较 准确得出井架的预期寿命，有效安排日后的工作，降低生产和检测成本。 本文介绍的车载钻机井架寿命评估方法具有以下特点和创新： 首次综合考虑强度、腐蚀、位移等因素对寿命的影响，对井架设计、检验的可靠性 有很大提升； 将理论模型的建立与现场检验有效地结合，验证了理论模型的正确性。 关键词：钻机井架寿命评估井架模型 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：l i f ea p p r a i s a l o f d r i i l i n gi b g d e r r i c k s s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gh a n y 柚g ( s i g n a t u 弛挚簪监牲 i n s t 川c t o r ：q uw e n t a o ( s i g n a t u r e 丝竺型丛兰竺 y 釉gy 帅x i a ( s i g n a t u r e ) f 丛gi 函x i4 a b s t ra c t i i lt h eo i la n dg 弱e x p l o r a t i o na 1 1 de n v e l o p m e m ，t h ed 钾e l o p m e n to ft h ed r i l l i n gw o r k o c c u p i e dav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o i l i sc 和e do u tb yo n eo ft h em a i nm e t h o d so fe ) 【p 1 0 r a t i o n d r i l l i n gr i gd e r r i c k si si m p o n a n tp 朗o l e u me n g i n e e r i n ge q u i p m e mi nt h ef i e l dt o 谢t h s t a l l da v a r i e t yo f c l i m a t ec h a n g e i i l t h ec o u r s eo f 、阳r k 咖d e rl o n g - t 咖c h a n g ei nt h el o a d ，i tr e s u l t e d i nt h e 伊a d u a le r o s i o i l d e f o m a t i o l l ，f i a t i g u ea n dc r a c k t h eu s eo fp e r f 0 m a n c ec o u l dn o tr e a c h t l l ed e s i g nr e q u i r e m e n t s c o n t i n u et ou t h ed e 而c k sw i l lb em a j o rp o t e n t i a lc 肌s e so f a c c i d e n t s a tp r e s e n t ，t h ed e t e c t i n gt 0d 丽c k si su s u a l l ya b o u tt h ec u r r e n tc a l l 哆i n gc a p a c i t y ， n o tf o r t h el i f eo fd e r r i c l 【s 触ar e s u l t i tc a u s e dt l l eh i 曲- 舶q u e n c y na l s oi n c r e a s e dt h ec o s t o f t e s t i n ga n da f l e c t e dt h ep i o g r e s so f t h ep r o d u c t i o n t h ep u 叩o o ft h i ss t u d yi s 跚b j e c tt 0a d d r e s st h e s ep r o b l e m s h lo r d e rt 0r e a c ht h e s e r v i c ei nt h es a f - eu s eo ft h ed 硎c k st op r e v e n ta c c i d e n t s 锄di n c 嗽s et i l ep r o d u c t i o no fo i l f i e l dw o r kt l l i sp a p e rd e s c r i b e st l l ed r i l l i n gr i gd e 币c k 弱s e s s m e mo ft h el i f ec o u r s eo ft h e s t u d ya n dr e s e a r c h d e r r i c ki i f e 印p r a i s a li sf i r s tb a s e do nd e r t i c ks t m c t l j r ea j l dc h a r a c t 甜s t i c so ft h es t m c t l 盯e p a r a m e t e r st oe s t a b l i s h m e mt h ed e r t i c kf e mm o d e l 加1 a l y z i n gt h ed e m c k ss t r e s si nd i f f e r e m o p e r 撕o n s c h e c l ( i n gt h es t r e n 垂ho fa l lc o m p o n e n t s 觚df i n d i i 玛t h em o s td 觚g e r o u sp a r t s t o a m a l y s e st t l ei m p a c to fc o n 0 s i o nb yu s i n gt h ef e m m o d e l 1 1 1 e nw ec a ng e tt h ec u r v eo f s t r e n 舀hw i t hc o n 0 s i o n 舢s o 锄a l y z i n gd i s p l a c ei nt h es t a t eo f l o a db yu s i n gt h ed e 币c km o d e l t 0g e tt h et i m ec u r v eo fd i s p l a c e m e m 诵t hc o n d s i o n s e c o n d e d ，d 鲫e c t i n gt h es c r e s sa 1 1 d d i s p l a c e m e mo n - s i t e t l l ed e t e c t i o nr e s u l t 诵1 1b ec o m p 砌w i t ht h ec u e f i n a l l y ，d 嘶c k s l i f ew 弱u h i m a t ec o n c l u s i o n t l l r o u 曲t h i sm e t h o d ，t 量l ed e 币c k sl i f ei sa c c u r a t e l y ，t h e 矗n u r e w o r ki se f i b c t i v e 彻g e m e n t ，t h ec o s to fp r o d u 面o na n dt e s t i n gi sr e d u c e d t h i sa n i c l ed e s 函b e st h el i f eo fd r i l l i n g 堍d e 仃i c k s i ti sc h a r a c t e r i z e d b yt h ef o l l o w i n g m e t h o d so fa s s e s s m e n ta l l di n n o v a t i o n ： 。 f o rt h ef i r s tt i m et 0c 0 n s i d e rac o n l p r e h e n s i v es t r e n g 饥c o r r o s i o 玛d i s p l a c e m e n t ，a n d o t h e rf 犯o r so nl i f e ，i n c r e a s i n gt h el e v e lo ft h ed e r r i c kd e s i g n e da n dt e s t i n g ； c o m b i n a t i o nt h et h e o 巧m o d e lw i t ho n - s i t ei n s p e c t i o i l v 耐匆t h ec o r r e c t i o no ft h et h e o 巧 m o d e l 。 k e yw o r d s ：硒gd e r r i c l s l i f ea p p r a i s a ld e r r i c km o d e l t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：至丛! 旦 日期： 扫。矛勿罗 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：王趱 9 _日期：力面肜谬 导师签名： 日期：一! ： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 随着石油工业的不断发展，对钻探工作的需求不断提高，更新井架的速度无法跟上 行业的快速发展，因此在当前各大油田普遍存在着大量陈旧损伤钻机。为了避免服役钻 井设备在正常作业中发生严重问题，造成重大的人员和财产损失，必须对在用设备进行 检测和评价。集团公司资质管理委员会已经在中国石油天然气集团公司石油工程技术 服务施工作业队伍资质评估管理办法( 中油资质办字 2 0 0 6 2 号) 中将在役钻、修井设 备的安全评价作为施工队伍资质评估的重点内容。其中钻机井架检测是资质评估的重点 工作，但当前井架检测重点只针对井架承载能力，无法有效的全面评价井架的性能，更 无法准确的得出井架的寿命。为了更好的完成集团公司的任务，进一步提升检测能力， 开展了此项目的研究。 本课题是石油工业井下工具质量监督检验中心为解决日常检验中的难题，提高检验 水平而进行的科研项目，得到了中油集团渤海钻探工程有限公司钻井工艺研究院和渤海 钻探工程有限公司安全监督处的大力支持。 本课题的研究目标是建立一个能充分考虑对井架寿命有影响的各方因素，并找到一 种便于进行现场检测的井架寿命评估方法，通过这种井架寿命评估办法可以从井架的内 在因素和外部表现两个方面来评定井架，以获得关于井架寿命的精确结论。 这种井架寿命评估方法建立后，可以有效的分析国内钻井井架的寿命，减小事故发 生机率，为科学生产提供依据，合理安排井架日后的检验项目和检验周期，可带来可观 的经济和社会效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外现状 为了能对井架进行科学、准确、安全的检测评估，国外先后成立了专门的技术检测 机构。如总部地址设在荷兰t h e r l a n d s 的m o d u s p e c 公司是世界上著名的石油设备检测 公司，它在新加坡、马来西亚、澳大利亚、加拿大、美国、巴西等国都设有分部，其业 务包括石油设备检测评估、技术服务等。 美国石油学会也制定了相应的规范或推荐作法，如： a p ir p7 l 钻井设备的检验、维护、修理和修复 a p is p e c8 b 提升设备的检验、维护、修理和修复程序 国外检测重点是针对设备的完整性，主要进行设备的无损检测，进行了大量的井架 结构损伤识别研究，通过井架损伤程度来判定井架使用时间。任何井架都可看成由刚度、 质量、阻尼矩阵组成的力学系统，结构一旦出现损伤，结构参数也随之发生改变，从而 导致系统的频响参数和模态参数发生改变，结构的模态参数的改变可作为井架寿命的标 西安石油大学硕士学位论文 志。对于石油井架结构，检测技术可分为静态检测法和动态监测法，静态检测法是对井 架结构进行静态试验，测量与结构性能有关的静力参数，如变形、挠度、应变、裂缝等， 通过这些参数分析，可直接判断井架的承载能力，并得出结构的强度、刚度及抗裂性能， 并推算出井架寿命。动态检测方法是对井架结构进行动力载荷试验，得出井架结构的动 力性能，动力性能是判断在用石油井架使用情况和承载能力的依据。 近年来国外提出了很多井架结构整体检测方法，从研究和应用角度来看，这些方法 大致可分为井架模型修正法和指纹分析法。井架模型分析修正法是在日常监测中把井架 结构的振动反应记录与井架模型计算结果进行综合比较，利用直接和间接测量获得的模 型参数、加速度时程记录、频率响应函数等，通过条件优化约束，不断修正井架模型结 构的刚度分布，从而得到井架结构刚度变化的信息，实现井架结构损伤识别和定位。这 种方法在划分和处理子结构上具有很多优点，但由于测试模态集不完备、测试自由度不 足及测试信噪比较高的原因，很少能给出修正所需的足够信息，容易导致解的不唯一。 针对这些问题，一方面可以考虑利用动边界条件进行子结构模态修正以减少未知数的方 法；另一方面可以通过良态建模、合理划分子结构以及最忧测点布置来获取最大信息量 进行解决，目前该方法仍在研究中。 井架结构整体检测方法的另一种类是指纹分析法，即寻找与井架动力特性相关的动 力指纹，通过这种指纹的变化来判断井架结构的实际状态，进行损伤识别。通常用到的 动力指纹有固有频率、振动形态、位移模态柔度矩阵、应变模态曲率模态、功率谱、 模态保证标准等。大量的模型和实际结构试验表明：井架结构损伤导致的固有频率变化 较小，而振型( 尤其是高阶振型) 对局部刚度变化比较敏感，但精确测量比较困难，其 它依赖振型的动力指纹都遇到同样的问题。振动曲率、应变模态则在传统的低幅值振动 测试中变化量量级过小，难以起到有效的判别作用。这类方法成功应用将有待于寻找新 的动力指纹。 在2 0 世纪7 0 年代，国外开始研究井架结构自振频率和井架损伤的关系，到八十年 代中期，提出了一种确定损伤位置并估计其损伤程度的方法，损伤位置是通过实测自振 频率来测定的。利用单元损伤系数推出“频率变化平方比一是结构损伤程度和位置的函 数，只要通过试验测试出其一系列频率和振型，利用该系数就能得出井架结构的损伤程 度和损伤的大致区域，获得井架当前工作状况。 国外还从统计学的角度提出了井架工作状态的判断分析方法，将每一个可能对井架 寿命产生影响的损伤状态定义为一个随机整体，通过比较每个样本到每一个总体的距离 来判定样本与那个整体最靠近，从而对井架当前状况进行判断，避免了确定损伤单元时 的主官判断，减少了误判风险。 还有文献将井架结构的变化看作是对完好结构参数的摄动，从概率的角度进行井架 状态识别，使井架状态识别更科学、更具有实际意义。 2 第一章绪论 利用井架结构位移模态试验和应变模态试验参数和神经网络方法对井架结构损伤定 位和定量辨识也在开展。为了获得对井架结构更加敏感的结构识别指标，在分析现有识 别指标的基础上，提出了用于神经网络方法的六种基于结构模态试验参数的井架识别指 标，并对它们进行了实例识别和比较研究。他们均能对井架结构的损伤进行预报，其中 应变类型的损伤识别指标对井架结构损伤的敏感度比位移类型的识别指标高。 国外有学者通过井架结构损伤前后柔度矩阵的改变，对井架进行了损伤诊断研究。 数值模拟结果表明，当井架结构损伤位置较少时，该方法不仅能探测结构损伤的出现和 位置，还能对损伤的程度作出大概的判断。利用试验获得的一阶模态参数，提出了一种 桁架结构损伤识别的柔度方法，井架结构损伤后引起柔度阵发生改变，从结构振动特征 方程出发，对柔度矩阵作关于结构物理参数变化量的一阶泰勒展开，可以确定结构物理 参数的变化量，识别井架结构损伤部位和损伤程度。利用测量稳态柔度矩阵来识别井架 结构损伤，利用柔度矩阵进行模型修正的方法确定井架结构的损伤位置和程度，其前提 是建立井架结构的有限元分析模型。 还有基于应变能的井架结构缺陷识别办法，首先采用有限元方法分析井架缺陷位置 及深度对井架结构固有频率的影响，绘制固有频率的改变量随缺陷位置的变化曲线，并 将该曲线与有限元分析获得的模态应变能分布曲线及应变模态振型进行对比分析，然后 利用井架结构的固有频率的改变对井架缺陷的位置进行识别，分析不同的单元划分和不 同的模态阶数对缺陷位置识别的影响，判定缺陷对井架寿命的影响。 国外有文献推导出关于井架结构应变的一阶变分关系，从中揭示出井架结构损伤定 位的合理方法，并发现用于井架损伤定位的物理量必须是局域量，且需满足两个基本条 件：1 ) 对井架局部损伤敏感；2 ) 是位置坐标的单调函数。对于井架模态，在局部损伤 位置应变模态差有明显的峰值，且峰值的大小随井架损伤程度的增加而增加，因此基于 井架应变模态差值可以进行井架局部损伤定位，且可以标定井架损伤程度。 此外还有遗传算法、小波变换法、残余力向量法、混合优化策略法以及模式识别方 法和基于模型修正理论的井架检测方法等。国外所有的研究都偏重于井架损伤状况，对 造成井架寿命的影响研究较少。 1 2 2 国内现状 国内的研究在最初只是通过检查井架的构件损伤和变形情况，对构件损伤变形较大 的井架采用修理或更换构件方法，对于无法修理和更换的井架才进行报废，没有量化的 判定标准。 为解决这种状况，国内开展了针对井架承载能力的检测，通过应力检测获得井架的 承载能力，采用的方法有应变检测法和振动检测法，国内于2 0 0 0 年颁布了“石油钻井井 架分级评定规范( s y6 4 4 2 2 0 0 0 ) 。大庆石油学院、中国石油大学均研究开发了应力检 测的评价方法，在胜利油田、中原油田、四川油田等开始检测应用，此方法是我国目前 3 西安石油大学硕士学位论文 各油田普遍承认和采取的方法。 但目前国内对钻井井架的检测主要是判定的井架的承载能力，通过检测井架承载能 力来判定当前一部井架是否可以继续使用，以及还可使用的井架是否降级，但无法判定 井架今后的使用寿命有多长。我国国内有在役石油井架1 0 0 0 多部，大多数在野外恶劣环 境中使用，为了更好的掌握井架的情况，及时进行设备维修更换，就需要进行井架寿命 评估。 为了满足这种需求，国内有些单位进行了关于井架寿命的研究。中国石油大学裴峻 峰等1 1 进行的井架寿命研究从井架腐蚀程度着手，其原理是井架长年累月在野外工作， 构件普遍存在腐蚀，从研究腐蚀的影响入手，研究腐蚀引起的井架构件截面的减小和强 度的降低，通过井架构件最大应力值的变化以及与井架构件许用应力的差距，从而分析 求得井架的极限工作寿命。 辽河油田艾万荣等2 1 开展的井架寿命研究是从井架可靠性的角度进行，以井架承载 能力的变化作为井架可靠性的重要参数，获得井架的寿命。 大庆石油学院秦皇岛分院邹庆龙等3 1 所开展的井架寿命评估是以井架振动参数为依 据，按照载荷与振动频率的平方成比例的原理，通过测量井架在一定载荷下振动频率获 得井架承载能力，并引申到井架状态，最终获得井架寿命的结论。 以上几种方法都是从单一方面来获得井架的寿命，都有其自身缺点，不能准确反应 井架真实状态，具体分析如下： 1 以腐蚀程度来判定井架寿命只是单纯考虑了腐蚀的影响，没有考虑井架构件疲劳、 损伤等的影响，造成获得的井架寿命往往偏大，一个井架的总寿命甚至长达5 0 年。 2 从可靠度角度来评定井架寿命受到可靠性分析精度的影响，而可靠性分析本身也 有许多待解决的问题，分析所必须的大量统计资料的来源、数量、质量等不可避免的受 到不同程度的影响，获得的井架寿命精度将大打折扣。 3 井架载荷与井架振动频率的平方并不一开始就成线性关系，而是井架载荷达到一 定时才成良好的线性关系。而且井架的振动频率易受许多外界因素干扰，难以测得井架 的真实振动频率。井架的安装质量与损伤对井架振动频率的影响十分复杂，不易分析。 总的来说，国内对井架寿命的研究都只处于初步研究阶段，目前都没有形成系统的 研究成果。 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 研究方案 影响石油钻井井架寿命的因素从根本上来说井架的稳定性和强度，通过国内先前的 大量研究结果证明井架的稳定性应力值要远远小于强度值，因此井架构件的强度值对井 架寿命的影响更大。本项目就把井架构件的强度值作为一个重点研究对象，但石油钻井 井架的种类很多，通常有a 型井架、k 型井架、塔型井架和车载钻机井架，井架的结构 4 第章绪论 十分复杂，由多种杆件和板材组合而成，受力状态也各不相同，要想通过现场试验直接 获得各部件受力状态十分困难，即使做到也要耗费大量时间和设备，不利于现场检测。 本项目通过建立符合井架实际状况的模型，再利用模型分析来获得井架的受力状况。 井架在使用过程中，会产生弯曲、变形、焊缝开裂等缺陷，会对井架的寿命产生影 响，这些缺陷会对井架的构件应力和强度校核系数产生影响，但通过有限元模型分析和 现场检测不能很好的发现这些缺陷，因此仅从应力和强度角度不能很好的判定井架寿命。 井架在使用过程中产生的所有缺陷都会对井架的各方面产生影响，最明显的是会对 井架的位移产生影响，通过井架的位移分析与检测可以综合判定井架的当前状态。 不论是井架的应力和位移，都必须在考虑井架受到腐蚀的基础上进行，因此，本项 目通过建立井架模型，运用井架模型对井架受力状态、强度校核、腐蚀程度、位移程度 几方面综合分析，然后通过现场检测井架的应力和位移，最终得到井架的寿命。 1 3 2 研究内容 为了更好的实现课题目标，必须采用合理的办法，本课题研究项且分为室内研究和 现场检测两大部分，室内部分是建立模型，进行受力分析，腐蚀程度影响，位移分析。 现场检测是对井架进行应力检测和位移检测。 1 建立模型 a n s y s 是大型通用有限元分析软件，a n s y s 软件在我国已有广泛应用，因此利用a n s y s 软件建立井架有限元模型。模型依据井架实际结构和构件尺寸，并作相应简化，力求简 化和接近实际结构。 井架模型将井架各杆件简化为具有六个自由度的三维弹性梁单元，将于井架相连接 的绷绳简化为只受拉不受压的三维索单元。用一个单元代表一个杆件，整个井架按其结 构划分成若干节点。 2 井架受力分析 模型建立后，首先按照井架实际工况，对井架进行模型建立后首先进行井架受力分 析，找出井架上承受应力最大的部位，并对所有杆件按照美国钢结构规范进行强度校核， 依据此标准同时受轴向压力和弯曲应力的构件，其设计应满足两个不等式要求。 通过对所有杆件进行强度校核，把强度校核系数较大的部位作为下步模型分析的重 点和现场检测的部位。 3 主要研究内容 井架腐蚀量分析 腐蚀类型很多，井架在生产工作过程中可以发生如下腐蚀：均匀腐蚀、点腐蚀、沉 积腐蚀、缝隙腐蚀。当井架防腐涂层被损坏后，腐蚀就不可避免，正常情况下井架腐蚀 主要是大气腐蚀，井架腐蚀速度和材料类型、气候、大气成分以及当地气候条件有关。 依据不同地区井架在大气中的腐蚀速率，得出井架构件在不同地区的腐蚀深度，将 5 西安石油大学硕士学位论文 井架构件因此导致的截面面积和惯性矩的减小代入井架有限元模型，获得井架在不同年 限的各杆件强度系数变化曲线，并在此基础上分析井架的位移变化。 井架位移分析 井架位移量的大小是井架综合状态的一个表现，井架位移程度分析以井架顶部位移 为研究对象，通过对a n s y s 软件建立的井架模型加以计算，采用a n s y s 非线性静态分析 法将载荷分解成一系列增量的载荷步，并在每一载荷步内进行一系列线性逼近以达到平 衡，每次线性逼近需要对方程进行一次求解。 在分析完井架原始状态下的位移后，进一步运用有限元模型分析井架在腐蚀程度下 的位移变化，最终绘制出井架位移随时间变化曲线。 4 现场检测，检测内容应包括以下项目： 井架使用情况检查 包括井架出厂日期、投产日期、钻井数量、累计进尺、平均井深、最大井深和最大 钩载，是否出现过事故、修复以及已更换的零部件、现存在的主要问题等情况进行调查， 这些资料应主要通过井架所有者的文字资料获得。 对这些资料的索取是为了更好的确定井架的应力检测部位。 井架应力检测 确定井架的应力检测办法，采用应变测试法。主要是在井架的危险截面通过粘贴应 变计的方法，在一定的载荷下测量井架承受静载的能力，获得井架上关键部位的应力数 值并进行强度校核。 确定井架应变测试部位，主要是通过强度校核后强度校核系数大于0 8 的杆件，也 可在强度校核系数大于0 7 的杆件上布点，这样可以更充分的获得井架的应力数值。 井架位移检测 井架的整体变形与杆件的受力是密切相关的，因此，通过井架位移的测量，对判断 底座和井架的承载具有特殊的意义。 在位移检测前要确定井架安装质量，以排除额外的干扰。 井架腐蚀量测量 井架的腐蚀程度与井架使用频率和井架所处工作地域有关，现场测量井架的腐蚀程 度可以更好与井架应力检测结果相比对。并可在腐蚀程度较大的构件上进行井架应力测 量。 5 数据对比 将现场检测获得的强度校核数据和位移数据与有限元分析结构对比，如结果不同，分 析造成不同的原因。 6 寿命评估 在数据对比的基础上，最终获得井架的寿命结论。作为日后井架生产、检测、更换 的科学依据。 6 第二章方法原理 第二章方法原理 2 1 井架结构的静力学分析 钻机井架结构一般是由多种型钢和几处薄板件焊接而成的空间框架结构，井架的静 力分析用来计算不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、 应变和力。在静力学分析的有限元的推导过程中，应用了弹性力学的基本方程及虚功原 理。弹性力学的3 个基本方程分别是几何方程、本构方程和弹性方程。 n s y s 是融结构、热、流体、电磁、声学与一体的大型通用有限元分析软件。可广泛 应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、 电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研 究。a 】s y s 程序是一个功能强大灵活的设计分析与优化软件包该软件可浮动运行于从p c 机、耵工作站、u n i x 工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统中，数据文件在其所有 的产品系列和工作平台上均兼容。目前 n s y s 软件在我国已有广泛应用，本课题采用此软 件建立有限元模型有助于此方法将来各方的方便使用。 2 1 _ l 模型建立原理 井架是一个由型钢焊接而成，以粱和杆柱为主的空问杆系刚架结构( 见图2 一1 ) 。井 架主要由井架立柱、井架横撑、井絮斜撑构成，井架上还有二层台、护栏、工作梯等附 加部件，井架通过螺栓或连接销与底座连接在一起。井架承受的载荷除钻具重量、井架 自身重量与风载外，还有天车、游车、大钩、钢丝绳等的重量。 图2 i l 井集( j j 帅n 型) 井架的静力学计算模型可简化为空问钢架计算模型，井架为板、粱组合的空间工程 西安石油大学硕士学位论文 结构，考虑到板件数量少，为了简化数学模型和计算过程，根据钻机井架结构特点，通 过简化建立一个简化的、接近实际结构的力学模型。 ( 1 ) 将二层台、天车、工作梯、护栏等附件在简化时全部忽略，二层台和天车的质量 视为集中质量分配于相应的结点位置。 ( 2 ) 井架各杆件均承受轴向力和附加弯矩作用，将杆件与杆件的焊接连接处取为节点， 两节点之间的杆段取为单元。各结点均为焊接的刚性结点，故将其简化为空间刚 架结构，并采用空间粱单元为基本单元。 ( 3 ) 井架的起升梁与天车梁底座虽然石油钢板焊接而成的箱型梁，截面尺寸较大，但 纵向尺寸更大，另外可同时承受轴向力、双向弯曲、扭转和双向剪切的作用，因 此简化为三维空间梁单元。 ( 4 ) 井架立柱及连接横撑、斜撑均是由标准方管构成，按它们可能的受力情况采用三 维空间梁单元建立有限元模型。 ( 5 ) 井架工作时上段插入下端一部分，由下段部分支持，上、下段在接触部位用软件 内部给定的弹簧元加以约束，工作时上、下段连接可靠，不发生相互串动现象。 ( 6 ) 井架工作时底部与支座不发生相对移动和转动，为固定支座。 ( 7 ) 井架底座与地面为全约束。 井架模型将井架各杆件简化为具有六个自由度的三维弹性梁单元，将于井架相连接 的绷绳简化为只受拉不受压的三维索单元。用一个单元代表一个杆件，整个井架按其结 构划分成若干节点。这两种单元的特性如下： ( 1 ) 三维弹性梁单元( b e 锄1 8 8 ) ：三维弹性梁单元是具有拉伸、压缩、扭转和弯曲 的单轴单元，在每个节点上具有6 个自由度，即沿x 、y 、z 轴移动和绕x 、y 、z 轴 转动。 ( 2 ) 三维索单元( 1 i i l l 【1 0 ) ：仅能承受拉伸载荷的杆单元l i n k l 0 由两个节点构成，只 承受拉力，每个节点具有3 个自由度。 2 1 2 建立模型 根据井架结构特点，将井架划分为若干节点，井架大腿支脚处为固定铰支点，绷绳 锚点处为固定铰支点，剩余均为刚性节点。 计算模型可根据工程图纸，直接通过a n s y a s 有限元软件的前处理建立。利用活动坐 标建立关键点，连线，变成轴侧视图，进行立体操作。 定义材料性能： 弹性模量，e = 2 0 6 1 0 5 咿a ： 泊松比，0 3 ： 钢材密度，7 8 1 0 3 k g m 3 2 1 3 确定计算载荷 8 第二章方法原理 计算载荷的确定是进行有限元分析的关键，计算载荷包括约束和载荷。不同的载荷 计算方法和加载方式造成计算结果差异。在a n s y s 有限元分析软件中，通过解( s 0 叫t 1 0 n ) 处理向完成。 ( 1 ) 加约束。约束作为有限元解的边界条件，在a n s y s 分析软件中，作为位移载荷 来处理。它包括3 个位移约束和3 个转动约束。 ( 2 ) 加载荷。横梁的各节点可能有均布载荷，包括集中载荷和重力载荷( y 向重力 加速度取9 8 ) 。载荷有多项，主要有：恒载= 井架自重+ 天车重量+ 二层台重量+ 二层台 悬吊重量+ 游动系统重量：工作载荷= 恒载+ 大钩静载荷；自然载荷，本方法不考虑地 震和温度作用的载荷，自然载荷只有风载，选择侧面来风和后面来风。 2 1 4 静力计算和结果分析 通过计算分析可以得到井架在承受最大静载荷和承受风载时承受最大应力部位，作 为现场检测的重点部位。 2 2 井架强度校核 依据美国a p i - 4 f 钻井和修井井架、底座标准第7 2 条款规定，许用应力可参照 a i s c 钢结构设计、制造和安装规范标准第1 6 1 条款规定，同时受轴向压力和弯曲应 力的构件，其设计应满足下列不等式要求： 鲁+ 毕+ 毕 1 o ( 2 - 1 ) 只。( 1 告) 。( 1 鼍) 一。 皑。1 上+ 二! 奠+ ! 奠1 o ( 2 2 ) o 6 0 e 凡 当丛o 1 5 时，式( 2 3 ) 可用来代替( 2 一1 ) 和( 2 _ 2 ) ： 2 + 釜+ 蔓1 o ( 2 3 ) e 吒 在式( 2 一1 ) 、( 2 _ 2 ) 和( 2 3 ) 中，与下标b 、m 和e 结合在一起的下标x 和y 表示 某一应力或设计参数所对应的弯曲轴。 式中： 五井架承受设计最大钩载时，测试杆件的轴心拉压应力，单位为兆帕( 肝a ) c 只有轴心拉压应力存在时容许采用的轴心拉压应力，单位为兆帕( 肝a ) 以井架承受设计最大钩载时，测试杆件的压缩弯曲应力，单位为兆帕( 肝a ) e 只有弯矩存在时容许采用的弯曲应力，单位为兆帕( 肝a ) e 除以安全系数后的欧拉应力，采用式( 2 4 ) 进行计算， 耻茹舞 9 单位为兆帕( 船a ) ( 2 4 ) 西安石油大学硕士学位论文 式中： e 弹性模量，单位为兆帕( m p a ) ，。弯曲平面内的实际无支撑长度，单位为毫米( 衄) ： 吒回转半径，单位为毫米( 咖) ： k 弯曲平面内的有效长度系数，单位为毫米( 衄) 。 c m 系数，对于端部受约束的构件：c m = 0 8 5 。 只有轴心拉压应力存在时容许采用的轴心拉压应力( e ) 按下式计算： a 当任一无支撑部分的最大有效长细比( 同，) 小于c 时，横截面符合a i s c 建 筑物钢结构规范设计、制造与安装规范标准1 9 节规定的轴心受压杆件，其毛截面上 的容许拉压应力( e ) 为： e ：! ! 二翌兰 协5 ， 4 5 3 ( 尉，) ( 圈，) 3 ；十1 万一i 石若r 一 式中：毋杆件材料的最小屈服应力，单位为兆帕( m p a ) ： e 一区分弹川乍弹性屈曲的杆件的长细比， e = 厝。 b 当( 同，) 大于e 时，轴心受拉压构件毛截面上的容许拉压应力为： 1 2 万2 e 圪= ：= 百( 2 6 ) 2 3 倒，) 2 w 通过对有限元分析得出的井架最大应力部位的强度校核，可以有效的得出这些部位 的强度校核结果，与实际检测数据的强度校核结果相比较可以得出井架强度下降程度。 2 3 井架腐蚀程度分析 腐蚀类型很多，井架在生产工作过程中可以发生如下腐蚀： ( 1 ) 均匀腐蚀：其特点是暴露在腐蚀环境中的金属整个表面以大体相同的速率腐蚀， 其程度可以用单个面积的失重或平均腐蚀程度来表示。 ( 2 ) 点腐蚀：由于划痕、刮漆等因素，在金属表面产生坑点等局部腐蚀，比均匀腐 蚀更危险。 ( 3 ) 沉积腐蚀：由于钻井液喷射到井架上使沉积物周围积水造成的腐蚀。 ( 4 ) 缝隙腐蚀：焊缝间由于焊缝粗糙造成焊缝积水所引起的腐蚀。 正常情况下井架腐蚀主要是大气腐蚀，井架腐蚀速度和材料类型、气候、大气成分 以及当地气候条件有关。我国井架制造材料主要以a 3 钢和1 6 m n 钢为主，他们在不同气候 条件下的腐蚀率可以用下式来计算： d = 彳丁n( 2 7 ) l o 第二章方法原理 式中： 卜腐蚀深度，单位为微米( u m ) 卜暴露时间，单位为年( a ) a ，n 常数，其数值见表l 表2 _ 1 常数a ，n 数值 材料a 3 钢1 6 m n 钢 常数 nana 北京 0 4 43 0 0 4 63 l 青岛 0 5 55 9o 5 85 8 当井架防腐涂层被损坏后，腐蚀就不可避免，其明显特点就是产生铁锈，铁坑锈点 使井架构件的有效截面减小，从而使得强度和可靠性下降，影响井架的寿命。 通过已建立的井架有限元模型，计算井架各构件在不同工作年限中的应力和强度校 核结果。计算时将最大钩载施加在井架项部( 正常工况) 并保持不变，而井架各构件截 面面积和惯性矩随着在大气中暴露年限的增加以公式( 2 7 ) 的腐蚀速率而减小，由此求 得所有构件的应力和强度校核结果的变化情况。将应力最大的构件受腐蚀后历年的强度 校核结果绘制成曲线，作为实际应力测试的比对依据。 2 4 井架位移程度分析 井架位移程度分析以井架顶部位移为研究对象，通过对a n s y s 软件建立的井架模型加 以计算，采用a n s y s 非线性静态分析法将载荷分解成一系列增量的载荷步，并在每一载荷 步内进行一系列线性逼近以达到平衡，每次线性逼近需要对方程进行一次求解。： 在非线性分析中，a n s y s 程序使用基于n e w t o n - r a p h o n 法的迭代过程，用一系列线性 近似值逐渐收敛于实际上的非线性解。n e w t o n - r a p h o n 方程为： k l l 缸) = - f 腺“ ( 2 8 ) 式中： k 卜。第( i 一1 ) 次迭代得到的变形形状得到的切向钢度矩阵 u 位移向量增量 f 外载荷向量 f 嘏) 。第( i 一1 ) 次迭代位移的n e w t o n r a p h o n 存储载荷 每个子步载荷的划分和最大平衡迭代数均可控制，平衡迭代进行到收敛或达到最大 迭代次数为止。 在完成对井架的非线性静态分析后可以得出井架的载荷与位移曲线的，这样就可通 过在某载荷时测量井架顶部的位移值，再通过载荷与位移曲线推算出最大钩载时的井 架顶部位移，这是由于在现场测量时很难达到最大钩载测试载荷。 通过a n s y s 对井架模型进行分析计算不但可得出井架在正常工况时( 井架自重+ 最大 西安石油大学硕士学位论文 钩载) 井架顶部的位移情况的位移状况，还可以再按照井架各构件截面面积和惯性矩随 着在大气中暴露年限的增加以公式( 2 7 ) 的腐蚀速率而减小，计算得出井架顶部的历年 位移情况，绘制成曲线，作为与实测位移的比对依据。 2 5 井架现场检测 2 5 1 首先调查井架使用的相关资料，获得井架的使用时间( 钻井月) 、使用地点、维 修情况等关键信息。 2 5 2 应力检测 井架应力检测采用应变测试法，应变测试法就是应用应变电阻片作为传感器间，测 量应变、应力及相关物理量的常见应力分析方法。其测量原理如下：把电阻应变片粘贴 在井架杆件表面上，并接入测量电路。当被测杆件受外力作用引起变形时，应变片敏感 栅也随之变形，敏感栅的电阻值发生相应变化。其变化量的大小与构件表面成一定的比 例关系，经接测量电路( 电桥) 转化为电信号输出，由显示记录仪器记录或输入计算机、 分析仪进行数据处理。应力测试方框图如图2 2 所示。 图2 - 2 应力测试方框图 由应变测试所得到的数据按下面公式计算出对应井架杆件的应力： 矿= 眈( 2 9 ) 式中： o 应力值( 船a ) e - 井架材料的弹性模量( 肝a ) 应变测量值 应力检测仪器应根据制造商的书面规程并按公认的工业标准，以规定的时间间隔鉴 定、管理、标定和调整用于检查、测试的设备，保证所需的准确度级别。测量仪器的准 确度级别不得低于0 2 。应力测试系统总误差不超过5 。检测应选择无雨、无雪天气 进行检测，检测时环境温度应为一1 8 + 5 5 ，检测时风速应小于2 级。 应力测试点的选定，按照在正常工况下井架有限元模型分析计算得出杆件强度校核系 数大于0 7 的杆件内选定，其中强度校核系数大于0 8 的杆件必须测量。应变片在杆件 上应对称布置，布置方法按表2 进行。杆件布点示意图见图2 3 。 第二章方法原理 表2 2 单根杆件布点位置 杆件截面测点数量 测点位置 h 型钢 4 h 型钢幅板侧面对称分布，应变片距离幅板边缘不超过5 衄。 圆管 4 杆件中心线上对称分布。 角钢 4 角钢幅板侧面，应变片距离幅板边缘不超过5 衄。 矩形管 4 方钢侧面对称分布，应变片距离边缘不超过5 衄。 槽钢 4 槽钢幅板侧面对称分布，应变片距离边缘不超过5 衄。 十字型钢 4 十字型钢幅板侧面，应变片距离边缘不超过5 衄。 应变测试载荷为井架大钩悬挂钻具的载荷，且不得小于设计最大钩载的2 5 。测试 载荷值以指重表读数为准，指重表应符合s y t5 3 2 0 j z 系列指重表的规定。同一工 况应最少测量三次，对同一测点上多次的测量数据按数理统计方法处理，并舍弃不合理 数据。测试结果应根据在材料弹性范围内，钩载一测试数据的成线性对应关系的原理，进 行线性外推，并按线性外推方法推算井架设计最大钩载时各测点的计算数据。 5 l 衄 ：匀衄 图2 - 3 单根杆件测点布置示意图 与井架项部位移测量相同，井架应力测试现场很难达到井架最大钩载工作状况，因 此采用实测钩载应力外推至最大钩载时应力的方