（机械设计及理论专业论文）钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 井架是石油钻机起升设备的重要组成部分之一，其杆件多，受力情况复杂，在油田 作业中使用频繁，对其进行有限元分析是井架设计和应用的重要环节。本论文针对西部 油田应用很广的j j 2 2 5 4 3 k 型井架进行力学性能分析，并在此基础上对该井架的承载能 力进行安全评定，对于井架结构设计和油田安全生产有着重要的指导意义。 本文综述了井架有限元分析的国内外研究现状，通过建立j j 2 2 5 4 3 k 型井架的有限 元分析模型，运用a n s y s 分析软件，进行了三种典型工况下井架的应力和变形分析， 找出井架在各工况下的最大应力和变形，得到了井架在静力学分析的薄弱环节。然后应 用动力学分析的方式，采用b l o c kl a n z c o s 方法对井架进行模态分析，获得了前1 0 阶 固有频率和振型图，并在此基础上进行瞬态分析和动态响应计算，得到了井架在动载荷 作用下的变形和应力变化，以及井架顶部、二层台和人字架等主要部位在不同时间响应 的变化规律和振动特性。 上面的计算分析主要是为了寻找井架的薄弱环节和应力变化规律，最终是为了分析 研究井架的承载能力，本文根据先前做的井架仿真模型，对模型施加不同的载荷，得到 了井架的最大应力部位，发现最大应力与载荷存在一定的线性关系，根据此推断出该井 架的极限承载能力，与现场测试的应力应变数据做比较，分析理论研究的可行性；并依 据强度和稳定理论为主的评定理论，从仿真分析和实验测试两个角度，评定井架的承载 能力，从而实现了对j j 2 2 5 4 3 k 型井架承载能力的评定分析的研究，具有重要的理论意 义和实用价值。 关键词：井架；静力学分析；模态分析；瞬态分析；谐响应分析；承载能力 钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究 a b s t r a c t l i f t i n gd r i l l i n gr i gd e r r i c ki sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ee q u i p m e n t ，i t sb a r sa n dm o r e c o m p l i c a t e ds t r e s s ，f r e q u e n tu s e i nt h eo i l f i e l do p e r a t i o n s ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sd e r r i c k i m p o r t a n tp a r to ft h ed e s i g na n da p p l i c a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e so naw i d ew e s t e r no i l f i e l d j j 2 2 5 4 3 一km a s tf o rm e c h a n i c a la n a l y s i s ，a n db a s e do nt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft h ed e r r i c kf o r s a f e t ya s s e s s m e n t ，t h i ss t r u c t u r a ld e s i g nf o rt h ed e r r i c ka n do i lf i e l dp r o d u c t i o nh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sd e r r i c kr e s e a r c hs t a t u s ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to f j j 2 2 5 4 3 一km a s to ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，u s i n ga n s y sa n a l y s i ss o f t w a r e ，f o r t h r e et y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o na n a l y s i so fd e r r i c k ，t of i n do u t d e r r i c ki nt h ec o n d i t i o no fm a x i m u ms t r e s sa n dd e f o r m a t i o n ，h a sb e e ns t a t i ca n a l y s i so ft h e d e r r i c ki nt h ew e a kl i n k t h e na p p l yt h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h ew a y , b l o c kt a n z c o sm e t h o d u s i n gm o d a la n a l y s i sd e r r i c k ，w o nt h ef i r s t1 0n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dv i b r a t i o np a t t e r nm a p ， a n db a s e do nt r a n s i e n ta n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fd y n a m i cr e s p o n s eo b t a i n e dd e r r i c ki nt h e d y n a m i cl o a d i n go ft h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s s ，a n dt h ed e r r i c ka tt h et o p ，t w o - s t o r yp l a t f o r m a n dr e n z ij i aa n do t h e rm a j o rs i t e sa td i f f e r e n tt i m e si nr e s p o n s et oc h a n g e si nl a w sa n d v i b r a t i o n t h ea b o v ec a l c u l a t i o ni sm a i n l yt of i n dt h ew e a kl i n k sd e r r i c ka n ds t r e s sv a r i a t i o n ，t h e f i n a ls t u d yi st oa n a l y z et h eb e a r i n gc a p a c i t yo fd e r r i c k s ，d e r r i c kt od ot h i su n d e rt h ep r e v i o u s s i m u l a t i o nm o d e l ，a p p l y i n gd i f f e r e n tl o a d so nt h em o d e l ，g e tt h em a x i m u ms t r e s s p o s i t i o n d e r r i c k ，t h em a x i m u ms t r e s sa n dl o a di sl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n f e r r e db a s e do nt h i s u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ed e r r i c k ，a n df i e l dt e s t t oc o m p a r et h es t r e s s s t r a i nd a t a ，t h e f e a s i b i l i t ys t u d yo ft h e o r y a n da c c o r d i n gt ot h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yt h e o r y - b a s e de v a l u a t i o n t h e o r y , t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lt e s t st w op e r s p e c t i v e st oa s s e s st h ec a r r y i n g c a p a c i t y o fd e r r i c k si no r d e rt oa c h i e v et h er i g h tj j 2 2 5 4 3 一km a s tc a r r y i n g c a p a c i t y a s s e s s m e n ta n da n a l y s i so ft h es t u d y , h a s i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d ：d e r r i c k ；s t a t i c sa n a l y s i s ；m o d a l i t ya n a l y s i s ：t r a n s i e n ts t a t ea n a l y s i s ；h a r m o n y r e s p o n s ea n a l y s i s ；b e a r i n gc a p a c i t y l l 硕士学位论文 插图索引 图2 1 三维梁单元6 图2 2j j 2 2 5 4 3 k 型井架的有限元模型9 图2 3 最大钩载井架应力分布图1 6 图2 4 最大钩载最大应力出现位置一1 6 图2 5 最大钩载井架位移分布图1 6 图2 6 最大钩载最大位移出现位置。1 6 图2 7 最大钩载井架位移分布云图一1 7 图2 8 半风载额定载荷下应力变化图1 7 图2 9 半风载额定载荷下最大位移出现位置1 8 图2 1 0 半风载额定载荷下井架变化云图1 8 图2 1 1 全风载井架最大位移出现位置1 8 图2 1 2 全风载井架最大应力出现位置1 9 图2 1 3 全风载井架应力分布图1 9 图2 1 4 全风载井架位移变化云图2 0 图3 1 井架的振型图2 8 图3 2f o u r i e r 变换法求解系统响应过程2 9 图3 3 井架瞬态动力学分析边界条件3 2 图3 4 载荷一时间关系曲线示意图3 3 图3 5 分别是井架在瞬时振动位移响应曲线3 4 图3 6 分别是井架在瞬时振动扭转位移曲线。3 5 图3 7 井架顶部处位移一频率响应曲线4 1 图3 8 人字架处位移一频率响应曲线4 2 图3 9 二层台处位移一频率响应曲线4 4 图3 1 0 同一激振力作用下井架整体位移一频率响应对比4 6 图4 1 载荷1 4 0 0 k n 时井架应力分布图。4 6 图4 2 载荷1 4 0 0 k n 时井架位移分布图4 9 图4 3 载荷2 2 0 0 k n 时井架应力分布图4 9 图4 4 载荷2 2 0 0 k n 时井架位移分布图。4 9 图4 5j j 2 2 5 4 3 k 型井架在不同载荷作用下应力变化曲线5 0 图4 6j j 2 2 5 1 4 3 k 型井架在不同载荷作用下位移变化曲线5 0 图4 7j j 2 2 5 4 3 k 型钻机井架应力测试位置示意图5 2 图4 8j j 2 2 5 4 3 k 型井架实验测试与有限元仿真分析应力比较5 4 i i i 钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究 附表索引 表2 1 载荷工况。1 0 表2 2 高度系数1 2 表2 3 各种风速下的风压表1 2 表2 4 井架正面ya c 计算表1 3 表2 5 井架侧面ya c 计算表。1 4 表3 1 井架模态f j f 十阶频率2 5 表3 2 井架瞬态振动位移响应3 6 表3 3 井架瞬态各向位移响应与时间对比3 6 表3 4 激振力作用点处振幅( 井架顶部) 4 l 表3 5 激振力作用点处振幅( 人字架) 。4 3 表3 6 激振力作用点处振幅( 井架二层台) 4 5 表4 1 不同外载荷作用下井架的最大应力值表一5 1 表4 2j j 2 2 5 4 3 k 型钻机井架在测试钩载5 5 0 k n 时井架立柱测点静应变值5 3 表4 3j j 2 2 5 4 3 k 型钻机井架在测试钩载5 5 0 k n 时井架立柱测点动应变值。5 4 表4 4 不同外载荷作用下井架的最大应力值表5 4 表4 5 实测最大应力及杆件的轴心拉压应力和弯曲应力计算结果6 0 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：3 ，j ，职星 日期：纠年月了e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位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。 作者签名：甜明星 导师签名： 细粕 日期：卅d 年 日期：川年 月?日 参其翟b 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的意义 钻机井架是石油装备中的重要组成部分，它要承受各个方向的载荷，尤其是 要承受可高达9 0 0 0 k n 的大垂直载荷。井架的承载性能对井下各种施工作业产生 直接影响，并且，作为承载构件的钻机井架，其工作环境远比一般的钢构件恶劣。 井架结构要承受提供钻具的大钩载荷、风激励产生的风载荷以及钻机震动时产生 的震动载荷等动载荷作用。因此，钻机井架必须具有足够的强度、刚度和整体稳 定性。目前，由于井架设计最初多采用的是比较设计的方法，在选择各构件型材 时，非常保守，力求井架安全系数足够大，从而导致井架重量增加及局部结构不 合理。在特殊情况下的纵向冲击响应，正常工作阶段受周期性持续载荷作用的响 应，以及在风载荷作用下风致震动等问题备受关注。在动载荷作用下对井架进行 动态响应分析，能够有效地减少或避免油田生产中发生的井架动态失效或被风刮 倒而造成的安全事故。井架的最大承载能力和井架失效问题一直是石油界普通关 注的问题，目前国内外对石油钻机井架承载能力的评定理论和技术尚不能满足现 场对井架承载能力的需要，我们需要在这方面深入研究。因此，开展静载荷和动 载荷作用下钻机井架的研究，对井架结构优化设计、油田安全生产有着重要指导 意义”引。 钻机井架有着比较复杂的结构形状，并且有相当一大部分处在十分复杂的工 作环境中。对于这些复杂结构，采取经典力学方法进行结构分析往往有局限性， 而利用有限元法却能求解结构形状和边界条件任意的力学问题。近些年来，有限 元法在石油井架中得到广泛的应用，并且取得许多实际的技术效果。用有限元法 对钻机井架结构分析是一项综合性的工作。它包括从结构的物理力学模型抽象为 有限元法计算的数学模型，计算程序的设计和选取，在计算机上运算，以及计算 前后大量的信息数据处理等过程。这个过程最后获得的主要数据是：结构的变形 及应力分布规律，结构的自振频率和振型h ，。 随着通用有限元软件在井架承载能力研究中被越来越多的采用，以其为基础 的计算模拟试验得到了较快的发展。这种试验方法优势在于不需要像现场试验那 样进行复杂的试验前期准备，不需要为了试验使钻机停工，而且可以方便得到现 场试验中很艰难测得的数据。但是这种模拟试验结果可信度受到模拟条件和模拟 假设的影响而降低，究竟能否再现结构的实际状态还需要进一步的考证晦卅1 。 基于此，本论文运用有限元法对j j 2 2 5 4 3 k 型钻机井架的力学性能进行比较 全面的系统分析，得到井架节点应力和位移变化规律，利用这些规律，就可以对 钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究 所研究的井架结构进行相应的分析，分析得到井架的承载能力，与电阻应变片测 试结果进行比较，验证井架有限元分析结果的正确性，并对这个井架承载能力进 行安全评定，这对于钻机井架的检测分析提供更有效的检测手段和多元化发展思 路。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 井架有限元研究的现状 目前，对在用钻机井架的有限元分析的研究已经很成熟。包括海洋钻机井架 的有限元分析，所使用的分析软件主要是a n s y s 。其中主要研究的内容和具体方 法归纳如下： 1 井架强度的分析：这类分析文章中都是在不同工况受力下对井架进行应力分 析，同时也给出了建模时所使用的单元类型和分析时注意的事项，也都给出了普 遍性的结论阳1 ； 2 对钻机井架结构的优化：其优化的主要内容是对钻机井架腹杆的布置方式、 ( 如交叉式、蛇型方式、平行倾斜的方式等) 、横梁间的距离和支腿的截面尺寸进 行优化； 3 对井架承载能力的分析：其分析包括临界载荷及临界载荷和振动参数的关 系。还有对井架弯曲变形后的稳定校核及承载能力计算法n 引； 4 对现役井架稳定性及可靠性分析：这类分析一般都使用随机有限元法；进行 了多参数随机的一二阶灵敏度分析；根据可靠性理论，采用应力测试方法和唯一 检测方法来评定在用井架的承载能力，从而评定其使用的可靠性n ； 5 对井架使用寿命的评估：寿命评估一般都使用腐蚀理论、微裂纹理论和应力 循环理论，并且也结合了有限元、结构可靠性分析和随机理论等方法n 引。 1 2 2 井架的承载能力安全评定研究国内外现状 目前，国外对井架的安全评定偏重于外观查询、简易诊断和一般处置与预防 等三个方面。从查测的内容来看，主要是井架的杆件的变形、损伤、磨损、腐蚀 等，诊断的结论多偏重于定性分析，处理与预防也不够具体。九十年代起，国外 开始重视井架检测新技术的开发与诊断理论的研究工作，发表了多篇研究论文， 同时申请了“n o n d e s t r u c t i v ei n d u s t r i a lc o n d i t i o nt e s tp r o c e s sf o rd r i l l i n gd e r r i c k s 和 “t e s t i n gl o a d e dd e r r i c ko fr o t a r yd r i l l i n g 等多项发明专利n 引。 而国内对井架承载性能的研究目前大致可以分为以下几种，即以强度、稳定 理论为主的评定理论；以刚度理论为主的评定理论；可靠性评定理论及模糊评定 理论等。由于井架结构本身是复杂的空间钢架和桁架结构，其缺陷特征又复杂多 2 硕+ 学位论文 样，目前还无法给出精确评定结果的办法，工程上实际做法是通过井架现场承载 试验，测量井架的应力、位移及结构动态特性，以现场测试结果为基础，根据安 全评定理论以线性外推的方法确定在用井架安全承载能力n 。 综上所述，以往的安全评定只局限于给出井架的安全承载力，不能对井架的 总体承载性能有一个全面的了解，在恶劣的条件或瞬态时突发情况下不能预测井 架的力学行为。因而科研人员也在井架的极限承载性能方面做了积极的探索，但 局限于桁架结构或虽 | 导出系统理论但并未得到试验验证也未应用到实际中去，因 而确定服役井架的极限承载能力仍然是需要深入研究的问题。 1 3 本文主要研究内容 本论文利用a n s y s 大型有限元分析软件对j j 2 2 5 4 3 k 型的井架进行静力学 分析和动态分析，从强度、稳定性方面对现有井架的承载能力进行研究，结合井 架结构计算仿真，建立相关承载力安全评定理论。这有助于对现役石油井架的安 全评定有一种新的理论方法。 本论文研究主要拟解决的关键性问题是井架的强度和稳定性的分析，井架承 载能力的检测分析和安全评定。基于这些问题，开展了以下几个方面的论述： 1 对j j 2 2 5 4 3 k 型的井架进行静态分析：分析井架结构在有代表性的三种工况 ( 最大载荷、半风载额定载荷和全风载) 下的应力变化，从而分析得到井架的薄弱环 节和井架承受各种工况下的应力和位移变化规律。 2 对j j 2 2 5 4 3 k 型井架进行动态分析：对井架进行模态分析，提取理想钻机井 架结构的固有频率与振型参数特性；对井架进行瞬态分析，寻找各个方向的时间 响应变化规律；根据谐响应分析理论，分析井架在持续性周期简谐载荷作用下的 动态响应。 3 对无缺陷井架的极限承载性能进行分析：运用有限元方法在理论上分析了 在设计承载范围内，不同载荷作用下，井架各个节点的变形情况，从而分析出井 架理论的极限载荷，然后应用应变变形手段再对各个节点进行准确实验测试，得 到了比较准确的节点应力变化情况，对两个检验方法进行比较分析。 4 对j j 2 2 5 4 3 k 型井架承载能力进行安全评定：依据强度、稳定理论为主的 评定理论分析这两种评定方法的可靠性，为以后我们对井架的安全性能评定提供 了一种新思路、新方法。 3 钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究 第2 章j j 2 2 5 4 3 k 型井架的静力学分析 有限元法是求解数值方程的一种数值计算方法，是解决工程实际问题的一种 有力的数值计算工具，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合的一种 数值分析技术。在所有的数值分析方法中，有限差分法是被普遍接受的一种数值 方法。借助有限差分法，可以较容易地解答一些复杂问题。但在遇到复杂的几何 形状和边界条件时，有限差分法解的精度受到影响，收敛性亦难以保证。 2 1 有限元结构分析基本原理 2 1 1 结构静力学分析 线性有限元平衡方程的推导过程中，应用了弹性力学的基本方法及虚功原理。 弹性力学中的三个基本方程分别是几何方程、本构方程和平衡方程n 5 j 。 1 几何方程 几何方程是描述结构的位移函数与应变函数之间关系的方程，在经典弹性理论 中假定结构的位移、转动和应变是很小的，而且在结构变形时载荷方向不变，从 而得到线性的几何方程n 引。由经典弹性理论可知，小变形情况下的几何关系即位 移一应变关系为 占) = m ( 1 1 ) 式中， 6 ) 为结构内任一点的位移向量； l 是微分算子，矩阵表示如下： m = 旦00 a x o 旦0 砂 oo 旦 o z o 旦旦 a z 妙 旦。旦 a z觑 旦旦0 ( 1 2 ) 有限元法在结构离散化后，把单元中任一点的位移分量表示成坐标的某种函 数，这一函数叫做单元的位移函数n 。设f l 。为单元节点位移向量，在选定位移 函数后，在单元内部和边界上，假定满足位移协调条件的插值函数矩阵为l i ，则 单元体内的位移可以表示为 6 。= ) 。 ( 1 3 ) 将式( 1 3 ) 代入( 1 1 ) 得 4 硕十学位论文 h ；【) = m 5 式中， b 为应变矩阵n 引。 2 本构方程 弹性力学中应力一应变之间的转换关系称为本构方程， 对于各向同性的线弹性材料，应力一应变关系的矩阵形式为 = 【d ) d 】= 而e 硒( 1 - 习z ) ( 1 4 ) 也叫做物理方程1 9 1 。 1 j lj l0 0 0 1 一j c l1 一肛 1 上000 1 一 1oo o 三之0 0 2 ( 1 一) 榔 掐。 ! 二兰丝 2 ( 1 - 1 ) ( 1 5 ) k ) r ，应力矩 ( 1 6 ) 3 半衡方程 陋 r 纠+ 斜= o ( 1 7 ) 其中， q 1 为体积力向量心0 l 。 4 虚功原理 虚功原理在力学中是一个普遍的能量原理，把它应用于弹性体，可得出如下 的推理：假设作用在某弹性体上的外力与内部产生的应力处于平衡状态。若给弹 性体任一微小的虚位移，并同时在弹性体内产生相应的虚应变时，则外力在虚位 移上所作的功等于应力在虚应变上所作的虚功。其数学表达式为 f a 1 o - a v = 6 ) r 斜 ( 1 8 ) 将公式( 1 4 ) 、( 1 5 ) 代入虚功方程得到 k 。 j 1 ) 。一 p ) 。 ( 1 9 ) 式中， k 。为单元刚度矩阵； p ) 。为单元节点载荷向量。且单元刚度矩阵 【k e = r 【艿丁【d 【曰 d y ( 1 1 0 ) 建立了单元刚度方程后，把各单元刚度矩阵组合，通过按节点迭加的原则， 建立整体节点位移列阵 肛) 和节点载荷列阵 p ) 之间的关系式，即结构整体的刚度 5 归 y 乞 勺q 暑 prk 哆qq = p 为 札m 其阵 钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究 量墨鼍_ i 量量皇皇量詈皇墨量暑置量皇_ 鼍鼍皇曼量詈詈詈皇皇皇皇皇置暑 方程为 k 1 i - l e ) ( 1 1 1 ) 式中，k 为整体刚度矩阵。 由公式( 1 1 1 ) 可知，在一定载荷作用下，结构位移的大小取决于结构的刚度。 刚度越大则结构的位移越小；反之，位移就越大。 引入结构的约束条件，对结构的总体刚度矩阵方程( 1 1 ) 式求解，得到各节点 的位移值，进而计算出结构的应变和应力乜。 2 1 2 单元特性分析 1 梁单元 梁单元是用于生成三维结构的一维理想化数学模型。三维梁单元是具有拉伸、 压缩、扭转和弯曲功能的单轴单元。在每个节点上单元具有6 个自由度，即沿x ， y ，z 轴的移动，以及绕x ，y ，z 轴的转动。 从空间结构中取一杆件i j ，如下图所示，在该杆件上建立局部坐标系x 、y 、 z ，x 沿单元的纵轴，y 轴和z 轴分别为横截面的两个主惯性轴。 叫 u 图2 1 三维梁单兀 单元节点位移向量为 ) 。= 肫qo ) j 艮艮，她o j , 铭 1 ( 1 1 2 ) 相应的节点载荷向量为 舛。= 虬乌q 瓦m 妒m 虹豇绯靠m 抄m 豇) 1 ( 1 1 3 ) 式中，虬，血一单元轴向力。 级，q ，一单元节点y 方向剪力； q ，q 扫一单元节点z 方向剪力； 疋，瓦一单元节点扭矩； 6 浸巧 毋 j 硕十学位论文 m 抄，m 彦一绕z 轴弯矩； m 扛，m 豇一绕y 轴弯矩； 由虚功原理得到梁单元的刚度矩阵 x t i ： j 。榻 。币1 2 日岔z - ) o o o 孚 。福。锗 漱 。榻。锗 ooooo 孚f， 。南。南。褊 。旦i s l + c y ) 。南。褊 ooo 号 oooo o 孚il 。南。酱。南。酱 。南。锗。南。觜 ( 1 1 4 ) 其中，丸，兜为剪切影响系数，分别为 丸：墼 ( 1 1 5 ) 哆2 面声 u 兜；祟 ( 1 - 1 6 ) 兜2 面 b ， 式中，4 、4 为有效剪切面积，用4 统一表示4 、4 ，则有效剪切面积的计算公 式为 4 一i a ( 1 1 7 ) 其中k 为剪切系数，它反映了截面上剪切力分布的不均匀性，对于典型截面的剪 切系数k 的计算公式可查阅有关手册阳2 1 。 2 杆单元 杆单元与梁单元的区别在于杆单元不能承受弯矩作用，在节点只有沿x 、y 、z 轴移动自由度。杆单元节点的位移量为 ) 。= 以咋皑y ，哆) r ( 1 1 8 ) 相应的节点载荷向量与单元刚度矩阵，只须保留与单元节点位移向量相对应 7 钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究 的项，由公式( 1 1 3 ) 、( 1 1 4 ) 即可得到乜引。 2 2j j 2 2 5 4 3 k 型井架的静力学有限元模型 2 2 1 井架结构简化的基本假设 要对钻机井架进行有限元力学分析计算，首先必须建立科学合理的钻机井架 的有限元模型。在满足计算精度的情况下，为了减少计算工作量，需要对模型作 一些适当的简化，为此，在建立钻机井架静力学模型时作了以下几点假设： 1 井架本体为刚架结构，井架各杆架之间焊接可靠，为刚性连接； 2 井架工作时底部与支座间不发生相对移动或转动，为固定支座，略去护栏、 护梯、栏杆等附属物对井架的加强作用； 3 井架上下体在工作时连接可靠，不发生相互窜动现象； 4 以井架四条大腿的形心主惯性轴为基准，不考虑斜杆、横杆及加强杆和大腿 形心不重合的情况，即认为形心均重合或汇交于一点。即考虑井架在安装时无工 艺误差； 5 上下体之间销子连接处用板连接起来( 划分为板单元) ，由于该板宽度很小， 也就保证了上下体接触角钢间的位移基本保持一致。 2 2 2j j 2 2 5 4 3 k 型井架有限元模型的建立 现场实验表明，该类型井架性能良好，承载能力强，不足之处是井架本身的 重量偏重，结构比较复杂。 1 技术参数 最大钩载：2 2 5 0 k n ( 2 2 5 t ) ； 井架工作高度：4 3 m 井架顶部跨距：1 8 m ； 井架底部跨距：8 m ； 二层台工作高度2 6 m ，2 5 m ，2 4 m ； 立根容量：( 5 ”2 7 m 立根) 4 0 0 0 m ( 包括8 柱钻铤) ； 井架底座高度：7 5 6 5 m ； 井架允许风速： 非工作状态( 无立根、无钩载、停钻) 4 7 m s ； 非工作状态( 额定钩载，满立根) 3 6 m s ； 起放井架8 3 m s ； 配套钻机：z j 3 2 【0 3 5 0 0 ( 低位) 】。 2 建立j j 2 2 5 4 3 k 型井架模型 8 j j 2 2 5 4 3 - k 型井架是典型的前开口井架，从下到上主要由i 、段组 成，两条大腿是剐架结构。井架主体为焊接结构，节点具有较大刚性，在载荷作 用下会产生较大的拉压应力和弯曲应力；由以上所假设条件，在模型简化时将天 车、二层台、底座等附件全部忽略。天车、二层台质量视为集中质量分配到相应 的结点位置。有限元分析模型中将井架主体结构简化为三维弹性梁单元以井架 各杆件的自然焊接节点作为有限元分析模型的节点，首先根据设计的规范，选择 圆钢定义截面梁单元。计算模型共划分为5 8 0 个结点，2 0 0 0 个单元，各杆件均采 用q 3 4 5 钢，设计的最大钩载为2 2 5 0 k n 。井架整体结构简图、设计模型和离散模 型如图22 所示。井架的单元特性方面，在有限元分析模型中，粱单元主要采用 a n s y s 软件库中的b e a m 4 4 。b e a m 4 4 单元是具有町承受压力、张力、扭转和弯 曲能力的单轴向三维粱单元。该单元的每个节点处有6 个自由度，它允许非对称 截面，允许末端节点偏离梁单元轴线，并能准确描述梁的剪切变形、应力硬化和 位移偏差，主要用于线性行为分析，忽略了非线性影响。 图2 2 1 2 2 5 4 3 k 型井架的有限元模型 2 23 约束条件的确定 n 要对钻机井架进行力学分析计算，除建立科学合理的有限元力学模型之外 还必须给出合理的约束条件才能确保计算的j f 常进行和计算精度的要求。 井架与底座问的连接为铰接连接，在工作时不允许发生相对转动和移动，故 在模型中将井架与底座间的连接处理成固定支座，限定其三个方向的平动和转动， 即零位移约束，整个井架与底座为为焊接的刚性节点连接，井架底座与地面之间 为全约束。 根据石油钻机井架的计算标准a p i ，钻机井架的强度分析要分三种工况进行， 钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究 既最大载荷、半风载额定载荷和全风载。具体所施加的载荷如表2 1 所示。 表2 1 载荷工况 2 2 4 计算载荷 力学模型和边界约束确定以后，就需要计算井架所受载荷，因为载荷的大小 直接影响井架力学分析结果，陆地钻机井架承受的主要载荷有：恒定载荷( 井架及 其附属结构的自重) 、工作载荷( 大钩动静载荷、最大套管重量、附加作业及事故 处理时的大钩负荷) 、自然载荷( 本文只考虑风载荷，不考虑地震载荷和温度载荷) 。 1 恒载 井架的恒载载荷指长期作用在井架上的不变载荷，它包含井架本身的重量及 安放在井架上的各种设备和工具( 主要包括天车、游动系统等) 的重量，可简化为 分别作用在节点上的集中载荷，每段结构的自重逐层分配到井架各层相应的各节 点上。 井架主体自重： g = 4 5 0 7 k n 天车自重： g 圭一5 6 4 6 k n 游动系统自重： g = 6 ，游车+ g 钩= 3 0 3 k n + 2 1 4 k n = 5 1 7 k n 二层台自重： g 台- 2 9 9 7 k n 对于恒载的分布：按照井架模型，井架主体的重量、游动系统的重量和天车 重量比较理想话的状态下，平均分配到井架顶部的四个节点上。 2 大钩载荷 大钩静载荷：在钻井操作过程中，游车大钩匀速提升井眼中的全部钻具时在 1 0 硕士学位论文 大钩上形成的载荷。大钩静载荷随井深而增加。当钻井至最大深井时，大钩静载 荷即是悬挂在大钩上的钻柱重量，称为最大钻柱重量，即最大钩载q 嗍。 最大钩载：= q l 一， z j 3 2 j 型钻机在青海油田使用比较普遍，常见的钻进 最大深度为3 2 0 0 m 。 这里取l 一= 3 2 0 0 m ，标准立根长2 7 m ，钻杆的单位重量q = o 7 0 3 1 k n m ，则大 钩静载荷为 q l 眦= 0 7 0 31 7 8 5 6 = 2 2 5 0 k n 大钩动载荷：在钻井过程中，经常的起下钻作业是利用大钩提升或下放钻柱 的，由于提升或下放的一瞬间，钻柱的速度由零变成匀速或由匀速变成零，钻柱 速度变化必然产生加速度，由此产生惯性力。为了考虑这一动载因素，国内外专 家学者分别进行了动态测试，根据现场测试得到载荷谱曲线计算大钩的动载系数。 但是由于不同的提升速度，不同钩载对动载系数影响很大，难以确定适用于各类 钻机的动载系数。目前，有关文献给出的大钩动载系数的范围，只作参考，在这 里我们不予考虑动载荷。 大钩载荷的分配：按井眼中心位置不对称分配到井架的四个顶点上， 凡2 7 9 8 k n ，2 6 7 2 k n ，2 6 5 7 k n ，2 6 3 5 k n 。 3 立根载荷 立根载荷包括立根自重对井架产生的作用力及立根所受风载，它通过二层台 的指梁按水平方向作用到井架的相应节点上。立根自重对井架产生的水平靠力为 1 最一音q l n c t g o 厶 式中：e 一立根自重对井架产生的水平靠力，l ； q 一钻杆单位长度上的重量，k n m ； l _ 立根长度，m ； n 一存放立根总数； o 一立根与钻台的面倾角，o - 8 6 0 8 8 0 ，本文取0 = 8 7 0 。 1 p l = 寺0 2 8 4 6 7 8 5 6 c t 9 8 7 0 = 5 8 6 6 k n 二 工作载荷的分配：立根载荷平均水平分配到井架二层台与井架相连的2 个节 点上。 4 自然载荷 本次计算中，自然载荷仅考虑风载。风载公式由a p is p e c i f i c a t i o n4 f ( 第二版) 给出。 风载公式 f = p a 钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究 式中： f _ 风载( n ) p 一风压( p a ) a - 一迎风面积( m 2 ) ，即与风向垂直平面上的投影总面积 风压公式 p = 0 6 1 1 5 v ： c h cs 式中： k 一风速( m s ) c 一高度系数 e 一形状系数，对于井架，e = 1 2 5 下表列出了高度系数c 表2 2 高度系数 高度( 地面或水平面到面积中心的垂直距离) c m o 1 5 1 5 3 0 3 0 4 5 4 5 - - 6 0 6 0 7 5 f t 0 5 0 5 0 1 0 0 1 0 0 1 5 0 1 5 0 2 0 0 2 0 0 2 5 0 1 0 1 1 1 2 1 3 1 3 7 简化以上风压公式为 f = p x a ；p 么c 式中： p 一风压( p a ) a - 一迎风面积( 胁2 ) ，按井架正面或侧面实际面积乘以0 4 2 体型系数，计算风载 近似认为均匀分布在井架各段绪点上。 各种风速下的p 见表2 3 。 表2 3 各种风速下的风压表 风载近似认为均匀分布在井架各段结点上。 ( 1 ) 井架正面( 背面) 风载计算 风载合力 f = p 7 罗彳g e a c h 计算见表 硕十学位论文 表2 4 井架正面彳c 计算表 y a = 5 3 2 7m 2 ya c h = 5 9 2 3m 2ya c h h = 1 6 4 3 5 6m 2 _oo a ) 对于9 3 节) 风( 4 7 m s ) 风载合力： f = p 7 a c h = 1 6 8 8 5 5 9 2 3 = 1 0 0 0 1 k n 其作用高度： 吃一彳c 么c = , 1 6 4 3 5 6 5 9 2 3 = 2 7 8 m 作用于井架每段各结点均布风力： v 结点= f 5 8 = 1 0 0 0 1 5 8 = 1 7 2 4 k n b ) 对于7 0 节n , ( 3 6 m s ) 风载合力： f p 彳c = 9 9 0 6 5 9 2 3 = 5 8 1 i 7 3 k n 作用于井架每段各结点均布风力： f 结点= f 5 8 = 5 8 6 7 3 5 8 = 1 0 1 2 k n c ) 对于1 6 节风( 8 3 m s ) 风载合力： f = p 爿c = 5 2 6 6 5 9 2 3 - - 3 1 1 9 k n 作用于井架每段各结点均布风力： 1 3 钻机井架的有限元分析和承载能力评定的研究 f 矗点= f 5 8 3 1 1 9 5 8 = 0 0 5 4 k n ( 2 ) 井架侧面风载计算 风载合力f = p y a c 。 么一 井架侧面y a c 。计算见表2 5 所示。 一 4 表2 5 井架侧面ya c 。计算表 么一 y a = 4 0 5 1m 2 ya c h = 4 4 8 1m 2ya c h h ：1 2 1 5 4 8m 2 o-二一 a ) 对于9 3 节n , ( 4 7 m s ) 风载合力： f ：p 7 丫a c 。1 6 8 8 5 4 4 8 1 ；7 5 6 6 2 k n 一 “ 其作用高度： h c 一a c h h 2 a c h ；1 2 1 5 4 8 4 4 8 1 = 2 7 1 m 作用于井架每段各结点均布风力： f 矗点= f 5 4 = 7 5 6 6 5 2 5 4 = 1 4 k n b ) 对于7 0 节n , ( 3 6 m s ) 风载合力： f 。p v a c ：9 9 0 6 4 4 8 1 ；4 4 3 8 8 k n 一 4 作用于井架每段各结点均布风力： 1 4 硕士学位论文 f 蠡点；f 5 4 4 4 3 8