JJ675／48-K型井架起升過程力學分析

胡晶磊，祁秀芳

（蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州 730050）

JJ675／48-K型井架起升過程力學分析

胡晶磊，祁秀芳

（蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州 730050）

井架在起升過程中的力學分析比較復雜，很難采用理論計算的方法得到。為了保證井架及其起升系統的安全，以JJ675／48-K型井架為例，采用SAFI 7.1軟件建立模型并模擬該井架的起升過程。分析了在不同起升角度時井架和鋼絲繩的受力，得到了最大起升力、最大鉤載及井架各構件的強度、剛度。為井架的結構設計和現場起升提供依據。

井架；起升力；分析；SAFI

鉆機井架在起升過程中的運動比較復雜，鋼絲繩的受力、井架最大受力處的位置、最大鉤載下各個構件的受力情況難以用理論計算的方式精確得到，必須借助計算機和相關軟件來進行求解、仿真和分析［1-2］。通過對井架起升裝置結構和起升原理的分析可知，在井架起升時其中主要運動部件為井架主體、起升大繩和由鋼絲繩、滑輪組成的游動系統［3］。對于鋼絲繩-滑輪系統來說，由于繩索結構和其力學特性相當復雜，基于目前的理論和軟件功能的限制，只能采用簡化處理的建模方法來模擬真實鋼絲繩的特性。JJ675／48-K型井架的結構是前開口式無繃繩“K”形，是為ZJ90／6750D型鉆機而設計的。本文采用SAFI 7.1軟件研究該井架在起升過程中的最大起升力、最大鉤載及其各構件的強度、剛度，對井架的設計和起升具有一定的指導意義。

1 建立實體模型

采用SAFI軟件建立分析模型。由于不涉及鉆機其他部件的設計，僅以井架的力學分析而建模，因此本文只對重要零部件進行建模，忽略了一些小的結構。由于建模時做了簡化處理，會造成模型的質量小于井架的實際質量，所以井架自重力要乘以1個系數，具體如表1。

表1 井架在起升工況下的設計載荷

建模過程中，根據圖紙準確建立關鍵點，然后連接成線，然后對線添加截面及材料，焊接工字鋼通常采用Q345B材料，工字鋼、角鋼及槽鋼采用Q235B材料。JJ675／48-K型井架的實體模型如圖1。按照有限單元法單元劃分的一般原則，凡是多根梁的交叉點、邊界點、集中力作用點都應列為節點，而節點之間的梁則作為單元。

圖1 JJ675／48-K型井架的實體模型

按這個原則，對整個井架及底座在交叉點打斷，形成多個單元及節點。井架與底座用銷子連接，即釋放z軸的旋轉自由度，底座與地面的接觸點完全固定。

2 井架起升時的載荷分析

對結構進行精確的力學分析，保證其強度、剛度、穩定性是非常重要的。石油鉆機組合載荷設計須符合API 4F4th規范［4］，如表1。許用應力符合AISC 335—1989規范。井架在起升過程中承受的載荷有結構自重力、設備重力、鉤載、環境載荷等。關于環境載荷，在此鉆機中僅考慮風載，風速按0、45、90、135、180、225、270、315°8個方向分別進行計算。

3 載荷施加與求解

由于井架起升速度很緩慢，一般都將起升過程假設為準靜態過程，即井架在每個位置都處于受力平衡狀態，從而根據力矩平衡原理采用理論計算的方法得出井架起升拉力的大小，有2個方法，①根據幾何學和物理知識推導出快繩拉力與起升角度的數學關系式，從而通過該關系式計算任何起升角度時的快繩拉力大小，并得出連續曲線；②計算幾個特殊起升角度下的拉力，采用一定的方法測得各作用力在起升當前位置時的力臂，進而算出力的大小，然后采用曲線擬合的方法得出大致的變化曲線。在SAFI軟件中，先估算大概的起升力，為計算方便先加100 k N的起升力，然后在井架與高支架的接觸點各設置1個彈簧，進行求解。根據彈簧處點的支反力是否為零而調整初始估算的快繩拉力，起升拉力即為100 k N乘以快繩拉力的調整系數，進而算出起升時的最大鉤載。

井架起升時配有高支架，使井架與水平面成4°的夾角?，F將圖1的模型由垂直狀態旋轉到起升狀態，在井架與高支架的接觸點各設置1個彈簧，然后起初假設1個100 k N的起升力，分別加在起升耳板、人字架滑輪及二段起升滑輪處，再由此100 k N的起升力計算出天車滑輪處的鉤載及快繩輪上的載荷，然后進行求解。具體的加載情況如圖2（不含風載）及圖3（含風載）。

圖2 井架在起升狀態的受力（不含風載）

圖3 井架在起升狀態的受力（含風載）

4 結果分析

4.1 最大起升拉力及鉤載

根據計算得到的起升力系數如表2。

表2 井架初起時不同風載方向的起升力系數

4.2 UC值分析

根據AISC 335—1989中組合應力校核公式，在SAFI軟件后處理模塊中對每一單元進行校核，并以UC值（limit states summary）加以表示出來。

式中：fa為軸向計算應力；Fa為只有軸向拉力作用時的允許壓應力；Fb為只有彎矩作用時的允許壓彎應力；fb為在計算點算得的壓彎應力；Fex、Fey分別為在x、y方向除以一個安全系數劃分的歐拉應力，在數值上兩者相等；Cm為系數；E為彈性模量；K為有效長度系數；lb為受彎平面內實際的無支撐長度；rb為相應軸的回轉半徑；下角標x、y表示坐標。

系數Cm按下以下情況取值：

1） 框架結構中的受壓構件有節點側移時，取Cm＝0.85。

2） 對于加有支撐以限制節點位移且在彎曲平面內的支撐點不承愛橫向載荷時，Cm＝（0.6～0.4）（M1／M2）。M1／M2是指受彎平面中的無支撐構件部分在端點的較小彎矩與較大彎矩之比。當構件反向彎曲時，M1／M2為正，反之為負。

3） 對于加有支撐以限制節點位移，在彎曲平面內的支撐點承受橫向載荷時，Cm取值分2種情況：端部有旋轉約束時，Cm＝0.85；端部無旋轉約束時，Cm＝1.0。

由圖4看出UC值均小于1。在井架起升工況下，最大UC值為0.99，位于人字架前腿處；井架上的最大UC值為0.95，位于井架起升耳板附近，如圖5。

圖4 井架在起升過程的UC值

圖5 井架在起升過程中UC＞0.9的構件

5 結論

1） 結合物理和幾何關系所求得的最大起升力和鉤載分別為1 155.0 k N、1 892.2 k N。SAFI軟件計算結果分別為1 228.5 k N、2013.0 k N，兩者相差不多。前者沒有考慮風載，后者考慮了16.5 m／s的風載。

2） 井架在起升時UC值均小于1，結構滿足強度、剛度及穩定性要求，可以安全起升。

3） 井架在最大起升拉力下最危險構件處于人字架前后腿、井架一段及起升耳板處。

4） 風載方向對起升拉力的影響不大。

5） 正確計算井架的起升力，分析結構的安全性對結構設計和現場起升具有重要的指導意義。

［1］ 朱玄，吳強，尹雪霏.JJ450／45-K型井架起升過程動態特性分析［J］.石油礦場機械2010，39（12）：41-44.

［2］ 王路林，高學仕，王佐祥.井架起升過程的有限元仿真分析［J］.石油礦場機械，2006，35（2）：20-22.

［3］ 翟東峰.石油鉆機井架計算方法研究［D］.北京：中國石油大學，2007.

［4］ API Spec 4F—2013，鉆井和修井井架、底座規范［S］.

Mechanical Analysis of Raising JJ675／48-K Drilling Derrick

Mechanical analysis during the process of drilling derrick raising is complex，it is difficult to use theoretical calculation methods.To take JJ675／48-K type drilling derrick as an example，in order to ensure the safety of the drilling derrick and its raising system，SAFI 7.1 software was used to do the modeling and to simulate the drilling derrick raising process.Analyzing wire line force and stress that the drilling derrick has taken when it was at different raising angles，the maximum raising force and hook load，strength and rigidity of every component were obtained.All of these data would be the basis for drilling derrick structure design and on-site raising.

drilling derrick t；raising force；analysis；SAFI

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.023

1001-3482（2014）10-0097-03

2014-07-30

胡晶磊（1982-），女，山西運城人，工程師，主要從事石油鉆采機械的技術研究及結構設計，E-mail：hu.jinglei＠lspe.cn。