JJ675/48-K型井架有限元及應(yīng)力測(cè)試對(duì)比分析

喬長(zhǎng)奎，郝奉禹，華小濤

(1.蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州 730314；2.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)

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JJ675/48-K型井架有限元及應(yīng)力測(cè)試對(duì)比分析

喬長(zhǎng)奎1，郝奉禹1，華小濤2

(1.蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，蘭州 730314；2.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124010)

摘要：針對(duì)JJ675/48-K型井架，運(yùn)用SAFI軟件建立有限元模型，對(duì)設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行分析研究，使其符合API Spec 4F—2013及AISC 335—1989的設(shè)計(jì)要求。對(duì)JJ675/48-K型井架進(jìn)行6 750 kN載荷的應(yīng)力測(cè)試，同時(shí)結(jié)合有限元模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性及井架設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：井架；SAFI；有限元模型；應(yīng)力測(cè)試；對(duì)比分析

石油鉆機(jī)井架按照結(jié)構(gòu)形式大致可分為4大類：A型井架、塔型井架、前開(kāi)口K型井架以及桅桿型井架。其中前開(kāi)口型井架是目前應(yīng)用最為廣泛的井架結(jié)構(gòu)。該井架整體剛度好、穩(wěn)定性強(qiáng)，且能夠?qū)崿F(xiàn)低位安裝起升。K型井架在陸地鉆機(jī)中占據(jù)絕對(duì)的支配地位，由于該井架易于安裝頂驅(qū)導(dǎo)軌，陸地深井和超深井鉆機(jī)也選用K型井架[1]。

近年來(lái)，石油鉆機(jī)井架及底座的發(fā)展趨勢(shì)有兩個(gè)明顯的方向：快速移運(yùn)性和超深井這兩方面[2]。JJ675/48-K型井架便是在這樣的背景下開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，其配套于ZJ90/6750D鉆機(jī)。本文通過(guò)有限元分析與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，可以有效地驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性、理論計(jì)算的正確性及模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)可及時(shí)地進(jìn)行設(shè)計(jì)修改及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1JJ675/48-K型井架有限元分析

JJ675/48-K型井架是以H型鋼為主大腿的前開(kāi)口式無(wú)繃?yán)K“K”形井架。井架主體分6段，12大件，第Ⅱ段背部有背扇剛架，剛架、斜拉桿與主體各段相連，Ⅰ段和Ⅱ段采用法蘭連接，其余各段采用銷子耳板連接。

采用SAFI Quality Software Inc 公司的 SAFI 7.1.3[3]軟件進(jìn)行該鉆機(jī)井架底座鋼結(jié)構(gòu)在作業(yè)、起升各種工況組合下的受力分析與計(jì)算，使之安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，完全滿足用戶要求，并遵循API Spec 4F —2013[4]及 AISC 335—1989規(guī)范[5]。該軟件在國(guó)內(nèi)石油裝備行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用[6-7]。運(yùn)用SAFI軟件對(duì)每一單元均根據(jù)AISC 335中組合應(yīng)力校核公式進(jìn)行校核，并以UC值(limit states summary)表示出來(lái)[8]。

1.1有限元模型的建立

以JJ675/48-K型井架設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ)，在SAFI中建立1∶1的模型。

為了使有限元模型盡可能與實(shí)際結(jié)構(gòu)接近，在井架建模時(shí)做了如下簡(jiǎn)化：

1)假設(shè)井架底座與地面之間不發(fā)生相對(duì)的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，在分析時(shí)，其邊界條件為全約束。

2)大鉤載荷平均分布于天車主滑輪軸上。

3)立根載荷平均分布于立根盒梁及二層臺(tái)架上，立根風(fēng)載平均分布于二層臺(tái)架上。

4)大繩的拉力集中到受力點(diǎn)上，省略大繩實(shí)體。

建立的有限元模型如圖1所示。

圖1　JJ675/48-K型井架有限元模型

1.2載荷條件

根據(jù)API 4F—2013的規(guī)定對(duì)井架工況載荷做了如表1的設(shè)定。

表1　JJ675/48-K型井架各工況的設(shè)計(jì)載荷組合

說(shuō)明：1)立根額定載荷3 300 kN，最大靜鉤載6 750 kN。

1.3應(yīng)力分析

通過(guò)SAFI計(jì)算，所有工況UC值均小于1，即結(jié)構(gòu)安全符合API Spec 4F—2013要求。UC值如圖2。

圖2　JJ675/48-K型井架各工況的UC值

2井架應(yīng)力測(cè)試

為便于準(zhǔn)確地了解JJ675/48-K型井架的受力情況，井架出廠前進(jìn)行了6 750 kN載荷的應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試井架的承載能力。試驗(yàn)方法是反拉轉(zhuǎn)盤梁下的試驗(yàn)工裝，通過(guò)油缸逐級(jí)加載到滿負(fù)荷6 750 kN，油缸保壓15 min，測(cè)量井架的位移量，記錄指重表的數(shù)值，并用電腦自顯應(yīng)變記錄儀逐級(jí)記錄應(yīng)變得出應(yīng)力值。

2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1)驗(yàn)證該井架設(shè)計(jì)是否符合API Spec 4F—2013的要求。

2 )測(cè)定主要承載件的應(yīng)力分布狀況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性。

3)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

2.2執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

SY 6326—2012 石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架、底座承載能力檢測(cè)評(píng)定方法及分級(jí)規(guī)范。

2.3試驗(yàn)負(fù)荷

按照API Spec 4F—2013第11.8.2節(jié)“設(shè)計(jì)驗(yàn)證”中的內(nèi)容確定部件的試驗(yàn)負(fù)荷(除風(fēng)載及立根載荷外，因?qū)嶋H加載時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn))。

2.4測(cè)試項(xiàng)目及要求

2.4.1井架應(yīng)力測(cè)試。

1)井架起升、下放試驗(yàn)。記錄起升、下放井架時(shí)指重表讀數(shù)，測(cè)出起升、下放井架時(shí)井架最大受力點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力。試驗(yàn)井架在起升、下放過(guò)程中的整體穩(wěn)定性和安全可靠性。

2)井架承受6 750 kN鉤載試驗(yàn)。記錄指重表讀數(shù)，測(cè)出井架最大受力點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力。檢驗(yàn)井架(含天車)在承受6 750 kN鉤載的穩(wěn)定性和安全可靠性。檢驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性。

3)天車承受6 750 kN拉力試驗(yàn)。記錄指重表讀數(shù)，測(cè)出天車最大受力點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力。測(cè)量并記錄天車頂部正面和側(cè)面的變形量。

2.5試驗(yàn)方法

本井架的設(shè)計(jì)特點(diǎn)決定了試驗(yàn)必須在配套的底座上聯(lián)合進(jìn)行。將井架及底座安裝完畢并起升至工作狀態(tài)，安裝好試驗(yàn)裝置(包括2臺(tái)875.4 t液壓千斤頂及液壓源，液壓泵等)。高壓油泵同時(shí)向2個(gè)液壓千斤頂供油，推動(dòng)大鉤試驗(yàn)螺桿，通過(guò)游動(dòng)系統(tǒng)使井架受拉，實(shí)現(xiàn)加載的目的。

2.6試驗(yàn)前準(zhǔn)備

先將加載用鋼絲繩(鉆井繩)的快繩端固定在鉆臺(tái)下方的主絞車滾筒上；將死繩端固定在位于井架右后腿的死繩固定器上，準(zhǔn)備加載。

2.7加載方法及數(shù)值

測(cè)試時(shí)，共加載2次。第1次加載至4 350 kN后卸載，第2次加載至6 720 kN后卸載。

2.8位移觀測(cè)點(diǎn)的選取與布置

采用2臺(tái)TDJ2高精度經(jīng)緯儀，貼反光坐標(biāo)紙觀測(cè)位移。JJ675/48-K型井架共設(shè)了4個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)位于天車架的前面及側(cè)面，觀測(cè)點(diǎn)上貼反光坐標(biāo)紙。具體位置如圖3所示。

圖3　JJ675/48-K 型井架天車位移觀測(cè)點(diǎn)布置

2.9應(yīng)力電測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置[9]

按照SY/T 6326—2012標(biāo)準(zhǔn)第6.2條規(guī)定的測(cè)點(diǎn)布置位置要求進(jìn)行。

在JJ675/48-K型井架應(yīng)力測(cè)試中對(duì)井架主體(不含人字架)和天車共48個(gè)部位進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，共貼應(yīng)變片196片；人字架共14個(gè)部位，共貼應(yīng)變片20片，三向應(yīng)變片36片。具體貼片位置如圖4～6。

圖4　JJ675/48-K型井架主體電測(cè)應(yīng)變片布置

圖5　JJ675/48-K型井架人字架電測(cè)應(yīng)變片布置

圖6　JJ675/48-K型井架天車電測(cè)應(yīng)變片布置

3數(shù)據(jù)對(duì)比

3.1模型加載處理

由于SAFI計(jì)算時(shí)加了風(fēng)載及立根載荷，而實(shí)

際測(cè)試時(shí)無(wú)法施加風(fēng)載及立根載荷，因此將模型中的風(fēng)載及立根載荷取消；又由于試驗(yàn)方法是反拉轉(zhuǎn)盤梁，因此，轉(zhuǎn)盤載荷為負(fù)值，這樣使模型與實(shí)際測(cè)試情形盡可能接近，以便將兩者的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。具體參數(shù)如表2。

表2　與JJ675/48-K型井架承載能力檢測(cè)工況相似的模型工況參數(shù)

3.2位移偏移量對(duì)比

偏移量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　JJ675/48-K型井架天車位移偏移量　mm

表3(續(xù))　mm

表3數(shù)據(jù)表明：

1)井架承載過(guò)程中其頂端產(chǎn)生了最大值為62mm的前傾位移。

2)實(shí)測(cè)值與電算值相差最大值為36mm(為兩點(diǎn)偏差直線距離)。

3.3對(duì)比分析

應(yīng)變片測(cè)試與有限元模型數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

表4　JJ675/48-K型井架應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)與對(duì)比

表4數(shù)據(jù)表明：

1)第1次加載應(yīng)力沒(méi)有完全釋放，數(shù)據(jù)不能作為參考數(shù)據(jù)。

2)各測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力值均未超過(guò)許用彎曲應(yīng)力值Fb=0.6×Fy=0.6×345=207MPa。

3)由有限元模型得出的最薄弱處位于Ⅱ段前腿靠近滑輪處，但此處并未有應(yīng)力片測(cè)試。由此得出最薄弱處主要集中在Ⅱ段及Ⅲ段前腿處。

4)有限元模型結(jié)果高于測(cè)試結(jié)果，但基本數(shù)據(jù)相同。

4結(jié)論

1)通過(guò)SAFI計(jì)算，所有工況UC值均小于1，即結(jié)構(gòu)安全符合APISpec4F—2013要求。井架最大應(yīng)力發(fā)生在井架前腿Ⅱ、Ⅲ段處。SAFI軟件分析與實(shí)際測(cè)試值基本一致，可以通過(guò)其準(zhǔn)確地分析井架各工況下的受力情況。

2)通過(guò)對(duì)JJ675/48-K型井架進(jìn)行6 750kN載荷的應(yīng)力測(cè)試，同時(shí)結(jié)合有限元模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性及井架設(shè)計(jì)的合理性。JJ675/48-K型井架滿足最大設(shè)計(jì)承載能力的要求。

3)根據(jù)SAFI有限元分析結(jié)果及應(yīng)力與變形測(cè)試數(shù)據(jù)，可進(jìn)行井架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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The Finite Element Simulation Analysis and Stress Testing Contrast for JJ675/48-K Mast

QIAO Changkui1，HAO Fengyu1，HUA Xiaotao2

(1.LanzhouLSPetroleumEquipmentEngineeringCo.，Ltd.，Lanzhou730314，China；2.BaohaiEquipmentLiaoheHearyIndustryCompany,Panjin124010,China)

Abstract：In terms of JJ675/48-K mast，a finite element model was established by means of SAFI.The design load was analyzed to ensure that it conformed to API 4F and AISC 335-89 and stress testing with 6 750 kN load was also performed on the mast.At the same time，the date were compared and analyzed by combining the finite element model which verified the accuracy of the finite element model and the reasonability of the mast design.

Keywords：mast；SAFI；finite element model；stress test；comparative analysis

文章編號(hào)：1001-3482(2016)06-0031-06

收稿日期：2015-10-28

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)涕L(zhǎng)奎(1966-)，男，甘肅靈臺(tái)人，工程師，主要從事石油鉆機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)及管理工作，1534579665@qq.com。

中圖分類號(hào)：TE923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.007