基于有限元方法的井架承載力安全評定

劉漢光，張士超，吳奇兵，饒 茜

井架是石油鉆修機起升設備的重要組成部分之一，其桿件多，受力情況復雜，在油田作業中使用頻繁。海洋修井機井架作業環境惡劣、作業難度較大、作業強度高，因此對其進行承載能力評定尤為重要[1-2]。W平臺修井機井架已服役近15年，隨著服役時間的延長，設備逐漸老化，在不同程度上削弱了結構的承載能力，增大了井架結構服役期間失效的可能性。為評估W平臺修井機井架安全狀況及作業能力，在進行現場結構測量和腐蝕檢測的基礎上，運用ABAQUS軟件進行有限元分析，得出井架的應力分布規律，計算其現有承載能力，并結合修井作業的實際條件和狀況，得出合理的安全評定結論。

1　有限元模型建立

1.1　井架概況

W平臺修井機井架設計最大鉤載1 580 kN，為直立無繃繩伸縮式K型井架。井架分為上體、下體、人字架3部分，整個井架結構左右對稱。其井架結構示意圖見圖1。

對于有限元分析計算，在建立幾何模型時必須明確井架結構的主要尺寸，總體尺寸見表1。

該井架主要使用了兩種型鋼：H型鋼、矩型鋼。鑒于W平臺井架長期承受海洋環境腐蝕等因素的影響，各桿件壁厚減薄是不可避免的。通過現場實測以及部分圖紙資料，確定了修井機井架總體結構尺寸以及桿件的截面參數，數據見表2。

1.2　有限元模型的建立

井架結構桿件繁多，受力復雜。為減少計算成本，在建立井架有限元模型時按照以下幾點進行簡化，建立出滿足精度要求的簡化力學模型[3-4]。

表2　井架桿件截面尺寸

1）井架本體為三維剛架結構，桿件多為壓彎桿件，因此將井架簡化為三維空間剛架結構，采用三維線性梁B31單元。

2）井架上下體在工作時連接可靠，不發生相互竄動現象，簡化為耦合約束。

3）由于天車、二層臺等井架附屬結構對井架整體的剛度影響不大，建模時可忽略。

根據現場實測的井架尺寸，結合簡化原理建立井架三維有限元模型，模型共計劃分2 369個單元。

1.3　材料參數

該井架用鋼為Q345，相關力學性能參數見表3。

表3　Q345鋼力學性能參數

1.4　邊界條件及載荷施加

經過現場調研及設計資料發現井架人字架大腿與鉆臺剛性連接，而鉆臺剛性很大，因此認為井架底端為固支約束。井架上下體之間通過銷軸聯接傳遞載荷，在有限元模型中通過井架橫桿間的節點耦合模擬傳遞此作用力。

該井架設計最大鉤載為1 500 kN。在進行有限元計算時，將該井架最大鉤載與井架自重組合計算。最大鉤載平均分配到井架頂部的4個節點上，即在井架頂部4個節點上，分別沿Y軸施加-375 kN集中力，同時對井架整體施加重力載荷。邊界條件及載荷施加見圖2。

圖2　井架有限元模型邊界條件及加載示意圖

2　有限元模型驗證

為驗證有限元模型的準確性，利用現場應力測試結果與有限元分析結果進行對比，并依據實測數據修正有限元模型[5-6]。

依據相關標準及文獻，采用IMP數據采集系統進行應力應變數據采集[7-8]。結合有限元分析結論合理布置應變片進行數據測試。測試進行3次，每次載荷取值為：30 kN（儀器調零）、80 kN、160 kN、240 kN、320 kN、400 kN。得出各載荷作用下的應力值，通過曲線擬合得到各測點在設計最大鉤載1 500 kN載荷時的應力值。

對井架有限元模型依次施加試驗載荷，分析得到井架模擬應力值，與應力測試結果進行比較，對比結果見圖3。

圖3　井架某測點有限元分析與應力測試結果對比

由圖3可以看出，建立的修井機井架模型承載力測試數據與現場應力測試數據相差很小，說明該有限元模型滿足對井架分析的要求，模擬數據可以作為井架研究的參考依據。

3　結構受力分析

3.1　最大鉤載

最大鉤載工況是API標準[9]及國家標準定義的井架極限承受載荷狀況，理論上也是最危險的一種工況。檢驗井架承載能力必須考察井架在最大鉤載工況下桿件的應力與位移情況。通過修正的有限元模型進行最大鉤載工況模擬分析，其應力計算結果與位移計算結果見圖4。

由最大鉤載工況下的應力分析結果可得，井架主桿應力較大，橫撐和斜撐的應力情況均較小，這與主桿為井架主要承載桿件的事實相符。通過比較各節主桿受力情況，井架前主桿及二層臺上下段連接處主桿受力較大。

按我國海洋石油標準及API標準規定：海上鋼結構材料最低屈服強度與承受設計計算最大值時的構件最大應力之比不得小于1.67，得到井架的許用應力[σ]＝345÷1.67=206.59 MPa。由圖4可見：井架結構最大等效應力為252.20 MPa＞206.59 MPa。可見W平臺修井機井架經過多年的使用與腐蝕，其承載能力下降較快，目前已不能滿足最大鉤載下的作業要求。

圖4　井架在自重及最大鉤載作用下的應力云圖

由位移分布圖4（b）可見，井架整體上段位移相對下段位移大，最大位移處發生在井架二層臺之上第二節前主桿，位移值56.5 mm。井架上段桿件剛度小，且結構形式為前開口式，導致桿件活動自由，而由于井架底部受到約束，側向變形小。

3.2　模態分析

在井架進行修井作業起下鉆過程中，尤其是在處理事故時使用大噸位載荷時，井架所受到的沖擊力會使其產生劇烈振動[10-11]。為分析出井架的振動特性，可采用ABAQUS模態分析。由于井架結構剛度較大，因此其振動頻率低，故分析其前8階振動固有頻率和振型即可。前8階振動振型和固有頻率分別見圖5和表4。

圖5　井架前8階模態振型圖

由表4可見：井架的固有頻率較低。在設計及使用修井機其他機械設備時，盡量避免與井架固有頻率相同或相近，以免發生共振對井架結構造成影響。

3.3　穩定性分析

井架結構主要受力構件以壓彎為主，要保證井架安全工作，不但要滿足強度及剛度要求，穩定性亦很重要。尤其遇到井架安裝后井架不平齊或大鉤不對中等狀況時，使得井架受力偏心，井架受彎曲作用明顯，結構穩定性問題尤為突出。進行穩定性分析，可以應用ABAQUS進行線性屈曲分析，得到該井架的極限載荷，將該臨界載荷作為非線性穩定性分析的參考值[12]。通過有限元計算，提取前5階屈曲模態如表5所示。

分析表明：井架一階失穩時承受的鉤載為5 631.30 kN，遠大于該井架的額定鉤載，說明井架結構穩定性高，在額定載荷作用下不會失穩破壞。

3.4　局部應力分析

通過井架外觀檢查以及井架各桿件截面尺寸測量可以看出：井架結構整體銹蝕較嚴重，外觀檢查標記銹蝕部位78處。修井機井架橫撐及斜撐存在大量銹蝕，通過超聲波測厚，井架因銹蝕導致主要桿件減薄量最大為1.7 mm，有10處銹蝕穿孔。

表4　井架前8階固有頻率

表5　井架前5階屈曲模態

為分析桿件穿孔對桿件受力狀態的影響，選取某帶穿孔橫撐，對比腐蝕穿孔前后桿件受力情況。

由圖6可見，在桿件正常狀態下應力分布均勻，等效應力為25.78 MPa。當受到腐蝕穿孔后，桿件有明顯的應力集中現象，出現的最大應力為44.22 MPa，可見穿孔對桿件受力不利影響很大，在對井架做安全評定時要格外關注，穿孔位置同樣是加固修復的重點關注部位。

圖6　某橫撐正常狀態應力云圖

4　結論

1）由最大鉤載工況下的應力分析結果可得，井架主桿應力較大，橫撐和斜撐的應力情況均較小，井架結構最大Mises應力為252.20 MPa＞206.59 MPa。W平臺修井機井架經過多年的使用與腐蝕，其承載能力下降較快，目前已不能滿足設計最大鉤載下的作業要求。

2）通過模態分析可以得出，井架的固有頻率較低，在設計和使用修井機其他設備時，要避免與井架固有頻率相同或相近，以免發生共振。

3）井架一階失穩時承受的鉤載為5 631.30 kN，遠大于井架額定鉤載。說明該井架的穩定性好，井架發生破壞時因為強度不夠，而非整體結構失穩。

4）當桿件受到腐蝕有穿孔后，桿件有明顯的應力集中現象，在對井架做安全評定時要格外關注，穿孔位置同樣是加固修復的重點部位。

5）有限元分析可以得出井架詳細的受力狀態，優勢明顯。但有限元模型需要結合現場應力測試等試驗數據進行修正，提高其準確程度，分析結論才會更加符合實際狀態。

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