石油鉆機井架前大腿彈塑性的穩定性分析*

李海

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石油鉆機井架前大腿彈塑性的穩定性分析*

李海

（甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070）

石油鉆機井架是石油鉆機的重要承載部件，其結構桿件多、連接復雜、受力環境惡劣，文章研究了新型前開口“Π”型井架，并對其進行了有限元分析及計算，彈塑性穩定性分析方法所得到的井架穩定安全系數較按彈性穩定性分析方法所算得的結果低。

石油鉆機；井架；前大腿；穩定性

1 前言

在新型井架使用之前，油田使用的石油鉆機井架采用的是前蘇聯的方型井架，由于全部立根置于塔架內部，故塔架內部需要很大空間，用料多且笨重，鉆井的時候，立根的安裝、連接比較慢，工作效率較低，鉆井的深度一年內很難超過1萬米；而新型前開口“Π”型井架全部立根置于構架前側面外部，這樣構架尺寸可減至最小，并且能明顯提高鉆井的工作效率，每年平均鉆井深度達到4萬米，提高工作效率300％以上。

2 井架的結構及計算

2.1 結構

井架作為石油鉆機的重要承載部件之一，其鋼結構井架桿件多、連接復雜，受力環境惡劣，使用工況復雜，因失穩而破壞的情況在國內外都曾發生過。特別是這種“Π”型井架，由于井架的正面，除頂端一小段封閉外，其余是完全敞開的，因此，井架的兩個前大腿，由于它們之間無任何腹桿相聯系，在它們之間構成的平面內失穩的危險性增加。經驗表明，井架在整體起升和承受最大鉤載兩種危險工況下，前大腿的失穩是此類井架的主要失穩形式之一。

由于井架高度46m，而底座的寬度、高度僅有5~6m，工作人員在28m平臺上作業，且井架主要是由桿件組成，桿件的幾何尺寸的特點是長度遠大于寬度和高度，井架承受載荷高達2000Nk力的作用，如果設計上稍有失誤，就會造成很大損失。由于以上原因，新型井架的設計、生產往往具有很大的危險性，據統計，新設計的井架的損壞率達到50%。新型前開口“Π”型井架主要參照美國同類型的井架設計，但是由于兩個國家材料不同，鋼材型號不同，因此不能照本宣科美國井架的設計。對井架進行受力分析評價，工程上常用的方法是現場測試井架應力、位移，以測試數據為基礎，按線性外推的方法確定井架的承載力。但由于其惡劣的工作環境和復雜的受力情況，應用常規力學方法進行力學分析己經不能滿足設計的需要，這種方法只能對有限的危險部位進行布置測點，因此很難取得全面、合理的評價結果。

2.2 前大腿有限元分析

現代“Π”型井架，高度為40多米，從結構上一般分為四段，每段約10米，除由頂段為一個完整的焊接體外，其余三段都可分解為左右兩大片(為運輸方便而設計)。每片是一個焊接體部件，兩大片由背部桿通過銷釘相連接，段與段之間則通過銷釘和螺栓固緊。由于井架正面是完全敞開的，即在井架的兩個前大腿之間所構成的平面內無任何腹桿相聯接，因此，井架在整體起升和承受最大鉤載兩種危險工況時，井架的兩個前大腿受到來自天車等巨大的軸向壓力，首先會造成前大腿在上述平面內的失穩的嚴重危險。

圖1 前大腿穩定性分析的有限元模型

為提高前大腿對這種失穩的抵抗能力，設計者每隔一定高度設計一道橫箍，這些橫箍由側面兩大片上的橫腹桿與背面的橫腹桿相連接而成，這些橫箍在水平面內的彎曲剛度頗大。當前大腿欲失穩變彎而發生橫向位移時，這些橫箍在被迫變形后就產生相應的約束反作用力，起到阻礙和限制失穩變形的作用，它們實際上相當于一些橫向彈性支承。在它們之間構成的平面內失穩井架前大腿的穩定性不僅和其本身的抗彎剛度有關，而且很大程度上取決于井架每層橫桿組成的框架的抗彎能力。在井架的最上部是前扇封閉的結構，剛性較大，下部牢固地連接在底座上，因而可得到前大腿穩定性分析的有限元模型，如圖1所示，這一模型的每一段桿都受有不同的軸向壓力和彎矩的作用，它可由有限元法的靜強度分析得到。彈簧的彈性系數按圖2所示結構應用變形能法求得彈性系數C的表達式。

C=E/Lh2[(h/3Ⅰ1)+( h /2Ⅰ2)] （1）

式中 L------弓單性支座的間距(井架每層的高度)；

E------材料的彈性模量；

h------側扇橫桿的長度；

b------后扇橫桿的長度；

I1、Ⅰ2------州則扇、后扇橫桿的慣性矩。

圖2 框架彈性作用示意圖

將井架有關的幾何尺寸、材料的彈性模量及側扇、后扇橫桿的慣性矩代入式(4-1)，計算得到彈簧彈性系數C=566e3 N/m，前大腿結構情況如表1所示。

表1 井架前大腿結構情況

2.3 彈性穩定性計算

分別對井架整體穩定性計算中的四種工況進行分析，穩定性最危險的工作狀態是最大吊載工況，圖3是最大吊載工況時彈性變形的位移結果，查詢計算結果可知，臨界載荷為266OkN，在井架實際結構中，最大吊載工況時，前大腿的軸向力為830kN，因此穩定安全系數為n=3.2，而許用安全系數為[n]=3.00，這顯然是安全的。

圖3 彈性變形的位移結果

作為單向穩定性分析，每個單元只有四個自由度。設單元的節點位移分量和節點載荷分量列陣依次為：

{Ue}=[uiui’ujuj’]T

{Fe}=[QiMi’QjMj’]T

每個單元的剛度方程為：

[[kfe]+[kge]]{Ue}={Fe}

其中[kfe]和[kge]分別為單元的剛度矩陣和幾何矩陣。

由單元剛度方程可組成系統的總剛度方程：

[[k*f]+[kg]]{U}={F}

其中[k*f]和[kg]分別為系統的總彈性矩陣和總幾何矩陣，{U}和{F}分別為系統的節點位移分量列陣和節點載荷分量列陣。

考慮到中間節點處彈性支撐的作用，總剛度方程改為

[[k*f]+[kg]]{U}={F}-[R]{U}

[[k*f]+ [R] +[kg]]{U}={F}

在進行井架前大腿彈塑性穩定分析時，我們把整個過程分成看成一個載荷同步求解。同時，保證在每一個載荷步內只有斜坡一種載荷形式。然后指定子步為1000和平衡迭代個數為15。分析方法：靜態分析；外力大小：F=2660kIV；激活大變形影響(NLGEOM)為ON；輸出每一個子步驟。將線性搜索打開(on)，促進Newton-Raphson求解器收斂。將最大迭代次數(Maximun Number of Iterations)設為1000。

3 結束語

對井架前大腿進行了彈塑性穩定性分析，并與彈性穩定性分析結果進行了對比。可得到：按彈塑性穩定性分析的臨界載荷是彈性穩定性分析0.870086倍。

[1] 常玉連,劉玉泉.鉆井井架,底座的設計計算[M].石油工業出版社, 1992.9.

[2] 李皓月,周田朋,劉相新.工程計算應用教程[M].中國鐵道出版社,2003.

[3] 王紀海.石油鉆機井架彈性及彈塑性的穩定性分析研究[D].西安建筑科技大學,2005.

Elasto - plastic Stability Analysis of Front Thigh of Oil Drilling Rig Derrick*

Li hai

( Gansu Communications Vocational and Technical College, Gansu Lanzhou 730070 )

The derrick of oil drilling rig is an importantly bearing component of oil drilling rig. It has many structural members, complicated connections and poor stress environment. This paper studies a new type of front-opening- type"Π" type derrick, and carries out a finite element analysis and calculation to it. The result of stability safety factor of derrick obtained by elastic-plastic stability analysis method is lower than that obtained by elastic stability analysis method.

mid-summer; harvester; soil separation device; mechanical analysis

U467

B

1671-7988(2019)08-67-03

U467

B

1671-7988(2019)08-67-03

李海（1981－），男，講師，就職于甘肅交通職業技術學院汽車與筑機工程系。主要從事機械設計，汽車維修工作。

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助（310822161115）；甘肅省科技計劃資助項目（1504FKCA001）；甘肅省高等學校科研項目（2016A-130）；甘肅交通職業技術學院科研項目（2017Y-18）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.021