JJ160/41-K型模型井架結構分析

鄒龍慶，赫廣田 (大慶石油學院機械科學與工程學院，黑龍江 大慶163318)

JJ160/41-K型模型井架結構分析

鄒龍慶，赫廣田 (大慶石油學院機械科學與工程學院，黑龍江 大慶163318)

針對目前在大慶油田廣泛使用的石油鉆機JJ160/41-K型井架存在的結構問題，利用I-DEAS有限元程序對該模型井架進行了結構靜、動力分析。結果表明，該井架前部2根立柱受力最大，為井架承載的薄弱環(huán)節(jié)；振動也較大，剛度不足。

模型井架；結構分析；承載能力；有限元；靜力；動力

JJ160/41-K型井架是大慶石油管理局鉆井公司機修廠研制開發(fā)的一種適合大慶地區(qū)的K型井架。近幾年，陸續(xù)在大慶油田投入使用。雖然已經(jīng)有結構優(yōu)化和穩(wěn)定性方面的分析研究[1]，但設計時沒有進行動力計算。在使用過程中出現(xiàn)了有時振動過大、個別部位剛度弱的問題。該井架能否滿足2000m井深的鉆探要求，其強度、動力特性如何，已經(jīng)成為現(xiàn)場急需解決的問題。為此，筆者利用I-DEAS大型有限元分析軟件對該井架進行靜、動力分析，從強度、穩(wěn)定性方面對現(xiàn)有的井架進行承載能力研究，結合井架結構計算仿真，建立相關承載力安全的評定理論。

1 模型的建立

JJ160/412K型井架主要由下段、中下段、中上段、上段等4部分組成。整個井架在地面或接近地面處水平組裝，依靠絞車動力，利用起升人字架將井架整體升起到垂直的工作位置。I-DEAS軟件[2]通過建立一個簡化的、接近實際結構的力學模型來求解。

1)將二層臺、天車、工作梯等附件在簡化時全部忽略，二層臺和天車的質量視為集中質量分配于相應的結點位置。

2)井架各桿件均承受軸向力和附加彎矩作用，各結點均為焊接的剛性結點，故將其簡化為空間剛架結構，并采用空間梁單元為基本單元。

圖1 模型井架結構圖

3)模型解算時忽略井架自重和風載影響，井架鉤載平均作用于4根立柱上。

4)井架底座與地面為全約束。

5)簡化后，井架4部分之間可視為剛性連接。

2 模型的離散化

選取井架結構的自然結點作為有限元計算模型的結點，選取角鋼、不等邊角鋼、圓鋼和雙排工字鋼、壓型梁等定義空間梁單元。

該井架高41.15m，計算模型共劃分116個結點，281個單元，各桿件均采用16Mn鋼，共有8種截面特性，設計最大鉤載為1568kN。井架整體結構簡圖、計算模型和離散模型如圖1所示。

3 井架結構分析

圖2 靜力分析結果云圖

原JJ160/41-K型鉆機井架的最大靜鉤載為160t，故模型最大靜鉤載為0.71t。利用I-DEAS進行有限元靜力分析計算，結果如圖2所示。

結合圖2可以發(fā)現(xiàn)，井架4個立柱承受主要應力，各斜、橫撐桿的應力總體水平遠小于4根立柱，最大應力為90.8MPa，位于井架第3大節(jié)3號立柱第1、2小節(jié)處(215號單元，19號節(jié)點)；最大位移(豎向位移)為1.34mm，位于2號立柱下段人字架支點處(154號單元，78號節(jié)點)。

表1 模型井架在不同鉤載情況下最大位移和最大應力值

通過施加最大靜鉤載的方法的靜力計算說明,井架模型在承受最大靜鉤載的時候，4個立柱是主要承載構件，其中位于井架第3大節(jié)處的立柱部分壓應力最大(圖2(a))；人字架處位移變形最大，井架模型頂點位置朝X向(前開口方向)的前傾位移最大(圖2(b))。

分別在豎向載荷為290、580、870、…、1742N下對模型井架結構進行有限元靜力分析(如圖3所示),得到位移和應力值最大值(如表1)。

圖3 不同載荷下有限元靜力分析

階數(shù)頻率/Hz階數(shù)頻率/Hz114.509445.878218.011567.454324.409688.049

由圖3和表1可以看出，隨著井架載荷的逐級遞增，位移幅值隨之遞增，應力值也隨之遞增，二者明顯呈線性關系。計算結果表明，在模型井架的承載范圍內，井架位移變形和承載能力變化與外載有關，并呈顯著線性變化。

2)結構動力分析 為全面獲得井架的固有振動特性，利用有限元軟件I-DEAS對井架模型進行模態(tài)分析，可得到井架模型的前6階固有頻率(表2)及其對應主振型(圖4)。

表3 各主振型對應位移與應力

注：結構模態(tài)分析結果所得應力和位移均為等效值非真實值，主要用來獲得應力和位移分布。

由圖4得到各主振型對應位移與應力數(shù)據(jù)列如表3。1階振型(圖4(a))主要表現(xiàn)為X-Y平面內的彎曲振動，以模型井架頂點位置處最為明顯，58號單元(63節(jié)點)承受最大位移，42號單元(46節(jié)點)承受最大應力；2階振型(圖4(b))主要表現(xiàn)為X-Y平面內的彎曲振動，形式如同懸臂梁，另外，井架頂部伴有明顯的扭振；3階振型(圖4(c))主要表現(xiàn)為Y-Z平面內的1階彎曲振動，同時以人字架頂點為原點在繞立柱軸向做整體扭振，頂部61單元(1號節(jié)點)應力最大；四階振型(圖4(d))主要表現(xiàn)為模型井架的整體扭振，同時在井架二層臺、人字架附近兼有2階彎曲振動；5階振型(圖4(e))以Y-Z面的3階彎曲為主，最大幅值分別為0.253m、0.171m和0.076m；6階振型(圖4(f))主要為X-Y平面內的彎曲振動，但振幅最大部位不在井架頂點位置，而在第2大節(jié)和第3大節(jié)的連接部位，最大振幅達到0.151m，59號單元(31節(jié)點)承受最大應力。

圖4 JJ160/41-K型井架模型的前6階振型

4 結 論

1) 井架結構有限元靜力分析結果表明，JJ160/41-K型井架前部2根立柱受力最大，為井架承載的薄弱環(huán)節(jié)。

2) 動力分析結果表明，該井架2個前立柱振動較大，剛度不足。

[1]武吉有.JJ160/41-K型井架結構優(yōu)化及穩(wěn)定性分析[J].鉆采工藝,2000,23(2):54～56.

[2]薛繼軍.鉆機井架有限元模態(tài)分析[J].石油礦場機械,2001,30(6):44～46.

[編輯] 洪云飛

TE923

A

1673-1409(2009)02-N097-03

2009-03-24

黑龍江省自然科學基金資助項目( E200509)；黑龍江省教育廳資助項目(10551008)。

鄒龍慶(1962-)，男，1982年大學畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事石油井架的設計、檢測及承載能力安全評定方面的研究工作。