K型井架相似模型起升過程應(yīng)力測試分析

張 浩，柳登瀚，張 冉，邵長彬，李建鵬

中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心 （山東 東營 257061）

由于K型井架具有視野寬、能整體起放等優(yōu)點(diǎn)，近年來獲得廣泛應(yīng)用，已達(dá)到在用井架的80%以上。但K型井架龐大的身軀也為整體起放帶來困難，且K型井架發(fā)生的事故中多為起升過程中由于個(gè)別桿件受力偏大導(dǎo)致井架出現(xiàn)整體變形，因此，井架安全起放尤其是深井超深井鉆機(jī)井架的整體安全起放已成為井架制造單位和井架使用單位關(guān)注的重點(diǎn)。據(jù)了解，近幾年，新井架在出廠起升實(shí)驗(yàn)中及在用井架在組裝起升過程中，已多次出現(xiàn)了摔井架或井架扭曲事故，多家井架制造單位和使用單位已提出了井架起升檢測需求，本文通過建立相似模型來分析井架在起升過程中的受力規(guī)律，對指導(dǎo)井架設(shè)計(jì)制造及使用過程中的維護(hù)保養(yǎng)具有重要意義。

1 相似理論分析

相似理論是指一個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生的現(xiàn)象的全部物理量與另一個(gè)系統(tǒng)中的同類量成比例，且滿足幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似。在結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中，要使試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型結(jié)構(gòu)保持物理相似，須滿足幾何相似、模型材料與原型材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相似，以及初始條件和邊界條件相似等[1]。同時(shí)，對相似模型進(jìn)行量綱分析，使井架模型和原型在量綱上保持統(tǒng)一。

在井架起升測試中，需要考慮的物理量有：載荷F，N；材料的應(yīng)力 σ，Pa；材料的彈性模量 E，Pa；材料密度ρ，kg/m3；結(jié)構(gòu)的幾何尺寸l，m；井架質(zhì)量m，kg。井架模型和原型滿足的相似條件為：

式中：β表示模型和原型的相似比，設(shè)定井架模型與原型結(jié)構(gòu)幾何尺寸比βl為l:8，模型與原型材料的彈性模量比βE為1:1，模型與原型的材料密度比βρ為 1:1，即

由公式（1）和（2）可得，載荷 F、材料的應(yīng)力 σ、井架質(zhì)量m的相似比為：

2 JJ450/45-K井架的相似模型

2.1 井架原型技術(shù)參數(shù)

①最大鉤載：4 500kN（6×7 輪系）；②有效高度：45.5m；③頂部開襠（正面/側(cè)面）：(2.5/2.2)m；④底部開襠：9m；⑤自重：76 880kg。

2.2 井架模型研制

井架相似模型是根據(jù)相似定理進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證井架模型與原型之間滿足幾何相似和物理相似，即位移大小、受力變化、邊界條件等保持相似。

根據(jù)公式（3），相似理論，井架原型最大鉤載為450t，則井架模型的最大鉤載約為7t。井架模型如圖1所示。井架模型按7t加載測得的應(yīng)力值與井架原型加載450t時(shí)對應(yīng)的測點(diǎn)的應(yīng)力值是相等的，即井架模型與井架原型在受力規(guī)律上是等效的。但在做起升實(shí)驗(yàn)時(shí)，其載荷是井架本身的自重，而井架模型和原型的自重成立方關(guān)系，即模型自重作為載荷時(shí)比原型實(shí)物少了一次方，故起升時(shí)模型所測得的應(yīng)力值比原型實(shí)物對應(yīng)的應(yīng)力值少了一次方，必須加以校正，須乘以（βl-1），即

式中，P模為模型測得應(yīng)力值，Pa；P模真實(shí)為真實(shí)應(yīng)力值，Pa。

3 井架起升過程力學(xué)分析

3.1 井架起升工作原理

井架在起升前，上段?？吭谥渭苌?，利用絞車滾筒轉(zhuǎn)動，通過起升大繩和人字架將井架整體起升到豎直的工作位置。起升井架時(shí)，在絞車滾筒的拉動下，快繩依次通過天車導(dǎo)向滑輪、游車滑輪、天車滑輪、井架下段的死繩固定器。同時(shí)，起升大繩的一端固定在人字架左后腿的底盤上，另一端分別通過這一側(cè)的人字架導(dǎo)向滑輪和2個(gè)井架導(dǎo)向滑輪后，再通過大鉤鉤口，然后繞向另一側(cè)的2個(gè)井架導(dǎo)向滑輪和人字架導(dǎo)向滑輪，最后固定在井架人字架右后腿的底盤上。如圖1所示。

3.2 井架起升快繩拉力

井架起升過程可看作準(zhǔn)靜態(tài)過程，即井架在起升中任何角度均處于受力平衡狀態(tài)[2]，所受外力有井架自重、天車自重、快繩拉力、起升大繩拉力[3-4]，如圖1所示，可得出：

式中：a為P對O點(diǎn)的力臂，mm；b為F對O點(diǎn)的力臂，mm；L1和L2分別為井架重心與天車重心到 O 點(diǎn)的距離，mm；α 為井架起升角度，（°）；α1為井架重心與O點(diǎn)連線與井架下方輪廓線的夾角，（°）；α2為天車重心與O點(diǎn)連線與井架輪廓線的夾角，（°）。

由式（5）推導(dǎo)整理得，該種穿繩方式下，井架起升力與起升角的關(guān)系式為：

式中：L0為人字架側(cè)邊導(dǎo)向滑輪到井架側(cè)邊導(dǎo)向滑輪初始繩長，mm；S1為人字架側(cè)邊導(dǎo)向滑輪到O點(diǎn)的距離，mm；S3為井架側(cè)邊導(dǎo)向滑輪到O點(diǎn)的距離，mm；B為絞車滾筒與點(diǎn)的連線和天車導(dǎo)向滑輪與O點(diǎn)連線的夾角，（°）；S4為絞車滾筒到O點(diǎn)的距離，mm；S5為天車導(dǎo)向滑輪到O點(diǎn)的距離，mm；C為絞車滾筒與O點(diǎn)的連線和天車導(dǎo)向滑輪與O點(diǎn)連線的夾角，（°）；h為大鉤拉力對井架側(cè)邊導(dǎo)向滑輪的力臂，mm。

圖1 井架起升原理示意圖

對照J(rèn)J450/45-K井架模型相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得以下數(shù)據(jù)，G1=1 781kg，G2=152kg， L1=2 680mm， L2=6 766mm，α1=3.9°，α2=1.5°，h=575mm，L0=4 160mm，S1=1 250mm，S3=1 703mm，S4=1 625mm，S5=6 893mm,B=101.6°，C=90°。當(dāng)快繩離開人字架中間導(dǎo)輪后，S4=1 206mm，C=180°。根據(jù)以上數(shù)據(jù)得P～α關(guān)系曲線，如圖2所示，井架起升力隨起升角度增大而減小，初始位置時(shí)所需起升力最大，最大值在井架處于0°位置時(shí)，之后，起升力就隨著起升角的增大一直減小。當(dāng)起升角達(dá)到78°位置時(shí)，起升力減小的速度加快，這是因?yàn)榭炖K離開了人字架導(dǎo)輪，快繩拉力直接作用于井架天車。井架起升到86°左右時(shí)，起升力為零，起升角再增大，起升力則變?yōu)樨?fù)值，而繩索只能提供拉力，顯然井架趨近90°時(shí)，不再需要快繩提供起升拉力，井架會因自重自動靠放到人字架上。這種穿繩方式避開了井架初始位置較大的起升力區(qū)域，對于保護(hù)井架是有利的，但是這種方式把起升力加到了人字架上，人字架要承受更大的壓力。因此，在保證人字架足夠安全的情況下，這種起升方式對井架本體的安全還是有利的。

圖2 井架起升力變化曲線

4 井架模型起升應(yīng)力測試

4.1 應(yīng)力測試儀器及布點(diǎn)依據(jù)

井架起升應(yīng)力測試中使用的應(yīng)變片為90°應(yīng)變花，電阻值為120±0.2Ω，靈敏系數(shù)為2.08，應(yīng)變片的柵長為2mm，用膠水將應(yīng)變片粘貼在待測部位，通過半橋電路接入應(yīng)變測量系統(tǒng)中，利用快速接頭和屏蔽的導(dǎo)線連接無線發(fā)射模塊，無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊的量程為±15 000με，測量精度為±2με，每個(gè)無線發(fā)射模塊可以連接并采集4個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，安裝時(shí)通過磁座吸附在被測量桿件上，在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線接收網(wǎng)關(guān)，然后通過電腦中的應(yīng)變測量軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

井架起升測試的布點(diǎn)主要是選擇在井架立柱均勻主受力區(qū)以及應(yīng)力集中區(qū)和彈性撓曲區(qū)等危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)[5]，根據(jù)井架模型的受力特點(diǎn)，在人字架導(dǎo)向滑輪下部的立柱、人字架前后大腿、井架起升導(dǎo)向滑輪附近的立柱以及井架二層臺附近的立柱等部位共設(shè)置64個(gè)測試點(diǎn)，以采集井架起升全過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

4.2 應(yīng)力測試數(shù)據(jù)分析

初始位置以水平方向?yàn)?°，井架起升角度：0°～90°，井架起升過程中連續(xù)采集數(shù)據(jù)，各測點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線如圖3所示，各測點(diǎn)應(yīng)力峰值見表1。

表1 各測點(diǎn)應(yīng)力峰值

由圖3可以看出，井架起升過程中相關(guān)主受力構(gòu)件在井架開始起升的位置（即水平位置）時(shí)各測點(diǎn)整體受力最大，尤其是起升角度在0°～15°范圍內(nèi)受力較大，之后隨著起升角度的增大，各測點(diǎn)受力逐漸變?。淮芷鹕凉ぷ魑恢茫簇Q直位置）時(shí)，應(yīng)力值停止變化，且此時(shí)應(yīng)力是由于井架自身重力產(chǎn)生的，應(yīng)力值均較小。

圖3 井架起升各測點(diǎn)應(yīng)變曲線

根據(jù)表1可知，井架在起升過程中應(yīng)力峰值較大的測點(diǎn)為13～16、33～40、57～64，井架在起升過程中最大應(yīng)力位于井架立柱下段起升大繩纏繞的導(dǎo)輪處和人字架的人字連接處。因此，在設(shè)計(jì)井架時(shí)，應(yīng)著重加固這2個(gè)部位的桿件。

5 結(jié)論

1）初始位置時(shí)所需起升力較大，起升力最大值在井架處于水平位置時(shí)，起升力隨著起升角的增大而一直減?。寒?dāng)起升角達(dá)到78°位置時(shí)，起升力減小的速度加快；井架起升到86°左右時(shí)，起升力為零。

2）根據(jù)應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，井架起升過程中相關(guān)主受力構(gòu)件在井架傾角較小時(shí)整體受力最大，尤其是起升角度在0°～15°范圍內(nèi)受力較大，最大應(yīng)力位于井架立柱下段起升大繩纏繞的導(dǎo)輪處和人字架的人字連接處。

[1]符彥惟.相似與模型設(shè)計(jì)法在石油機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，1998，27(6)：34-37.

[2]張學(xué)軍，陳孝珍.ZJ70DB型鉆機(jī)片架起升過程有限元仿真分析[J].石油礦場機(jī)械，2008，37(12)：35-38.

[3]朱襟成.超深井石油鉆機(jī)井架起升過程動態(tài)特性分析[D].武漢：華中科技大學(xué),2008.

[4]Vittorio Gusella，Ostilio Spadaccini，Andrea Vignoli.In-Service Dynamic Behavior of a Drilling Derrick on a Jacket Platform[J].International Journal of Offshore and Polar Engineering，1996，6(7)：184-194.

[5]SY 6326-2012石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范[S].