K型井架有限元仿真分析及檢測方案優(yōu)化

楊 波，王再明

(1武鋼礦業(yè)公司烏龍泉礦，湖北武漢430213; 2湖北理工學院電氣與電子信息工程學院，湖北黃石435003)

井架是鉆采機械的重要組成部分，其安全性將直接影響整個鉆機及修井機的正常使用。實際工程中，井架由于長期處于野外作業(yè)環(huán)境，并且移動頻繁，將逐漸產生腐蝕、變形、疲勞、裂紋以及其他局部或整體損傷等缺陷，難以滿足最初的強度設計要求，成為鉆井及修井作業(yè)中的重大安全隱患［1－2］。因此，為保障鉆、修井作業(yè)的安全，我國在1997年制定了井架檢測評定標準和實施細則，為石油井架承載能力檢測評定的具體實施奠定了基礎。近年來，隨著檢測技術的不斷發(fā)展以及現場檢測反饋信息的豐富，為達到井架檢測更加科學準確的目的，國家發(fā)展和改革委員會于2008年發(fā)布了SY/T6326－2008《石油鉆機和修井機井架、底座承載能力檢測評定方法》新標準，該標準采用美國建筑物鋼結構設計規(guī)范AISC推薦的相關理論和方法進行計算評定，不僅對井架評定方法及要求進行了較大修訂，還增加了底座外觀檢查和評定方面的內容。SY/T6326－2008標準的實施規(guī)范了實際工程中井架檢測評定內容及要求，但目前尚缺乏與之相應的具體實施方案。因此，制定符合SY/T6326－2008標準要求的井架強度檢測實施方案，對井架安全評定工作具有實際指導意義。

本文以K型井架為研究對象，利用有限元分析軟件ANSYS對設計載荷作用下井架的變形位移及應力分布進行仿真分析，同時基于有限元分析結果，結合SY/T6326－2008標準要求，對井架強度檢測方案中應變片的選擇及測點規(guī)劃布置進行優(yōu)化，以期為實際工程中K型井架的檢測評定提供必要的指導依據。

1 K型井架有限元分析

1.1 井架有限元模型建立

以K型井架CAD圖紙及現場實測數據為基礎，在ANSYS有限元軟件中建立1∶1的仿真模型，K型井架有限元模型如圖1所示。井架高度45.8 m，井架大腿、正面橫撐及側面段與段連接處橫撐均采用320 mm×200 mm×5 mm矩形鋼，正面斜撐采用Φ168 mm×5 mm圓管，側面斜撐及段與段連接處以外的橫撐則采用100 mm×63 mm×6 mm角鋼，頂部框架采用32a型工字鋼，鋼架整體采用 Q345鋼材，材料彈性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.3，井架設計載荷為2 250 kN。

圖1 K型井架有限元模型

為保證井架有限元模型在滿足算法要求的同時盡可能與實際結構接近，本文在井架模型創(chuàng)建過程中，進行了以下簡化［3］:

1)井架2層臺、天車及工作梯的質量忽略不計。

2)無外部風載及立根載荷，井架大鉤載荷平均分配到頂部4個節(jié)點上。

3)桿件各節(jié)點之間為剛性聯結。

4)井架底座鉸支與地面為全約束。

1.2 井架變形位移分析

設計載荷作用下，K型井架滿載變形圖如圖2所示。通過對井架滿載前后變形情況分析可知，承載過程中最大變形位移處位于井架頂端，且沿左下方向移動41 mm。這主要是由于K型井架承載過程中結構形狀發(fā)生變化，導致井架頂端產生前傾方向的位移。

圖2 K型井架滿載變形圖

1.3 井架應力分析

K型井架滿載各部位應力云圖如圖3所示，K型井架應力較大單元桿件如表1所示。由圖3可知，井架前部大腿靠近底座處主肢受力較大，屬于主要受力部位。表1中的數據表明，最大應力發(fā)生在井架上段與中上段連接處的52、53單元，最大應力值分別為183 MPa和181 MPa。材料Q345屈服極限值σs=345 MPa，因此井架在設計載荷下的安全系數為1.89。次最大應力發(fā)生在46、47單元，應力值分別為164 MPa和163 MPa，安全系數為2.1左右。

圖3 K型井架滿載各部位應力云圖

表1 K型井架應力較大單元桿件 MPa

2 K型井架檢測方案優(yōu)化

2.1 應力測試元件選取及布置

基于井架檢測評定目的、被測試件材料和應力狀態(tài)以及測量精度要求，本文井架檢測方案選用阻值120Ω的電阻應變片作為測試元件。與其他測量手段相比，電阻應變片具有靈敏度高，結構簡單，響應速度快，測量范圍大，便于多點測量、遠距離測量等優(yōu)點［4－5］。

在實際工程中，石油井架為滿足強度要求，實現井架設計功能，使用了各種各樣的型材。為保證井架檢測過程中測試元件能夠測量到最大應力，本文對各主要型材中測試元件的布置進行了細化規(guī)定，不同型材測試元件布置示意圖如圖4所示。

圖4 不同型材測試元件布置示意圖

2.2 井架應力測點布置

SY/T6326－2008標準規(guī)定井架檢測過程中應力測試點應根據井架結構受力分析，在均勻應力區(qū)、應力集中區(qū)及彈性撓度區(qū)等危險應力區(qū)內選定。測試桿件則應選取主要受力桿件、有損傷桿件和曾發(fā)生過破壞的桿件。根據不同井架形式，測試端面應選擇在井架大腿斷面開口處、井架大腿斷面突變處、大腿損傷處、井架2層臺處等?；谝陨蠘藴室笠约扒捌诰苡邢拊治鼋Y果，本文中的K型井架應力測試點應進行如下優(yōu)化布置:第1層，K型井架人字架上方斷面;第2層，K型井架2層臺處斷面;第3層，K型井架頂部倒數第3根桿件處斷面。K型井架應力測點布置示意圖如圖5所示。

圖5 K型井架應力測點布置示意圖

3 結論

本文通過建立K型井架有限元模型，對設計載荷作用下井架的變形位移及應力分布情況進行了仿真分析，結果表明:K型井架承載過程中結構形狀的變化將導致井架頂端產生前傾位移，位移量最大可達4.1 mm;井架最大應力發(fā)生在井架上段與中上段連接處。基于有限元分析確定的井架承載主要危險應力區(qū)，結合SY/T6326－2008標準要求對K型井架檢測方案中應變片的選擇及測點規(guī)劃布置進行了確定，制定出符合標準要求的井架強度檢測實施方案，對井架安全檢測評定工作具有一定的參考價值。

［1］ 郭清.鉆井井架力學性能分析［J］.石油礦場機械，2006，35(5):57－60.

［2］ 任國友.油田在役石油井架安全檢測及評價技術［J］.中國安全生產科學技術，2009，5(3): 144－148.

［3］ 李夯，齊明俠.基于ANSYS的K形井架結構研究［J］.石油礦場機械，2008，37(2):5－7.

［4］ 胡澤，肖宇恒，葛亮，等.應變式井下工程參數測量傳感器組橋與布片研究［J］.自動化儀表，2012，33(5):77－79.

［5］ 魏夢濤.電阻應變片的選擇與應用［D］.保定:河北大學，2012.