在役作業(yè)井架安全承載能力評(píng)價(jià)方法研究*

周悅琴

(大慶油田有限責(zé)任公司 試油試采分公司，黑龍江 大慶 163318)

在役作業(yè)井架安全承載能力評(píng)價(jià)方法研究*

周悅琴

(大慶油田有限責(zé)任公司 試油試采分公司，黑龍江 大慶 163318)

針對(duì)在役作業(yè)井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用三維空間梁?jiǎn)卧M井架各桿件，采用單軸向受拉桿單元模擬繃?yán)K，建立井架-繃?yán)K模型?？紤]常見(jiàn)的幾種損傷形式，推導(dǎo)了等效處理關(guān)系式。開(kāi)展了必要的加載試驗(yàn)，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合對(duì)該井架安全承載性能進(jìn)行了評(píng)定。結(jié)果表明：應(yīng)用該方法可以確定井架的薄弱部位、安全承載能力，為在役作業(yè)井架承載能力的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供有價(jià)值的建議，適于工程應(yīng)用。

作業(yè)井架；安全承載能力；仿真；繃?yán)K；損傷；Timoshenko梁理論

Abstract: Aiming at structure feature of workover mast，mast-guy model is built, in which, three-dimensional beam element is used to simulate the bar of mast and the uniaxially pulled link element is used to simulate the guy. The damage equivalent functions are deduced. The loading test is necessarilly carried out. Combined the measured data, its safety bearing capacity is evaluated. The results indicate the dangerous position and safety bearing capacity can be obtained. It provides some valuable suggestions for the prediction and evaluation of safety load capacity of workover mast in-service, and is suitable for engineering applications.

Key words: workover mast； safety load capacity； simulation； guy； damage； Timoshenko beam theory

0 引 言

在石油與天然氣勘探開(kāi)發(fā)的各項(xiàng)施工中，修井作業(yè)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。作業(yè)井架是油井進(jìn)行修井作業(yè)時(shí)起下井的支架，其力學(xué)性能與承載能力直接影響著修井作業(yè)的順利進(jìn)行[2]。

以油田使用較多的18 m作業(yè)機(jī)井架為研究對(duì)象進(jìn)行承載性能分析，并進(jìn)行了必要的試驗(yàn)研究，旨在為在役作業(yè)井架承載能力的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供有價(jià)值的建議。

1 在役作業(yè)井架損傷形式及處理方法

1.1 損傷的主要表現(xiàn)形式

18 m井架是油田使用較多的作業(yè)井架，如圖1。

圖1 油田常用的18 m作業(yè)井架

實(shí)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，由于拆裝、搬遷、運(yùn)輸頻繁，處于服役期的作業(yè)井架桿件、桿件間連接及整體都會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷，具體可歸納[3]為：結(jié)構(gòu)整體初始變形、主弦桿件初彎曲、截面銹蝕、荷載作用偏心、基礎(chǔ)安裝不平，其中尤以截面銹蝕、主弦桿件初彎曲現(xiàn)象顯著，這主要是由于經(jīng)常搬遷拆裝磕碰嚴(yán)重所致。

1.2 損傷等效處理方法

對(duì)于上述常見(jiàn)損傷形式，考慮與應(yīng)力有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行等效處理[4]，其關(guān)系如下：

Ae=f1(α,β,…)At

(1)

We=f2(α,β,…)Wt

(2)

式中：Ae為井架結(jié)構(gòu)的等效橫截面積，At為理想橫截面積，We為等效抗彎截面系數(shù)，Wt為理想抗彎截面系數(shù)，f(α,β,…)為等效處理函數(shù)。

其中由截面銹蝕確定的等效處理函數(shù)為：

(3)

式中各參數(shù)含義如圖2所示。

桿件初彎曲確定的等效處理函數(shù)為：

(4)

式中各參數(shù)含義及推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[5～6]。

圖2 主弦桿截面示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 建模理論基礎(chǔ)

根據(jù)Timoshenko梁理論，三維空間梁?jiǎn)卧诤奢d作用下通常要發(fā)生軸向變形，面內(nèi)和面外的彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等變形。每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于6個(gè)自由度：沿x,y,z軸的平動(dòng)和繞x,y,z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3所示為其中任意單元，其中I-J為兩端節(jié)點(diǎn)，x軸為單元的軸線方向，y,z軸則為截面的主慣性軸。

圖3 三維梁?jiǎn)卧?/p>

三維空間桿單元具有雙線性剛度矩陣，如圖4所示的桿單元單軸向受拉，當(dāng)d<0時(shí)受壓，此時(shí)剛度為零，即桿單元對(duì)與其連接結(jié)構(gòu)不傳遞力的作用；而當(dāng)d≥0時(shí)受拉，此時(shí)桿單元僅承受軸向拉力作用，單元兩端節(jié)點(diǎn)共有6個(gè)自由度，其節(jié)點(diǎn)位移向量為：

(5)

圖4 三維桿單元

2.2 井架-繃?yán)K三維模型

18 m作業(yè)機(jī)井架總高18 m，主體結(jié)構(gòu)材料為Q235，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 830 kg/m3。

建立有限元模型時(shí)對(duì)該作業(yè)井架作如下假設(shè)：

(1) 井架上體和下體之間、結(jié)構(gòu)各部件與各桿件之間焊接可靠，認(rèn)為是剛性連接；

(2) 忽略天車和游動(dòng)系統(tǒng)等附件，將其重量視為集中載荷分配在相應(yīng)的位置上；

(3) 作業(yè)時(shí)井架掛6根繃?yán)K，前面2根后面4根，認(rèn)為繃?yán)K完全柔性，不受彎矩作用，其密度均勻，且受力后產(chǎn)生的應(yīng)變是線彈性的；

(4) 井架與支座之間視為鉸接，繃?yán)K與地錨樁之間視為鉸接。

將井架各桿件簡(jiǎn)化為具有6個(gè)自由度的非線性空間梁?jiǎn)卧?，將繃?yán)K簡(jiǎn)化為單軸向受拉的非線性空間桿單元。計(jì)算時(shí)用一個(gè)單元代表一根桿件，整個(gè)井架按其結(jié)構(gòu)劃分為145個(gè)梁?jiǎn)卧?個(gè)桿單元，64個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中井架與支座的支腳處鉸點(diǎn)限制x、y、z方向的平動(dòng)自由度及繞y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，繃?yán)K與地錨樁支腳處鉸點(diǎn)限制x、y、z方向的平動(dòng)自由度，其余均為剛性節(jié)點(diǎn)。所建立的井架-繃?yán)K模型如圖5所示。

圖5 井架-繃?yán)K有限元模型及測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 安全承載性能分析

3.1 安全評(píng)價(jià)方法

安全評(píng)價(jià)時(shí)利用有限元分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正理想模型，建立接近在役井架真實(shí)結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)數(shù)值模型，模擬設(shè)計(jì)載荷下的工作性能，確定其薄弱部位，并根據(jù)規(guī)范校核工作能力，從而實(shí)現(xiàn)在役井架的安全承載能力評(píng)價(jià)。

3.2 承載性能試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)在井架上下段連接處布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖5)。試驗(yàn)初始狀態(tài)鉤載指重表讀數(shù)為3.0 kN，分3次逐級(jí)加載，記錄指重表讀數(shù)分別為30.0 kN、66.0 kN和87.0 kN，則實(shí)際鉤載分別為27.0 kN、63.0 kN和87.0 kN。測(cè)點(diǎn)1～8#實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖6、7所示。

圖6 1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

圖7 5～8號(hào)測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

實(shí)測(cè)曲線實(shí)時(shí)反映了井架加載的連續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程。對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)提取并通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到各級(jí)載荷作用下被測(cè)桿件實(shí)測(cè)應(yīng)力值，如表1、2所列。

3.3 分析結(jié)果

為了獲得和實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的基準(zhǔn)數(shù)值模型，以鉤載為63.0 kN時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為模型修正的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其他載荷作用下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為結(jié)果預(yù)測(cè)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。修正結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1和2。

表1 模型修正前后應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

表2 模型修正后預(yù)測(cè)結(jié)果

由結(jié)果可知，修正后模型的應(yīng)力值和實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近，修正結(jié)果較修正前有了明顯的改善，其他載荷下的預(yù)測(cè)結(jié)果也比較理想，這樣可以近似認(rèn)為該模型能夠反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的力學(xué)性態(tài)，從而驗(yàn)證了本文所提出方法的可行性。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，井架在設(shè)計(jì)載荷下井架頂部變形嚴(yán)重，編號(hào)為③的立柱受力較大，是該井架的薄弱部位，在作業(yè)過(guò)程中應(yīng)給予重視。根據(jù)規(guī)范對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，得出該井架不能滿足設(shè)計(jì)要求，需降級(jí)使用。

4 結(jié) 論

(1) 采用以Timoshenko梁理論為基礎(chǔ)的三維空間梁?jiǎn)卧M井架各桿件，采用以雙線性剛度矩陣特性的單軸向受拉桿單元模擬繃?yán)K，可以建立比較可信的井架-繃?yán)K三維數(shù)值模型；

(2) 計(jì)及損傷的影響，考慮與應(yīng)力有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行等效處理，推導(dǎo)了常見(jiàn)損傷的等效處理關(guān)系式，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合對(duì)某一載荷作用下的模型進(jìn)行模擬與修正，可以復(fù)現(xiàn)、預(yù)測(cè)其它級(jí)別載荷下的工作性能，預(yù)測(cè)結(jié)果較理想；

(3) 以18 m作業(yè)機(jī)井架為研究對(duì)象進(jìn)行承載性能分析，確定其薄弱部位、安全承載能力，為在役作業(yè)井架承載能力的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供有價(jià)值的建議，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供參考。

[1] 岳志強(qiáng)，李寶珠. 淺議輪式作業(yè)井架動(dòng)態(tài)特性[J]. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012(4)：115.

[2] 吳 強(qiáng)，朱 玄，尹雪霏．作業(yè)井架結(jié)構(gòu)非線性力學(xué)行為分析[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(9)：60-63.

[3] 劉金梅. 在役鉆機(jī)井架使用安全性綜合評(píng)價(jià)方法研究[D]. 大慶：東北石油大學(xué)，2012.

[4] 韓東穎，李子豐，周國(guó)強(qiáng). 基于模型局部修正的井架鋼結(jié)構(gòu)極限承載力分析[J].工程力學(xué)，2007，24(10)：175-179,185.

[5] 韓東穎，周國(guó)強(qiáng)，李子豐. 含損傷缺陷的大型鋼結(jié)構(gòu)架極限承載預(yù)測(cè)方法研究[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào), 2007, 28(4): 370-374.

[6] 劉金梅，周國(guó)強(qiáng)，韓國(guó)有. 考慮損傷的石油井架極限承載性能仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào). 2009, 21(6): 1781-1784,1788.

[7] 朱伯芳. 有限單元法原理與應(yīng)用[M].第二版.北京: 中國(guó)水利水電出版社，1998.

Evaluation Method Study on Safety Load Capacity of Workover Mast In-service

ZHOU Yue-qin

(ProductionandWellTestCompany,DaqingOilfieldCo.,Ltd,DaqingHeilongjiang163318,China)

2014-05-19

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：12541057)

周悅琴(1969-)，女，黑龍江大慶人，工程師，主要從事油氣田安全管理方面的工作。

TE923

A

1007-4414(2014)04-0091-03