車裝鉆機(jī)靜力分析*

祁秀芳,薛 冠

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司,甘肅蘭州 730314)

車裝鉆機(jī)靜力分析*

祁秀芳,薛 冠

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司,甘肅蘭州 730314)

結(jié)合相關(guān)規(guī)范,采用SAFI有限元分析軟件對(duì)某車裝鉆機(jī)建立三維有限元模型,得出在各種不同組合工況下受力單元的UC值,確定井架、底座及繃?yán)K的強(qiáng)度、剛度,為鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用提供理論依據(jù)。

SAFI;有限元分析;車裝鉆機(jī);UC;強(qiáng)度

0 引 言

車裝鉆機(jī)具有質(zhì)量輕、移運(yùn)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)便、在油田中轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)快捷等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于油田的修井和鉆井作業(yè)中。常用車裝鉆機(jī)井架(以下簡(jiǎn)稱井架)為雙節(jié)、可伸縮、有繃?yán)K的桅桿式井架。該井架不但要滿足鉆井作業(yè)的工作要求,而且要滿足配套運(yùn)載車及自身伸縮等要求,故井架在設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),并確保井架結(jié)構(gòu)的安全。某型車裝鉆機(jī)井架采用SAFI有限元分析軟件對(duì)井架在各種不同工況下進(jìn)行靜力分析,校核其強(qiáng)度及剛度,為鉆機(jī)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用提供一定的理論依據(jù)。

1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及軟件簡(jiǎn)介

1.1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)由天車、井架主體、二層臺(tái)、起升液缸、伸縮液缸、Y型支架、繃?yán)K、底座及一些附件及設(shè)備組成。井架主體分為上下段,由螺栓和銷軸聯(lián)接,設(shè)計(jì)為前開(kāi)口形式,工作高度為39.3 m,井架及底座較工作位置前傾3°,最大鉤載2 250 kN。

1.2 軟件簡(jiǎn)介

SAFI是加拿大SAFIQuality Software Inc.開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件,軟件有專門分析石油鉆機(jī)結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域,其有效結(jié)合了API4F4th《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》)[1]及AISC 335-1989《美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)》[2],能準(zhǔn)確完成各種工況下的建模、加載、分析等工作,并可自動(dòng)生成計(jì)算報(bào)告。SAFI軟件提供UC值來(lái)判定構(gòu)件的綜合強(qiáng)度,該值為實(shí)際載荷與許用載荷的比值,其完全遵循AISC 335-1989規(guī)范的要求,若單元的UC值小于1.0,則認(rèn)為該單元滿足強(qiáng)度要求,反之則不滿足,結(jié)構(gòu)需加強(qiáng)或重新設(shè)計(jì)。

2 建立結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 簡(jiǎn)化模型

利用SAFI有限元分析軟件,簡(jiǎn)化后的模型由天車、井架上段、井架下段、二層臺(tái)、Y型支架、起升液缸、繃?yán)K總成[3-4]及底座組成。按照有限單元法單元?jiǎng)澐值囊话阍瓌t,凡是多根梁的交叉點(diǎn)、邊界點(diǎn)、集中力作用點(diǎn)都應(yīng)列為節(jié)點(diǎn),而節(jié)點(diǎn)之間的梁則作為單元,按這個(gè)原則,對(duì)整個(gè)井架及底座在交叉點(diǎn)打斷,形成多個(gè)單元及節(jié)點(diǎn)。井架及底座主體結(jié)構(gòu)材料均為Q345B,彈性模量為200 GPa,屈服強(qiáng)度為345 MPa。圖紙要求繃?yán)KA、B、C、D、E尺寸分別為:φ19、φ19、φ22、φ19、φ19。規(guī)格均為:6X19S+NF/Q級(jí),其彈性模量均為150 GPa。圖1為繃?yán)K預(yù)拉力示意圖。車裝鉆機(jī)的實(shí)體模型如圖2。

圖1 繃?yán)K預(yù)拉力示意圖

圖2 實(shí)體模型

圖1中:A為四根從天車到地面的繃?yán)K,最小尺寸為5/8″,其預(yù)拉力為373 kg;B為兩根從二層臺(tái)到地面的交叉繃?yán)K,最小尺寸為9/16″,其預(yù)拉力為187 kg;C為兩根從天車到車上的內(nèi)負(fù)荷繃?yán)K,最小尺寸為7/8″,其預(yù)拉力為560 kg;D為兩根從二層臺(tái)到地面的附加繃?yán)K,最小尺寸為9/16″,其預(yù)拉力為373 kg;E為兩根從下段頂部到地面的內(nèi)負(fù)荷繃?yán)K。

2.2 施加載荷[5]

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的力學(xué)分析,保證其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性是非常重要的。本鉆機(jī)以井眼中心為原點(diǎn),前后為X方向,左右為Z方向,上下為Y方向建立模型,底座及繃?yán)K與地面的接觸點(diǎn)完全約束。石油鉆機(jī)組合載荷設(shè)計(jì)須符合API 4F4th規(guī)范,許用應(yīng)力符合AISC 335—1989規(guī)范,在作業(yè)過(guò)程中主要承受自重載荷、設(shè)備載荷、鉤載、環(huán)境載荷、立根載荷及轉(zhuǎn)盤(pán)載荷等。關(guān)于環(huán)境載荷文中僅考慮風(fēng)載,風(fēng)速按0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°等8個(gè)方向分別進(jìn)行校核,如表1所列。

表1 組合工況下的設(shè)計(jì)載荷

3 有限元結(jié)果分析

3.1 整體結(jié)構(gòu)分析

分別對(duì)以上幾種進(jìn)行分析,得出在2 250 kN靜鉤載作用下,結(jié)構(gòu)在作業(yè)工況下最危險(xiǎn)。以最危險(xiǎn)工況為例,如圖3和4所示。

圖3 鉆機(jī)位移偏移量

圖4 鉆機(jī)整體UC值分布

前后四根立柱為主要承載構(gòu)件,前立柱比后立柱的截面尺寸稍微大一些,上段后立柱最大UC值為0. 97,Y型支架處0.94,是整個(gè)井架的薄弱部分,其他多數(shù)處于0.7～1之間,結(jié)構(gòu)較為合理。分析相應(yīng)數(shù)據(jù)可知,井架前面2根立柱軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)相一致,井架后面2根立柱的軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)也相一致。在同一高度下,前面2根立柱的軸向應(yīng)力明顯大于后面2根立柱的軸向應(yīng)力。同前左右兩側(cè)和同后左右兩側(cè)立柱的軸向應(yīng)力差別不大。井架斜撐受力普遍要大于橫撐,在方案圖中斜撐截面已有所增大。底座UC值最大位置位于轉(zhuǎn)盤(pán)梁和立根盒梁附近,最大UC為0.92,其他均小于1,滿足強(qiáng)度安全要求。井架各單元主要是拉、壓作用產(chǎn)生軸向變形與彎曲變形。由圖3可看出,在靜鉤載作用下,井架發(fā)生了微前傾現(xiàn)象,天車上掛繃?yán)K耳板處位移最大,位移方向?yàn)榫芮皟A方向,最大位移值為63.6 mm,前后立柱豎直向下方向的最大位移為65.19 mm。結(jié)果證明,在最大靜鉤載2 250 kN作用下井架、底座及繃?yán)K強(qiáng)度、剛度均滿足正常使用要求。

3.2 繃?yán)K強(qiáng)度校核

在靜鉤載作用下,井架發(fā)生了微前傾現(xiàn)象,井架后部的2根繃?yán)K受拉,前部2根繃?yán)K處于自然下垂?fàn)顟B(tài),繃?yán)K最大拉力為58.5 kN。

根據(jù)API 4F4th:

式中:n為安全系數(shù);F為公稱強(qiáng)度;Fs為計(jì)算所得最大繃?yán)K載荷。由表2可知,繃?yán)K符合強(qiáng)度,安全。

表2 繃?yán)K強(qiáng)度匯總

4 結(jié) 論

(1)總體來(lái)看,井架比底座受力復(fù)雜,車裝鉆機(jī)安全設(shè)計(jì)主要位于井架。

(2)在最大靜鉤載2 250 kN作用下,井架上段的位移大于下段的位移變化;井架前主弦桿受壓,后主弦桿受拉,前主弦桿應(yīng)力大于后主弦桿的應(yīng)力。

(3)井架后面2根繃?yán)K受力大于前面2根繃?yán)K,但均符合強(qiáng)度要求,安全。

(4)井架在各種組合工況下的UC值均小于1,結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度要求,可以正常使用。

(5)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的力學(xué)分析,保證其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性是非常重要的。

[1]APISpec 4E—1988,鉆井和修井結(jié)構(gòu)規(guī)范[S].

[2]AISC 335-1989,美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]APISpec 4F—2013,鉆井和修井井架、底座規(guī)范[S].

[4]APISpec 4G—2012,鉆井和修井結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)·維護(hù)·修理與使用的推薦方法[S].

[5]胡晶磊,祁秀芳.JJ675/48-K型井架起升過(guò)程力學(xué)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2014(10):97-99.

Static Analysis of Truck-M ounted Drill Rig

QIXiu-fang,XUE Guan
(Lanzhou LSPetroleum Equipment Engineering Co.,Ltd,Lanzhou Gansu 730314,China)

This paper establishes a three-dimensional finite elementmodel for one truck-mounted drill rig,combining with applicable specifications and using the SAFIsoftware to get the UC values on the force unit in different combination of the conditions,which determines the strength and stiffness of themast,substructure and guy rope,it provides the theoretical basis to the structural design and field use.The conclusion shows that the rigmeets the operational requirements for structure strength.

SAFI;finite element;truck-mounted drill rig;UC;strength

FE923

A

1007-4414(2015)06-0020-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.008

2015-10-01

祁秀芳(1987-),女,青海格爾木人,助理工程師,主要從事金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方面的工作。