前開(kāi)口“K”型井架起升過(guò)程有限元計(jì)算與分析*

康寶龍

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅蘭州 730314)

0 引言

井架起升過(guò)程是井架受力比較惡劣的一種工況，需要對(duì)井架的起升過(guò)程進(jìn)行仿真分析和靜強(qiáng)度校核，完成井架起升過(guò)程的安全評(píng)價(jià)。井架存在多種起升方法，如:人字架起升法、液缸起升法等［1］?！癆”型井架，“K”型井架均采用人字架起升法。

1 井架起升原理

井架在地面完成組裝，如圖1。

圖1 井架起升示意圖

完成組裝之后，井架主體由支架10支撐，與地面成4°夾角，大鉤與游車也放在工裝支架(圖中未明示)上，鋼絲繩處于松弛狀態(tài)。起升開(kāi)始時(shí)，絞車滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鋼絲繩1，鋼絲繩1繞過(guò)起升人字架3的中間導(dǎo)向滑輪4和天車滑輪11進(jìn)入游動(dòng)系統(tǒng)，游動(dòng)系統(tǒng)拉動(dòng)大鉤8組成井架起升的動(dòng)力系統(tǒng);大鉤通過(guò)平衡架與兩根起升大繩6相連接，每根起升大繩6的一端與底座相連，另一端繞過(guò)人字架一側(cè)的導(dǎo)向滑輪5，再繞過(guò)井架一段的橫向?qū)蚧?和縱向?qū)蚧?與大鉤相連接。大鉤向上運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)起升鋼絲繩以完成井架起升。

2 有限元建模分析

2．1 坐標(biāo)系選擇

坐標(biāo)原點(diǎn)選在井架一段底部銷孔連線的中點(diǎn)處，坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 井架有限元模型

2．2 單元選擇

分析的前開(kāi)口“K”型井架屬于剛架結(jié)構(gòu)，主要由型鋼和管材組成，在井架起升過(guò)程中，結(jié)構(gòu)中的型鋼可能發(fā)生軸向與彎曲組合變形，ANSYS單元庫(kù)中的BEAM188單元為三節(jié)點(diǎn)的空間梁?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)平動(dòng)自由度和繞3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，適于分析該類問(wèn)題，所以在建模中選用BEAM188單元來(lái)模擬型鋼。在建模過(guò)程中，針對(duì)不同的型材截面，編寫不同的截面文件，在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)不同位置的桿件讀入不同的截面文件。井架結(jié)構(gòu)中的斜拉桿可以近似的認(rèn)為只受軸向力作用，用LINK180單元模擬。此種單元實(shí)常數(shù)只需要輸入截面面積。相比于實(shí)體單元建模，本文所述的建模方式能夠大大減少單元數(shù)量，減少建模和前處理中劃分網(wǎng)格的時(shí)間，提高分析效率［2］。

2．3 起升荷載與約束條件

如圖1所示，在井架起升過(guò)程中，主要承受井架自重，游動(dòng)系統(tǒng)重量，二層臺(tái)重量，鋼絲繩重量和天車重量以及起升鋼絲繩的拉力作用。在本文的計(jì)算中，井架自重由系統(tǒng)自動(dòng)加載，其余荷載均通過(guò)ANSYS命令加載于相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上。

井架起升的動(dòng)力由快繩提供，由快繩拉力與起升鋼絲繩拉力存在如下關(guān)系:

式中:P'為起升鋼絲繩拉力，kN;N為有效繩數(shù)，本文為12;P為快繩拉力，kN;θ為大鉤下方兩起升鋼絲繩夾角。

圖3 井架起升位移云圖

在井架起升過(guò)程中，θ值隨大鉤高度的變化而變化，但變化過(guò)程緩慢，可認(rèn)為準(zhǔn)靜態(tài)加載，取任意起升角度對(duì)應(yīng)的θ值進(jìn)行計(jì)算而不考慮動(dòng)效應(yīng)。井架一端下部除了旋轉(zhuǎn)方向不加限制外，其余方向均施加約束。如圖2所示，起升鋼絲繩拉力施加于井架三段頂部和井架一段橫向?qū)蚧喬?，快繩拉力施加于井架頂部中間的位置，其方向可在圖紙中測(cè)量得出。天車自重與二層臺(tái)自重沿豎直方向平均分配于相應(yīng)位置所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處。為使問(wèn)題可解，約束工裝支架處節(jié)點(diǎn)的豎直方向自由度，依照經(jīng)驗(yàn)多次施加不同的起升荷載P，當(dāng)求得此處的約束反力為零時(shí)所施加的起升荷載為所求真值。依次改變起升角度，求得的起升鋼絲繩拉力和鉤載如表1。

表1 起升力與起升角度的變化關(guān)系

從表1可以看出，隨著起升角度的逐漸增大，起升鋼絲繩拉力與鉤載均呈減小趨勢(shì)，在起升角為15°時(shí)，鉤載最大值為112．4 T，這是由于在井架起升之初，結(jié)構(gòu)自重力臂較長(zhǎng)，起升鋼絲繩拉力和快繩拉力力臂較短造成的，在起升角度大于30°以后，鋼絲繩拉力和鉤載迅速減小且與起身角度變化呈線性關(guān)系。

3 結(jié)論

采用有限元參數(shù)化編程方法對(duì)”K”型井架起升過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，求得了最大鉤載和起升鋼絲繩拉力，在井架起升之初，鉤載有最大值。

前開(kāi)口”K”型井架在起升過(guò)程中，起升角α變化緩慢，在鉤載計(jì)算中可以當(dāng)做靜態(tài)問(wèn)題處理，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算步驟。通過(guò)對(duì)比鉤載計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，說(shuō)明筆者計(jì)算所采用的有限元模型可靠，對(duì)井架相關(guān)計(jì)算具有指導(dǎo)意義。

［1］ 翟東鋒．石油鉆機(jī)井架計(jì)算方法研究［D］．青島:中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2007．

［2］ 薛守義．有限單元法［M］．北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005．