JJ315-K型井架動(dòng)力學(xué)特性分析

龐世強(qiáng)，苗　波（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，山東　青島266520）

JJ315-K型井架動(dòng)力學(xué)特性分析

龐世強(qiáng)，苗波
（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，山東青島266520）

鉆機(jī)井架作為一種高聳的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其工作環(huán)境非常惡劣，不僅要承受大鉤的載荷、風(fēng)載及天車(chē)的質(zhì)量，還要抵消頂驅(qū)對(duì)反轉(zhuǎn)矩梁的轉(zhuǎn)矩。研究了國(guó)內(nèi)某5000m鉆機(jī)井架在這些載荷作用下天車(chē)處的振動(dòng)，分析了井架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，探討了該井架在工作狀態(tài)下的力學(xué)性能。為石油鉆機(jī)井架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了一定的理論參考。

井架；有限元法；動(dòng)態(tài)分析；共振

在石油鉆井過(guò)程中，鉆機(jī)井架作為懸臂梁結(jié)構(gòu)安裝在底座上，不僅要承受天車(chē)上大鉤載荷的作用，還要在API 4F規(guī)定的不超過(guò)16.5 m／s的陸上最大工作風(fēng)載的作用下工作，并且承受著頂驅(qū)給井架提供的轉(zhuǎn)矩的影響。井架工作環(huán)境惡劣，是鉆機(jī)中最不穩(wěn)定且易損壞的結(jié)構(gòu)。

本文選取國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的5 000 m前開(kāi)口式“K”型井架作為研究對(duì)象，充分考慮鉆機(jī)在工作工況下承受的載荷。按照API 4F第四版規(guī)定的1a工作工況，大鉤載荷為100%，陸上設(shè)計(jì)工作風(fēng)載為16.5 m／s。該井架的最大鉤載為3 150 k N，頂驅(qū)給井架的轉(zhuǎn)矩為39.1 k N·m。該井架有效高度42 m，共由5段組成，各段之間通過(guò)銷(xiāo)軸連接。井架背面通過(guò)斜拉桿和橫梁連接，井架側(cè)面為片架結(jié)構(gòu)，井架整體為桁架結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的剛性。

筆者采用有限元法，利用ANSYS軟件的BEAM188梁?jiǎn)卧蚉IPE16柱單元，通過(guò)APDL語(yǔ)言程序建模。充分考慮了鉆機(jī)的鉤載、風(fēng)載和頂驅(qū)的反轉(zhuǎn)矩對(duì)井架的脈沖載荷，建立了井架的有限元模型，對(duì)該井架做了模態(tài)、諧響應(yīng)、瞬態(tài)分析；研究了井架的縱向和橫向振動(dòng)的相應(yīng)特性以及井架的力學(xué)性能，為井架的設(shè)計(jì)和力學(xué)分析提供了一定的理論參考。

1　JJ315-K型井架有限元模型

本文研究對(duì)象JJ315-K型井架是一種前開(kāi)口式“K”型井架，該井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以梁、柱和桿件為主的空間桿系鋼架結(jié)構(gòu)。依據(jù)井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主輔受力點(diǎn)對(duì)模型做了進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，在建模過(guò)程中略去了井架上的梯子總成、大鉗平衡重、套管扶正臺(tái)等附屬結(jié)構(gòu)，同時(shí)略去了天車(chē)結(jié)構(gòu)用等效靜載荷代替，添加到井架主腿上端。

在ANSYS軟件前處理模塊中建立以三維梁、柱單元（BEAM188和PIPE16）為主的井架有限元模型，單元?jiǎng)澐止灿?jì)384個(gè)節(jié)點(diǎn)，263個(gè)單元。對(duì)井架主腿底端施加位移固定約束和左右方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放前后方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。并且參照API4F第4版的規(guī)定把井架每一段在16.5m／s的風(fēng)載下的載荷計(jì)算出來(lái)平均加到井架各段，同時(shí)給井架主腿施加頂驅(qū)的反轉(zhuǎn)矩載荷。井架主體構(gòu)件采用Q235A和Q345B鋼制成，材料彈性模量2.1×1011Pa；泊松比0.3；密度7850kg／m3；轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速120r／min；重力加速度9.8m／s2。

2　計(jì)算結(jié)果與分析

2.1模態(tài)分析

模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一種技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)井架的模態(tài)分析確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型［1］。從數(shù)學(xué)概念分析模態(tài)特性主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的特征值和特征向量。

根據(jù)井架的實(shí)際工況，結(jié)合彈性力學(xué)有限元分析法，利用ANSYS軟件對(duì)該井架進(jìn)行模態(tài)分析［2］。由于井架的固有頻率較大，對(duì)井架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的主要是前幾階振型，因此提取了井架的前6階固有頻率和最大位移，如表1所示。

表1　井架前6階頻率

井架的前6階振型如圖1所示。

圖1　井架前六階振型

從圖1可見(jiàn)，該井架的一階振型主要表現(xiàn)為繞x軸前后方向的擺動(dòng)，隨著井架高度的不斷上升，井架的前后擺動(dòng)的幅值越大；二階振型主要表現(xiàn)為繞y軸做扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)，特別是在二層臺(tái)及井架以上的結(jié)構(gòu)擺動(dòng)幅度較大；三階振型不僅表現(xiàn)為繞y軸做扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)，而且還表現(xiàn)為繞z軸的左右擺動(dòng)；四階振型主要表現(xiàn)在井架的一段上部到二層臺(tái)下部的前主腿向內(nèi)彎曲，而二層臺(tái)上部則無(wú)此變形；五階振型主要表現(xiàn)為二層臺(tái)以下做左右擺動(dòng)，二層臺(tái)以上沿著y軸做扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)；六階振型主要表現(xiàn)為井架做前后方向的擺動(dòng)，其中一到四段向前擺動(dòng)，五段向后擺動(dòng)，整個(gè)井架在前后方向呈現(xiàn)“S”形擺動(dòng)。在前六階振型中四階振型的位移最大，結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)井架的陣型分析對(duì)井架結(jié)構(gòu)做出一些改進(jìn)：首先加強(qiáng)井架二、三段前主腿，防止其向內(nèi)彎曲；其次加強(qiáng)井架二層臺(tái)處，主要是由于有幾階陣型是從二層臺(tái)處開(kāi)始彎曲或者扭轉(zhuǎn)的。

風(fēng)載荷包括穩(wěn)定風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，高聳井架的風(fēng)振影響，主要就是脈動(dòng)風(fēng)起的作用。脈動(dòng)風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向是隨時(shí)間和空間而變化的，具有明顯的紊亂性和隨機(jī)性，脈動(dòng)風(fēng)的這些特性主要受到地表構(gòu)造的影響［3］，因此，在做井架模態(tài)分析時(shí)要根據(jù)井架的具體使用地點(diǎn)，參考當(dāng)?shù)貦?quán)威機(jī)構(gòu)的風(fēng)載數(shù)據(jù)計(jì)算，當(dāng)脈動(dòng)風(fēng)的頻率達(dá)到或者接近井架的固有頻率就會(huì)引起井架的共振，造成井架的破壞。

地震載荷也是造成鉆機(jī)破壞的致命因素。地震主要以地震波的形式向各方向傳遞能量，地震波的頻率和振幅跟震級(jí)和震源等有關(guān)系，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ念l率達(dá)到井架的固有頻率時(shí)會(huì)造成井架共振。

2.2諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是確定一個(gè)結(jié)構(gòu)在已知頻率的間諧載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)技術(shù)［4］。本文參考井架模態(tài)分析前六階固有頻率，計(jì)算了JJ315-K型井架在0～8 Hz頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)特性。通過(guò)對(duì)該井架的模態(tài)分析可知，井架的天車(chē)和二層臺(tái)在振動(dòng)狀況下反應(yīng)的比較活躍，因此分別選取了模型中天車(chē)和二層臺(tái)處的135和174節(jié)點(diǎn)，采用完全法分析這兩處節(jié)點(diǎn)在0～8 Hz頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)［5］。

天車(chē)處135節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向的位移響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2　天車(chē)處位移響應(yīng)曲線

由圖2中可以看出，x方向?qū)?yīng)著井架的左右方向，從x方向的位移響應(yīng)曲線中可以看出有5個(gè)頻率點(diǎn)處出現(xiàn)較大的位移，分別對(duì)應(yīng)井架的一階、二階、三級(jí)、五階和六階固有頻率值，特別是在井架五階固有頻率處位移最大，達(dá)到了12.58mm。y方向?qū)?yīng)著井架的豎直方向，從y方向的位移響應(yīng)曲線中看出只有3個(gè)頻率點(diǎn)處出現(xiàn)較大的響應(yīng)位移，分別對(duì)應(yīng)井架的一階、五階和六階固有頻率，在一階固有頻率處位移響應(yīng)最大，為13.29mm。z方向?qū)?yīng)著井架的前后方向，從z方向的位移響應(yīng)曲線中看，其響應(yīng)點(diǎn)同y方向一樣，但是在z方向最大的位移響應(yīng)值為264.6mm。通過(guò)對(duì)天車(chē)135節(jié)點(diǎn)處的響應(yīng)曲線分析，井架在一階固有頻率下前后方向的擺動(dòng)較大，在該頻率下容易造成井架的破壞。

二層臺(tái)處174節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向的位移響應(yīng)曲線如圖3所示。

由圖3中可以看出，在x方向有5個(gè)頻率點(diǎn)處出現(xiàn)較大的響應(yīng)位移，分別對(duì)應(yīng)著井架前六階固有頻率中的一階、二階、三階、五階和六階，并且在五階頻率處位移響應(yīng)值最大；y方向有4個(gè)頻率點(diǎn)處出現(xiàn)了較大的響應(yīng)位移，分別對(duì)應(yīng)著井架固有頻率中的一階、四階、五階、六階，且在一階處對(duì)應(yīng)的位移響應(yīng)值最大；z方向有2個(gè)頻率點(diǎn)處出現(xiàn)了較大的響應(yīng)位移，分別對(duì)應(yīng)著井架一階和六階的固有頻率，且在一階頻率處的位移響應(yīng)值最大，達(dá)到了128.9mm。

通過(guò)對(duì)井架135和174節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向的位移響應(yīng)分析，可以看出在z方向的位移響應(yīng)值最大，井架在振動(dòng)過(guò)程中如果受到的外部載荷頻率達(dá)到井架的一階頻率時(shí)，井架天車(chē)處z方向的最大位移響應(yīng)值達(dá)到了264.6mm，需要增強(qiáng)井架主腿的剛性，減小其z方向的擺動(dòng)。

圖3　二層臺(tái)處位移響應(yīng)曲線

2.3瞬態(tài)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法［6］。本文模擬井架在工作工況下“猛拉、猛剎”的工作狀態(tài)，分析井架的振動(dòng)特性。該鉆機(jī)在工作過(guò)程中將游動(dòng)系統(tǒng)及大鉤載荷通過(guò)鋼絲繩傳遞到天車(chē)上，因此在該井架建模時(shí)略去了游動(dòng)系統(tǒng)，把游動(dòng)系統(tǒng)和大鉤載荷通過(guò)力的形式加載到井架頂端的天車(chē)處。

載荷加載的瞬態(tài)載荷如圖4所示。oa段為提升游動(dòng)系統(tǒng)，其中游動(dòng)系統(tǒng)給天車(chē)的載荷為125.6kN（游動(dòng)系統(tǒng)包括游車(chē)6210kg、大鉤3 450 kg、水龍頭2900kg）；ab段為井架滿載的過(guò)程，該井架的最大載荷為3150k N；bc段為井架滿載的持續(xù)過(guò)程；cd段為井架卸載的過(guò)程；de段為井架僅承受游動(dòng)系統(tǒng)的重量；ef段為井架卸去游動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的過(guò)程［6］；同時(shí)給井架上下兩處背扇橫梁添加39.1kN·m的轉(zhuǎn)矩，用來(lái)代替頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩對(duì)井架的作用，施加轉(zhuǎn)矩的時(shí)間段為圖4中的ac段。

圖4　瞬態(tài)載荷

通過(guò)對(duì)該井架的陣型和位移響應(yīng)分析可知，該井架的天車(chē)處在振動(dòng)過(guò)程中的位移響應(yīng)最大，結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定，因此選取天車(chē)處135節(jié)點(diǎn)，分析該節(jié)點(diǎn)在工作時(shí)瞬態(tài)載荷作用下的響應(yīng)值。天車(chē)處135節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)位移曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，在開(kāi)始階段3個(gè)坐標(biāo)軸方向的振動(dòng)位移很大。在x方向的前1.8 s內(nèi)振動(dòng)位移和頻率都相對(duì)較高，振動(dòng)劇烈，而隨著時(shí)間的增加振動(dòng)過(guò)程逐漸變平穩(wěn)；在y方向的前1 s內(nèi)振動(dòng)較劇烈，隨著時(shí)間的增加振動(dòng)逐漸變平穩(wěn)，最后趨近于一條直線；而在z方向井架的振動(dòng)頻率相對(duì)于x、y方向要小很多，但是其保持較大振動(dòng)位移的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在整個(gè)受載過(guò)程中振動(dòng)位移較大，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

圖5　天車(chē)處135節(jié)點(diǎn)振動(dòng)位移曲線

天車(chē)處135節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度曲線如圖6所示。

圖6　天車(chē)處135節(jié)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線

由圖6中可以看出，在載荷加載的初始階段3個(gè)坐標(biāo)軸方向的振動(dòng)速度和頻率都很大。在x方向的前1.6s內(nèi)振動(dòng)速度和頻率相對(duì)較大，振動(dòng)劇烈，而隨著時(shí)間的增加，振動(dòng)曲線趨近于一條直線，說(shuō)明工作過(guò)程變穩(wěn)定；而在y方向的前1.2 s時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)較為劇烈，最大振動(dòng)速度為3.3 m／s，遠(yuǎn)大于x和z方向的振動(dòng)速度。在z方向的前5 s內(nèi)雖然振動(dòng)的頻率相對(duì)于x、y方向較低，但是振動(dòng)速度始終保持著。

天車(chē)處135節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7　天車(chē)處135節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)曲線

從圖7中可以看到，在前0.8 s內(nèi)135節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)加速度較大，并且y方向的加速度遠(yuǎn)大于x、z方向，當(dāng)過(guò)了0.8 s以后3個(gè)方向的加速度響應(yīng)曲線都趨近于平行于橫坐標(biāo)的一條直線，表示振動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)。

通過(guò)上述分析，在載荷加載的初始階段井架振動(dòng)劇烈，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，隨著時(shí)間的增加，振動(dòng)頻率和幅值逐漸減小，最后趨近于一條直線，表示結(jié)構(gòu)變穩(wěn)定。在井架的前后方向（z方向）相對(duì)于上下和左右方向振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，表示在前后方向上結(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定，這符合了前開(kāi)口“K”型井架在開(kāi)口方向結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)井架前后主腿的剛性。

3　結(jié)論

采用有限元法，結(jié)合ANSYS軟件的有限元分析，充分考慮了JJ315-K型井架在工作過(guò)程中的載荷及結(jié)構(gòu)特型，分析了該井架的固有頻率和陣型、在0～8 Hz內(nèi)的位移響應(yīng)以及在工作過(guò)程中“猛拉、猛剎”時(shí)井架受載的瞬態(tài)過(guò)程。

1）井架的前6階固有頻率如果跟風(fēng)載及地震載荷的頻率接近，容易發(fā)生共振現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)井架二、三段前主腿和井架二層臺(tái)處，減小井架陣型。

2）通過(guò)對(duì)井架0～8 Hz內(nèi)的諧響應(yīng)分析，井架天車(chē)處的位移響應(yīng)值要大于二層臺(tái)處，說(shuō)明了天車(chē)處結(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定，并且在井架前后方向的位移相對(duì)較大，應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)井架主腿剛性，減小井架前后方向的擺動(dòng)。

3）通過(guò)模擬井架在工作時(shí)的一種受力狀況，分析發(fā)現(xiàn)井架在受力初始階段振動(dòng)劇烈，并且在前后方向振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，更容易造成結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。

［1］陳艷霞，林金寶.ANSYS14完全自學(xué)一本通［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［2］梁慶海，周?chē)?guó)強(qiáng)，韓東穎.JJ454／49-H型海洋動(dòng)態(tài)井架動(dòng)力特性分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（4）：34-37.

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Analysis of Dynamics Characteristic for JJ315-K Type Derrick

PANG Shiqiang，MIAO Bo
（Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute Co．，Ltd．，Qingdao 266520，China）

As a structure of towering cantilever，loads the rig derrick has to withstand is very tough，not only the hook loads and wind loads，but the reaction torque from Top Drive as well. Taking the hook loads，reaction torque and pulsating impact led by wind loads what the derrick has to withstand while drilling into full consideration，the libration in the crow of a 5 000 m der-rick under these loads was studied and the characteristics of dynamic response was analyzed，then，the mechanical property of the derrick while drilling was discussed.Those offered theoretical ref-erences for oil rig derrick's design and optimization.

derrick；FEM；dynamic analysis；resonance vibration

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.008

1001-3482（2015）12-0031-06

2015-6-11

龐世強(qiáng)（1985-），男，山東臨沂人，主要從事石油鉆井裝備設(shè)計(jì)計(jì)算，Email：pangshi-101＠163.com。