JJ160/41-K型模型井架结构分析

2009-12-04邹龙庆赫广田大庆石油学院机械科学与工程学院黑龙江大庆163318

长江大学学报(自科版) 2009年2期

关键词：井架静力振型

邹龙庆，赫广田 (大庆石油学院机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318)

JJ160/41-K型模型井架结构分析

邹龙庆，赫广田 (大庆石油学院机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318)

针对目前在大庆油田广泛使用的石油钻机JJ160/41-K型井架存在的结构问题，利用I-DEAS有限元程序对该模型井架进行了结构静、动力分析。结果表明，该井架前部2根立柱受力最大，为井架承载的薄弱环节；振动也较大，刚度不足。

模型井架；结构分析；承载能力；有限元；静力；动力

JJ160/41-K型井架是大庆石油管理局钻井公司机修厂研制开发的一种适合大庆地区的K型井架。近几年，陆续在大庆油田投入使用。虽然已经有结构优化和稳定性方面的分析研究[1]，但设计时没有进行动力计算。在使用过程中出现了有时振动过大、个别部位刚度弱的问题。该井架能否满足2000m井深的钻探要求，其强度、动力特性如何，已经成为现场急需解决的问题。为此，笔者利用I-DEAS大型有限元分析软件对该井架进行静、动力分析，从强度、稳定性方面对现有的井架进行承载能力研究，结合井架结构计算仿真，建立相关承载力安全的评定理论。

1 模型的建立

JJ160/412K型井架主要由下段、中下段、中上段、上段等4部分组成。整个井架在地面或接近地面处水平组装，依靠绞车动力，利用起升人字架将井架整体升起到垂直的工作位置。I-DEAS软件[2]通过建立一个简化的、接近实际结构的力学模型来求解。

1)将二层台、天车、工作梯等附件在简化时全部忽略，二层台和天车的质量视为集中质量分配于相应的结点位置。

2)井架各杆件均承受轴向力和附加弯矩作用，各结点均为焊接的刚性结点，故将其简化为空间刚架结构，并采用空间梁单元为基本单元。

图1 模型井架结构图

3)模型解算时忽略井架自重和风载影响，井架钩载平均作用于4根立柱上。

4)井架底座与地面为全约束。

5)简化后，井架4部分之间可视为刚性连接。

2 模型的离散化

选取井架结构的自然结点作为有限元计算模型的结点，选取角钢、不等边角钢、圆钢和双排工字钢、压型梁等定义空间梁单元。

该井架高41.15m，计算模型共划分116个结点，281个单元，各杆件均采用16Mn钢，共有8种截面特性，设计最大钩载为1568kN。井架整体结构简图、计算模型和离散模型如图1所示。

3 井架结构分析

图2 静力分析结果云图

原JJ160/41-K型钻机井架的最大静钩载为160t，故模型最大静钩载为0.71t。利用I-DEAS进行有限元静力分析计算，结果如图2所示。

结合图2可以发现，井架4个立柱承受主要应力，各斜、横撑杆的应力总体水平远小于4根立柱，最大应力为90.8MPa，位于井架第3大节3号立柱第1、2小节处(215号单元，19号节点)；最大位移(竖向位移)为1.34mm，位于2号立柱下段人字架支点处(154号单元，78号节点)。

表1 模型井架在不同钩载情况下最大位移和最大应力值

通过施加最大静钩载的方法的静力计算说明,井架模型在承受最大静钩载的时候，4个立柱是主要承载构件，其中位于井架第3大节处的立柱部分压应力最大(图2(a))；人字架处位移变形最大，井架模型顶点位置朝X向(前开口方向)的前倾位移最大(图2(b))。

分别在竖向载荷为290、580、870、…、1742N下对模型井架结构进行有限元静力分析(如图3所示),得到位移和应力值最大值(如表1)。

图3 不同载荷下有限元静力分析

阶数频率/Hz阶数频率/Hz114.509445.878218.011567.454324.409688.049

由图3和表1可以看出，随着井架载荷的逐级递增，位移幅值随之递增，应力值也随之递增，二者明显呈线性关系。计算结果表明，在模型井架的承载范围内，井架位移变形和承载能力变化与外载有关，并呈显著线性变化。

2)结构动力分析为全面获得井架的固有振动特性，利用有限元软件I-DEAS对井架模型进行模态分析，可得到井架模型的前6阶固有频率(表2)及其对应主振型(图4)。

表3 各主振型对应位移与应力

注：结构模态分析结果所得应力和位移均为等效值非真实值，主要用来获得应力和位移分布。

由图4得到各主振型对应位移与应力数据列如表3。1阶振型(图4(a))主要表现为X-Y平面内的弯曲振动，以模型井架顶点位置处最为明显，58号单元(63节点)承受最大位移，42号单元(46节点)承受最大应力；2阶振型(图4(b))主要表现为X-Y平面内的弯曲振动，形式如同悬臂梁，另外，井架顶部伴有明显的扭振；3阶振型(图4(c))主要表现为Y-Z平面内的1阶弯曲振动，同时以人字架顶点为原点在绕立柱轴向做整体扭振，顶部61单元(1号节点)应力最大；四阶振型(图4(d))主要表现为模型井架的整体扭振，同时在井架二层台、人字架附近兼有2阶弯曲振动；5阶振型(图4(e))以Y-Z面的3阶弯曲为主，最大幅值分别为0.253m、0.171m和0.076m；6阶振型(图4(f))主要为X-Y平面内的弯曲振动，但振幅最大部位不在井架顶点位置，而在第2大节和第3大节的连接部位，最大振幅达到0.151m，59号单元(31节点)承受最大应力。