油田车载修井井架力学分析与结构优化设计

2013-09-04杨龙飞王龙庭徐兴平

机械工程与自动化 2013年6期

杨龙飞，王龙庭，徐兴平，张棣

（1．天津市东方先科石油机械有限公司，天津 301701；2．中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266555）

0 引言

修井设备是油田作业中的关键装备。井架作为修井机的关键部件之一，用来安装和悬挂天车、游车大钩等起升设备，以及起下和存放钻杆、油管或抽油杆。井架的结构类型、移运方式、作业效率及作业布置等都是影响整套修井作业效率的关键所在，因此，研究、设计、制造出既经济适用又可靠的石油装备，研究与制定维护管理措施，应是当前急需解决的课题。本文针对中小型井架的结构类型、结构优化以及结构分析方面做出探讨及解决方案，对井架的承载和疲劳强度进行分析，均具有实际的指导意义。

1 修井井架结构型式

JJ135／33井架为前倾、双节可伸缩套装式有绷绳的轻便井架，又称为桅形井架，是XJ350修井机的重要部件之一。它主要由井架下体、井架上体、天车、上下体承载装置、液压猫头装置、各种绷绳、立管、梯子、二层工作台和大钩托架等组成。JJ135／33井架结构示意图如图1所示。

井架伸缩靠一个伸缩液缸来完成。井架的立起和放倒是由连接在运载车大梁和井架下体上的两个液缸来完成。井架与运载车后支架采用铰支座连接，通过调整Y型支架和运载车车架之间的调节丝杠来调整井架的倾角，以便保证大钩与井口的对中。在正常工作状态下，井架的倾角为3．5°，在Y型支架上安装有角度指示仪。

2 修井井架工况及力学分析

2．1 载荷及边界条件的确定

JJ135／33井架的工作工况由恒定载荷（即结构静载荷）、钩载、立根载荷、环境载荷［1－3］以及这些载荷的组合所决定，下面依次对上述载荷进行分析。

图1 JJ135／33井架结构示意图

（1）井架静载荷：指井架的不变载荷，包括井架重量及天车、游车、钢丝绳等的重量［4］。在进行有限元分析时，井架本体的重量（包括井架上体和下体的重量）由软件自动加载，而井架的附件重量（天车、栏杆、梯子及游动系统）等可平均加载在井架顶部的4个节点上［5］。

（2）钩载：该井架最大钩载为1 350kN，井架天车轮系为5×4，有效绳数n＝8。载荷按照天车的结构施加于天车侧板安装中心相应节点上。

（3）立根载荷：包括立根重量对井架的作用以及立根所承受的风力载荷。立根载荷按水平方向作用在井架的对应节点上。

（4）环境载荷：主要为风载荷。

（5）边界条件：井架与底座销轴连接，在工作状态下，绷绳拉紧工作，其成为固定约束，必须限定其3个线位移及2个角位移。Y型支座调节丝杠拉杆处理成固定约束，限定三个方向的位移。Y型支座位于井架基座安装座上，只限定了竖直方向的位移。

2．2 井架工况分析

根据API Spec 4F－2008第3版的要求，钻修机井架的设计应符合AISC335－1989许用静应力设计法，施加的载荷为静载荷。有绷绳轻便式井架设计工况如表1所示。

表1 有绷绳轻便式井架设计工况

表1中的TE指的是在预期工况下，不作业，大钩载荷为游动系统的载荷，即大钩、游车等的重量。每种工况作用下风载又分为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共8种工况。通过对载荷的仔细分析，井架作业时向前倾斜3．5°。

井架风载在背面吹风时加剧了井架向井口的倾斜，而侧面吹风有可能使井架向侧方向倾倒。因此，在工况1a中，只需考虑背面吹风和侧面吹风3种工况即可。预期工况中，只考虑背面吹风、侧面吹风及45°方向吹风3种工况即可。同理，不可预期工况中，也只需考虑背面吹风、侧面吹风及45°方向吹风3种工况即可。

2．3 井架静力分析结果

采用有限元软件ANSYS进行井架的静态加载分析，采用APDL语言进行建模、边界条件处理和加载。

由于井架在受最大钩载、满立根、背面风载情况下承受的应力和变形最大，因此，本文考虑这种工况的情形，分析结果见图2和图3。

（1）在钩载为1 350kN情况下，井架上体、下体的最大位移及单元力均最大，井架的4根主腿为主要承载构件。

（2）井架下体承载时的应力小于上体承载时的应力，应加强上体；井架上体缩口附近应力较大，如图2所示。最大应力位于缩口处的正面横梁；上体缩口的倾斜度大小对最大应力值影响较大；井架开口侧主腿应力比不开口侧主腿应力大（如图3所示），原因是在承受压应力的同时，开口侧主腿更多地承担弯矩对井架的作用。

（3）井架大部分构件受压产生压应力，绷绳及部分横拉筋受拉产生拉应力。井架后面大腿轴向应力普遍小于前面大腿，位于同一面的左、右侧大腿轴向应力的差别不是很大。

图2 井架上体缩口处应力分布

图3 井架下体主腿应力分布

（4）在满负荷下，井架横撑和斜撑除天车下门框外，其他撑杆的应力都较小，只有几根横撑应力达到100MPa，绝大部分都低于50MPa；另外，斜撑应力普遍较横撑应力大，侧面斜撑应力较背部斜撑应力大，但是背拉杆、侧面横撑和斜撑强度均满足要求。

3 修井井架结构优化

通过对井架静力计算结果，可以对井架的材料及局部结构进行优化，使井架设计制造更加经济合理。

3．1 井架材料的优化

在最大钩载工况下，井架上、下体侧面绝大多数横撑和斜撑的应力均小于100MPa。因此考虑井架上、下体中间横撑部分钢材由Q345B改为Q235钢，井架的强度条件仍能满足。在都满足强度条件的情况下，Q235较Q345B在价格上便宜些，因此可减少井架在钢材费用上的花费。

3．2 井架门框结构优化

井架上体缩口处截面是整个井架的危险截面。井架大腿在该层门框以上向内弯曲。从整体受力情况看，井架的各杆件单元分布并不是很合理，井架上体缩口处门框杆件单元及横梁的应力较大。由于这一层门框应力分布复杂，仅靠增加杆件的截面尺寸取得的改善效果往往不大。更改结构比单纯增大杆件截面尺寸对减小应力集中要有效得多［6］。经过反复更改比对，最后找出缩口处截面较好的结构，如图4所示，其应力分布图如图5所示。对比图2和图5发现，门框横梁应力明显降低，井架的整体稳定性得到提高。