修井机Y形支座受井架坠落撞击的数值模拟

万夫　周兆明　毛德森

摘要：在ANSYS中建立修井机井架和Y形支座的有限元模型，并采用六面体单元划分网格.用ANSYS/LSDYNA进行计算，获得井架坠落撞击过程的完整图像以及井架和Y形支座在坠落撞击过程中产生的应力状况，并得到产生裂纹可能性最大的井架部位.该方法为事故井架的无损检测、修理补焊或者钢材更换等提供理论支持.

关键词：修井机； Y形支座； 井架； 坠落； 撞击； 接触； ANSYS

中图分类号： TE923；TB115.1

文献标志码： B

0引言

在石油和天然气勘探开发施工中，石油修井机是修井作业井架系统的关键设备.修井机井架应满足在修井过程中各种组合工况所需的负荷能力，必须有足够的刚性和稳定性.超过29 m的自行式修井机井架主要由天车、井架上体、井架下体、上下承载机构、二层工作台、Y形支座、伸缩液缸及其扶正装置、液压毛头装置、立管、绷绳和梯子等组成.[1]修井机按井架形式分为前开口桁架结构和桅杆式结构，同时可采取伸缩式结构.[2]桁架结构两段或多段的井架可采用伸缩或折叠方式，使用液缸或钢丝绳起升将其竖立到作业位置.在起升过程中若发生轻微摔落事故，则发生事故的井架是否可继续使用，需要无损检测和承载测评分析.[34]井架跌落事故为瞬间冲击过程，现场无法检测事故发生时的数据，很难检测井部受冲击后的性能特性，也不可能观测整个跌落冲击过程.本文通过计算机仿真模拟事故发生的过程，利用ANSYS/LSDYNA显式动力分析软件计算井架瞬间撞击Y形支座的应力情况，为该井架系统的检测、评定和修理提供参考.

1冲击计算理论

2Y形支座受撞击的物理模型

在ANSYS Workbench的Design Modeler中建立三段车载式修井机模型，型号为XJ120.修井机模型井架主杆件的第一大节（第一段）为角钢，长160.0 mm，宽160.0 mm，厚13.5 mm；第二大节为矩形截面，长140.0 mm，宽75.0 mm，厚9.0 mm；井架整体高度为29 m.该修井机起升过程为：利用液缸首先立起三段重合的整体井架，然后使用起升钢丝绳起升顶段井架，最后起升中间段直至井架全部立起到作业位置.假设起升中段至离Y形支座0.5 m时发生坠落事故，顶段和中段井架顺下段井架的角钢落至Y形支座上.三维实体模型见图1.

井架实体模型包含矩形截面的钢材、圆形截面管材、L形截面钢材和实体的薄钢板等.由于该模型钢材截面形式较多，模型体积较大，因此网格划分难度较高.为获得良好的仿真结果，本文以六面体单元为主划分网格，并采用映射和分割等方法.整体网格划分及局部放大示意见图2和3.

为同时获得井架和Y形支座受力情况，撞击接触采用面对面的自动接触[10]，接触面和目标面都设置为柔体，计算的时间和难度增加.

3结果分析

在大型工作站上利用ANSYS/LSDYNA的显式动力学程序进行并行计算，共耗时40 h.井架上与Y形支座接触的单元A（单元编号为39346）的压力和速度随时间变化曲线见图4和5.由图4可知，在20 ms时刻支座受到的压力最大为15 kPa.随着井架被弹起，井架底部单元受到上部井架段的压力而未受到支座的反力，所以随着井架被弹起速度的减小该单元受力不断反复.给定井架初速度为3 m/s，接触后被弹起，30 ms时上升速度最大，到140 ms时上升速度约降为0，而后井架落在支座上.

Y形支座受撞击接触时刻的应力云图见图6，此刻为整个过程受力最大时刻.由于支座前倾3～5°，导致支座受瞬间冲击力不均匀，产生较大应力集中区域.在撞击过程中动能向应变能转换，坠落井架的应变能由整个Y形支座承担.由图6可知，Y形支座下面2个主受力柱受力最大，连接焊缝处产生应力集中.2个主受力柱与横拉筋的焊缝处、斜支撑与支座横拉筋的焊缝处以及支座两边的V形支柱与板筋的焊缝处应力都较大.画圈区域应力已略超过其屈服应力345 kPa，Y形支座在这几处的焊缝可能存在裂纹.现场对这几处进行无损检测，其结果与理论分析较为吻合.因此，理论分析结果可指导现场检测，以免漏检和浪费大量时间进行不必要的检测.

由图7可知，应力最大区域分布在横拉筋与井架主立柱焊接处，并且有斜拉筋焊接部位比没有斜拉筋焊接部位应力大.图7中画圈和画框区域应力超过应力屈服极限，这几处可能存在裂纹，需进行无损检测.选取井架左侧前大腿从下到上3个单元，等距离间隔，见图8中的64212，64069和63917单元.由图8可知，在20 ms即撞击接触时刻井架应力最大，而后逐渐下降；井架中间64069单元受力最大，井架上部63917单元受力最小；所有单元随着时间的推移等效应力逐渐下降，直至撞击结束部分单元依然存在较小应力，说明产生遗留效应，材料性能发生变化.

4结论

（1）建立井架坠落撞击支座的有限元模型，模拟事故发生的物理过程，结果认为撞击接触时刻Y形支座受力最大，而后受到反复的压力并逐渐减小.

（2）分析结果可指导现场无损检测：焊缝附近为塑性应变最严重区域，需着重检测，及时补焊.检测结果与计算结果较为吻合.

分析结果同时可以指导井架实际承载能力测试，以便得到准确的承载能力，为分析此类事故及修理事故井架提供参考.

（3）对井架大变形部位进行加固或者更换梁，建议重新进行应力分析，同时配合井架承载能力检测.计算结果可指导事故井架修理，避免设备损失，对安全快速的油气开发有重要意义.

参考文献：

[1]尹永晶， 杨汉立. 石油修井机[M]. 北京： 石油工业出版社， 2003： 143.

[2]SY/T 5202—2005石油修井机[S].

[3]SY/T 6408—2012钻井和修井井架、底座的检查、维护、修理与使用[S].

[4]SY 6326—2012石油钻机和修井机井架、底座承载能力检测评定方法[S].

[5]张汝清. 固体力学变分原理及其应用[M]. 重庆： 重庆大学出版社， 1991： 118.

[6]HALLQUIST J O. LSDYNA theory manual[EB/OL]. （20061231） [20130110]. http：//ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/trent001/manuals/lsdyna_theory_manual_2006.pdf.

[7]尚晓江， 苏建宇， 王化锋. ANSYS/LSDYNA动力分析方法与工程实例[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2005： 194.

[8]李裕春， 时党勇， 赵远. ANSYS 11.0/LSDYNA基础理论与工程实践[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2008： 258.

[9]郝好山， 胡仁喜， 康士廷， 等. ANSYS 12.0 LSDYNA 非线性有限元分析从入门到精通[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010.

[10]SHELDON Imaoka. Contact analysis tips[EB/OL]. （20091031） [20130110]. http：//ansys.net/sheldon_tips/2009/Contact%20Analysis%20Tips.pdf.

（编辑于杰）

摘要：在ANSYS中建立修井机井架和Y形支座的有限元模型，并采用六面体单元划分网格.用ANSYS/LSDYNA进行计算，获得井架坠落撞击过程的完整图像以及井架和Y形支座在坠落撞击过程中产生的应力状况，并得到产生裂纹可能性最大的井架部位.该方法为事故井架的无损检测、修理补焊或者钢材更换等提供理论支持.

关键词：修井机； Y形支座； 井架； 坠落； 撞击； 接触； ANSYS

中图分类号： TE923；TB115.1

文献标志码： B

0引言

在石油和天然气勘探开发施工中，石油修井机是修井作业井架系统的关键设备.修井机井架应满足在修井过程中各种组合工况所需的负荷能力，必须有足够的刚性和稳定性.超过29 m的自行式修井机井架主要由天车、井架上体、井架下体、上下承载机构、二层工作台、Y形支座、伸缩液缸及其扶正装置、液压毛头装置、立管、绷绳和梯子等组成.[1]修井机按井架形式分为前开口桁架结构和桅杆式结构，同时可采取伸缩式结构.[2]桁架结构两段或多段的井架可采用伸缩或折叠方式，使用液缸或钢丝绳起升将其竖立到作业位置.在起升过程中若发生轻微摔落事故，则发生事故的井架是否可继续使用，需要无损检测和承载测评分析.[34]井架跌落事故为瞬间冲击过程，现场无法检测事故发生时的数据，很难检测井部受冲击后的性能特性，也不可能观测整个跌落冲击过程.本文通过计算机仿真模拟事故发生的过程，利用ANSYS/LSDYNA显式动力分析软件计算井架瞬间撞击Y形支座的应力情况，为该井架系统的检测、评定和修理提供参考.

1冲击计算理论

2Y形支座受撞击的物理模型

在ANSYS Workbench的Design Modeler中建立三段车载式修井机模型，型号为XJ120.修井机模型井架主杆件的第一大节（第一段）为角钢，长160.0 mm，宽160.0 mm，厚13.5 mm；第二大节为矩形截面，长140.0 mm，宽75.0 mm，厚9.0 mm；井架整体高度为29 m.该修井机起升过程为：利用液缸首先立起三段重合的整体井架，然后使用起升钢丝绳起升顶段井架，最后起升中间段直至井架全部立起到作业位置.假设起升中段至离Y形支座0.5 m时发生坠落事故，顶段和中段井架顺下段井架的角钢落至Y形支座上.三维实体模型见图1.

井架实体模型包含矩形截面的钢材、圆形截面管材、L形截面钢材和实体的薄钢板等.由于该模型钢材截面形式较多，模型体积较大，因此网格划分难度较高.为获得良好的仿真结果，本文以六面体单元为主划分网格，并采用映射和分割等方法.整体网格划分及局部放大示意见图2和3.

为同时获得井架和Y形支座受力情况，撞击接触采用面对面的自动接触[10]，接触面和目标面都设置为柔体，计算的时间和难度增加.

3结果分析

在大型工作站上利用ANSYS/LSDYNA的显式动力学程序进行并行计算，共耗时40 h.井架上与Y形支座接触的单元A（单元编号为39346）的压力和速度随时间变化曲线见图4和5.由图4可知，在20 ms时刻支座受到的压力最大为15 kPa.随着井架被弹起，井架底部单元受到上部井架段的压力而未受到支座的反力，所以随着井架被弹起速度的减小该单元受力不断反复.给定井架初速度为3 m/s，接触后被弹起，30 ms时上升速度最大，到140 ms时上升速度约降为0，而后井架落在支座上.

Y形支座受撞击接触时刻的应力云图见图6，此刻为整个过程受力最大时刻.由于支座前倾3～5°，导致支座受瞬间冲击力不均匀，产生较大应力集中区域.在撞击过程中动能向应变能转换，坠落井架的应变能由整个Y形支座承担.由图6可知，Y形支座下面2个主受力柱受力最大，连接焊缝处产生应力集中.2个主受力柱与横拉筋的焊缝处、斜支撑与支座横拉筋的焊缝处以及支座两边的V形支柱与板筋的焊缝处应力都较大.画圈区域应力已略超过其屈服应力345 kPa，Y形支座在这几处的焊缝可能存在裂纹.现场对这几处进行无损检测，其结果与理论分析较为吻合.因此，理论分析结果可指导现场检测，以免漏检和浪费大量时间进行不必要的检测.

由图7可知，应力最大区域分布在横拉筋与井架主立柱焊接处，并且有斜拉筋焊接部位比没有斜拉筋焊接部位应力大.图7中画圈和画框区域应力超过应力屈服极限，这几处可能存在裂纹，需进行无损检测.选取井架左侧前大腿从下到上3个单元，等距离间隔，见图8中的64212，64069和63917单元.由图8可知，在20 ms即撞击接触时刻井架应力最大，而后逐渐下降；井架中间64069单元受力最大，井架上部63917单元受力最小；所有单元随着时间的推移等效应力逐渐下降，直至撞击结束部分单元依然存在较小应力，说明产生遗留效应，材料性能发生变化.

4结论

（1）建立井架坠落撞击支座的有限元模型，模拟事故发生的物理过程，结果认为撞击接触时刻Y形支座受力最大，而后受到反复的压力并逐渐减小.

（2）分析结果可指导现场无损检测：焊缝附近为塑性应变最严重区域，需着重检测，及时补焊.检测结果与计算结果较为吻合.

分析结果同时可以指导井架实际承载能力测试，以便得到准确的承载能力，为分析此类事故及修理事故井架提供参考.

（3）对井架大变形部位进行加固或者更换梁，建议重新进行应力分析，同时配合井架承载能力检测.计算结果可指导事故井架修理，避免设备损失，对安全快速的油气开发有重要意义.

参考文献：

[1]尹永晶， 杨汉立. 石油修井机[M]. 北京： 石油工业出版社， 2003： 143.

[2]SY/T 5202—2005石油修井机[S].

[3]SY/T 6408—2012钻井和修井井架、底座的检查、维护、修理与使用[S].

[4]SY 6326—2012石油钻机和修井机井架、底座承载能力检测评定方法[S].

[5]张汝清. 固体力学变分原理及其应用[M]. 重庆： 重庆大学出版社， 1991： 118.

[6]HALLQUIST J O. LSDYNA theory manual[EB/OL]. （20061231） [20130110]. http：//ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/trent001/manuals/lsdyna_theory_manual_2006.pdf.

[7]尚晓江， 苏建宇， 王化锋. ANSYS/LSDYNA动力分析方法与工程实例[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2005： 194.

[8]李裕春， 时党勇， 赵远. ANSYS 11.0/LSDYNA基础理论与工程实践[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2008： 258.

[9]郝好山， 胡仁喜， 康士廷， 等. ANSYS 12.0 LSDYNA 非线性有限元分析从入门到精通[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010.

[10]SHELDON Imaoka. Contact analysis tips[EB/OL]. （20091031） [20130110]. http：//ansys.net/sheldon_tips/2009/Contact%20Analysis%20Tips.pdf.

（编辑于杰）

摘要：在ANSYS中建立修井机井架和Y形支座的有限元模型，并采用六面体单元划分网格.用ANSYS/LSDYNA进行计算，获得井架坠落撞击过程的完整图像以及井架和Y形支座在坠落撞击过程中产生的应力状况，并得到产生裂纹可能性最大的井架部位.该方法为事故井架的无损检测、修理补焊或者钢材更换等提供理论支持.

关键词：修井机； Y形支座； 井架； 坠落； 撞击； 接触； ANSYS

中图分类号： TE923；TB115.1

文献标志码： B

0引言

在石油和天然气勘探开发施工中，石油修井机是修井作业井架系统的关键设备.修井机井架应满足在修井过程中各种组合工况所需的负荷能力，必须有足够的刚性和稳定性.超过29 m的自行式修井机井架主要由天车、井架上体、井架下体、上下承载机构、二层工作台、Y形支座、伸缩液缸及其扶正装置、液压毛头装置、立管、绷绳和梯子等组成.[1]修井机按井架形式分为前开口桁架结构和桅杆式结构，同时可采取伸缩式结构.[2]桁架结构两段或多段的井架可采用伸缩或折叠方式，使用液缸或钢丝绳起升将其竖立到作业位置.在起升过程中若发生轻微摔落事故，则发生事故的井架是否可继续使用，需要无损检测和承载测评分析.[34]井架跌落事故为瞬间冲击过程，现场无法检测事故发生时的数据，很难检测井部受冲击后的性能特性，也不可能观测整个跌落冲击过程.本文通过计算机仿真模拟事故发生的过程，利用ANSYS/LSDYNA显式动力分析软件计算井架瞬间撞击Y形支座的应力情况，为该井架系统的检测、评定和修理提供参考.

1冲击计算理论

2Y形支座受撞击的物理模型

在ANSYS Workbench的Design Modeler中建立三段车载式修井机模型，型号为XJ120.修井机模型井架主杆件的第一大节（第一段）为角钢，长160.0 mm，宽160.0 mm，厚13.5 mm；第二大节为矩形截面，长140.0 mm，宽75.0 mm，厚9.0 mm；井架整体高度为29 m.该修井机起升过程为：利用液缸首先立起三段重合的整体井架，然后使用起升钢丝绳起升顶段井架，最后起升中间段直至井架全部立起到作业位置.假设起升中段至离Y形支座0.5 m时发生坠落事故，顶段和中段井架顺下段井架的角钢落至Y形支座上.三维实体模型见图1.

井架实体模型包含矩形截面的钢材、圆形截面管材、L形截面钢材和实体的薄钢板等.由于该模型钢材截面形式较多，模型体积较大，因此网格划分难度较高.为获得良好的仿真结果，本文以六面体单元为主划分网格，并采用映射和分割等方法.整体网格划分及局部放大示意见图2和3.

为同时获得井架和Y形支座受力情况，撞击接触采用面对面的自动接触[10]，接触面和目标面都设置为柔体，计算的时间和难度增加.

3结果分析

在大型工作站上利用ANSYS/LSDYNA的显式动力学程序进行并行计算，共耗时40 h.井架上与Y形支座接触的单元A（单元编号为39346）的压力和速度随时间变化曲线见图4和5.由图4可知，在20 ms时刻支座受到的压力最大为15 kPa.随着井架被弹起，井架底部单元受到上部井架段的压力而未受到支座的反力，所以随着井架被弹起速度的减小该单元受力不断反复.给定井架初速度为3 m/s，接触后被弹起，30 ms时上升速度最大，到140 ms时上升速度约降为0，而后井架落在支座上.

Y形支座受撞击接触时刻的应力云图见图6，此刻为整个过程受力最大时刻.由于支座前倾3～5°，导致支座受瞬间冲击力不均匀，产生较大应力集中区域.在撞击过程中动能向应变能转换，坠落井架的应变能由整个Y形支座承担.由图6可知，Y形支座下面2个主受力柱受力最大，连接焊缝处产生应力集中.2个主受力柱与横拉筋的焊缝处、斜支撑与支座横拉筋的焊缝处以及支座两边的V形支柱与板筋的焊缝处应力都较大.画圈区域应力已略超过其屈服应力345 kPa，Y形支座在这几处的焊缝可能存在裂纹.现场对这几处进行无损检测，其结果与理论分析较为吻合.因此，理论分析结果可指导现场检测，以免漏检和浪费大量时间进行不必要的检测.

由图7可知，应力最大区域分布在横拉筋与井架主立柱焊接处，并且有斜拉筋焊接部位比没有斜拉筋焊接部位应力大.图7中画圈和画框区域应力超过应力屈服极限，这几处可能存在裂纹，需进行无损检测.选取井架左侧前大腿从下到上3个单元，等距离间隔，见图8中的64212，64069和63917单元.由图8可知，在20 ms即撞击接触时刻井架应力最大，而后逐渐下降；井架中间64069单元受力最大，井架上部63917单元受力最小；所有单元随着时间的推移等效应力逐渐下降，直至撞击结束部分单元依然存在较小应力，说明产生遗留效应，材料性能发生变化.

4结论

（1）建立井架坠落撞击支座的有限元模型，模拟事故发生的物理过程，结果认为撞击接触时刻Y形支座受力最大，而后受到反复的压力并逐渐减小.

（2）分析结果可指导现场无损检测：焊缝附近为塑性应变最严重区域，需着重检测，及时补焊.检测结果与计算结果较为吻合.

分析结果同时可以指导井架实际承载能力测试，以便得到准确的承载能力，为分析此类事故及修理事故井架提供参考.

（3）对井架大变形部位进行加固或者更换梁，建议重新进行应力分析，同时配合井架承载能力检测.计算结果可指导事故井架修理，避免设备损失，对安全快速的油气开发有重要意义.

参考文献：

[1]尹永晶， 杨汉立. 石油修井机[M]. 北京： 石油工业出版社， 2003： 143.

[2]SY/T 5202—2005石油修井机[S].

[3]SY/T 6408—2012钻井和修井井架、底座的检查、维护、修理与使用[S].

[4]SY 6326—2012石油钻机和修井机井架、底座承载能力检测评定方法[S].

[5]张汝清. 固体力学变分原理及其应用[M]. 重庆： 重庆大学出版社， 1991： 118.

[6]HALLQUIST J O. LSDYNA theory manual[EB/OL]. （20061231） [20130110]. http：//ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/trent001/manuals/lsdyna_theory_manual_2006.pdf.

[7]尚晓江， 苏建宇， 王化锋. ANSYS/LSDYNA动力分析方法与工程实例[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2005： 194.

[8]李裕春， 时党勇， 赵远. ANSYS 11.0/LSDYNA基础理论与工程实践[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2008： 258.

[9]郝好山， 胡仁喜， 康士廷， 等. ANSYS 12.0 LSDYNA 非线性有限元分析从入门到精通[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010.

[10]SHELDON Imaoka. Contact analysis tips[EB/OL]. （20091031） [20130110]. http：//ansys.net/sheldon_tips/2009/Contact%20Analysis%20Tips.pdf.

（编辑于杰）