吴文秀,王孟法

(长江大学机械工程学院,湖北荆州434023)

大腿应力集中损伤井架承载能力研究

吴文秀,王孟法

(长江大学机械工程学院,湖北荆州434023)

目前,国内外对损伤井架承载能力的研究局限于宏观损伤。通过等效处理坑蚀引起的应力集中损伤,借助有限元软件ANSYS计算含有应力集中损伤井架的承载能力。与现场测试评定的结果比较,数值相差1%,证明ANSYS软件的计算精度可以满足应力集中损伤井架的承载能力评定需要。

井架;坑蚀;应力集中;承载能力

Abstract:presently,the study on bearing capacity of damaged derrick structure was defined to macroscopic injure.Through equivalently disposing stress construction caused by pit corrosion,aiding by finite software ANSYS,the bearing capacity of stress concentration derrick is calculated.Comparing the results tested on field,number difference was within 1%,proving that the calculated precision of software ANSYS can meet the requirement of carrying capacity assessment of stress construction derrick structure.

Key words:derrick;pit corrosion;stress concentration;bearing capacity

钻机井架在野外恶劣的环境下作业,结构上不可避免地会产生局部或整体损伤缺陷。损伤缺陷使井架结构的力学性能与原设计差别较大,导致井架承载能力降低。国内外重点集中在宏观损伤井架承载能力的研究,而对隐形损伤钻机井架承载能力的研究还未见报道或文献资料。为弥补目前损伤井架承载能力研究的不足,本文对坑蚀引起的应力集中隐形损伤井架承载能力进行了研究。

1 应力集中损伤分析

坑蚀是井架大腿常见腐蚀损伤形态之一[1],其最大的危害是引起应力集中。对于井架,由于应力集中处的材料进入塑性阶段会引起应力重新分布,静载作用下的应力集中损伤不使井架结构强度降低,但是应力集中会对疲劳强度有较大的影响。井架在钻井服役过程中,其承载特点是:不是单一载荷,而是复杂载荷的联合作用;不是恒载,而是不断变化的载荷;载荷是反复作用在服役井架上的。通常,含有应力集中损伤的构件的疲劳强度比除以应力集中的“普通”杆件疲劳强度高[2]。为研究坑蚀损伤杆件,引入有效应力集中系数,定义为

式中,P为无损伤杆件疲劳极限;P′为损伤杆件疲劳极限。

有效应力集中系数Kσ可以通过试验获得,也可以由式(2)的理论公式[3]计算得

式中,q为敏感系数;ασ为材料损伤缺陷处的理论应力集中系数。

敏感系数q与材料、坑蚀形态、大小有关,利用式(3)计算得

式中,α为材料常数,利用非线性回归法求得,材料Q345的α=0.466;ρ为损伤处切口的曲率半径。

求得损伤杆件的有效应力集中系数就可对应力集中损伤井架进行承载能力计算。

2 大腿应力集中损伤井架承载能力计算

研究井架的承载能力[3],首先必须掌握井架的受力状态、承载能力极限及井架的破坏形式,即,明确载荷作用下井架的内力、变形响应。井架是由连接件构成的大型空间钢结构,其应力、变形都比较复杂,计算工作量大。大量研究表明[4-6],数值模拟法中的有限元法是研究井架结构最可取的一种方法。本文利用参考应力修正法修正结构损伤,修正井架有限元模型,对损伤井架进行有限元分析。

2.1 无损伤井架承载能力分析

以常见的JJ225/43-K型井架为例,在载荷为4 000 kN时,静力计算最大应力为142.06 MPa(如图1)。根据应力值及钩载的关系,线性外推可得井架静态最大承载能力为5 816 kN,井架结构屈服极限345 MPa,安全系数为1.67(经验值),许用极限应力为206.6 MPa。

图1 无损伤井架的应力分布

井架正面开档值(在底部)与其高度比为1/5,其侧向形状尺寸最大值与其高度比仅为1/18,是一种容易失稳的高耸结构,因此,稳定性分析在井架承载能力分析中是必要的。在2 250 kN钩载作用下,对井架屈曲分析取其最优值为2.5799,根据公式{P}cr={P}×λcr,可求得大钩临界载荷为 5 804 kN。综合井架静力、屈曲分析,得无损伤井架承载能力为5 804 kN。

2.2 大腿应力集中隐形损伤井架承载能力分析

大腿下段含有有效应力集中系数为1.280、1.286、1.300的3种应力集中损伤。在2 250 kN钩载时,计算得 3种损伤井架静态最大应力值为90.89、91.228、92.077 MPa,如图2～4。可推知静态最大承载能力为5 114、5 095、5 048 kN。

图2 有效应力集中系数为1.280的损伤井架应力等值分布

图3 有效应力集中系数为1.286的损伤井架应力等值分布

图4 有效应力集中系数为1.300的损伤井架应力等值分布

在设计最大钩载作用下,对这3种应力集中损伤井架进行稳定性计算,取其最优值分别为1.805、1.791、1.759,利用公式计算其最大承载能力为4 060、4 307、3 958 kN。综合损伤井架静态、稳定性分析,可评定这3种损伤井架承载能力为4 060、4 307、3 958 kN。

3 在役井架损伤检测与结论验证

以长庆油田某钻机井架为例,损伤缺陷检测结果表明,井架下前大腿下段存在有效应力集中系数为1.287的应力集中隐形损伤。根据本文的分析方法可评定井架的承载能力为4 301 kN。

对此钻机井架进行动态测试,并利用式(4)计算该井架的承载能力,即

式中,P为井架试验载荷,kN;PE为井架临界载荷,kN;f0为无载荷作用时的井架结构固有频率,Hz;fi为有载荷作用时的井架结构固有频率,Hz。

在空载时测得f0=1.201 2 Hz,钩载在740 kN时测得fi=1.300 3 Hz。由式(4)计算得该井架的承载能力为4 257 kN。2种方法评定的井架承载能力值相差1%,完全符合工程上误差＜5%的要求。

文中井架评估结果是没有考虑安全系数或载荷折减系数的理论承载能力。

4 结论

1) 通过分析应力集中损伤杆件与完整杆件的强度,证明利用有效应力集中系数分析应力集中损伤是正确的。

2) 通过等效方法处理损伤,借助有限元软件ANSYS分析损伤井架承载能力,证明利用有限元软件ANSYS分析井架承载能力,方便、合理。

3) 通过现场测试,证明了本课题研究方法正确、科学,为分析隐形损伤井架承载能力提供新方法。

[1] 王孟法.含结构损伤 K型井架承载能力研究[D].荆州:长江大学,2010:23.

[2] 吕胜利,张有宏,吕国志.铝合金结构腐蚀损伤研究与评价[M].西安:西北大学出版社,2009:4.

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[4] 范家齐.实用有限元法[M].北京:机械工业出版社,1994:99-108.

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[6] 管 锋,周传喜,黄清世.直动推杆式直线减速器的三维有限元分析[J].石油矿场机械,2004,33(2):48-50.

Study of Bearing Ability of Structure Damaged Derrick to Stress Concentration

WU Wen-xiu,WANG Meng-fa
(School of Mechanical Engineering,Yangtze University,Jinzhou434023,China)

TE923

A

1001-3482(2010)11-0008-03

2010-06-23

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“在役钻机安全评定方法研究”(03B209000)

吴文秀(1965-),男,湖北天门人,教授,硕士,主要从事机械测试控制与材料成型技术的教学与研究工作,E-mail:wangmengfa@eyou.com。