祁秀芳,薛 冠

(兰州兰石石油装备工程有限公司,甘肃兰州 730314)

车装钻机静力分析*

祁秀芳,薛 冠

(兰州兰石石油装备工程有限公司,甘肃兰州 730314)

结合相关规范,采用SAFI有限元分析软件对某车装钻机建立三维有限元模型,得出在各种不同组合工况下受力单元的UC值,确定井架、底座及绷绳的强度、刚度,为钻机的结构设计和现场使用提供理论依据。

SAFI;有限元分析;车装钻机;UC;强度

0 引 言

车装钻机具有质量轻、移运性能好、结构紧凑、安装简便、在油田中转场作业快捷等优点,被广泛用于油田的修井和钻井作业中。常用车装钻机井架(以下简称井架)为双节、可伸缩、有绷绳的桅杆式井架。该井架不但要满足钻井作业的工作要求,而且要满足配套运载车及自身伸缩等要求,故井架在设计过程中要保证结构的合理设计,并确保井架结构的安全。某型车装钻机井架采用SAFI有限元分析软件对井架在各种不同工况下进行静力分析,校核其强度及刚度,为钻机的设计和现场使用提供一定的理论依据。

1 钻机结构及软件简介

1.1 钻机结构

钻机由天车、井架主体、二层台、起升液缸、伸缩液缸、Y型支架、绷绳、底座及一些附件及设备组成。井架主体分为上下段,由螺栓和销轴联接,设计为前开口形式,工作高度为39.3 m,井架及底座较工作位置前倾3°,最大钩载2 250 kN。

1.2 软件简介

SAFI是加拿大SAFIQuality Software Inc.开发的结构计算软件,软件有专门分析石油钻机结构的领域,其有效结合了API4F4th《钻井和修井井架、底座规范》)[1]及AISC 335-1989《美国钢结构标准》[2],能准确完成各种工况下的建模、加载、分析等工作,并可自动生成计算报告。SAFI软件提供UC值来判定构件的综合强度,该值为实际载荷与许用载荷的比值,其完全遵循AISC 335-1989规范的要求,若单元的UC值小于1.0,则认为该单元满足强度要求,反之则不满足,结构需加强或重新设计。

2 建立结构有限元模型

2.1 简化模型

利用SAFI有限元分析软件,简化后的模型由天车、井架上段、井架下段、二层台、Y型支架、起升液缸、绷绳总成[3-4]及底座组成。按照有限单元法单元划分的一般原则,凡是多根梁的交叉点、边界点、集中力作用点都应列为节点,而节点之间的梁则作为单元,按这个原则,对整个井架及底座在交叉点打断,形成多个单元及节点。井架及底座主体结构材料均为Q345B,弹性模量为200 GPa,屈服强度为345 MPa。图纸要求绷绳A、B、C、D、E尺寸分别为:φ19、φ19、φ22、φ19、φ19。规格均为:6X19S+NF/Q级,其弹性模量均为150 GPa。图1为绷绳预拉力示意图。车装钻机的实体模型如图2。

图1 绷绳预拉力示意图

图2 实体模型

图1中:A为四根从天车到地面的绷绳,最小尺寸为5/8″,其预拉力为373 kg;B为两根从二层台到地面的交叉绷绳,最小尺寸为9/16″,其预拉力为187 kg;C为两根从天车到车上的内负荷绷绳,最小尺寸为7/8″,其预拉力为560 kg;D为两根从二层台到地面的附加绷绳,最小尺寸为9/16″,其预拉力为373 kg;E为两根从下段顶部到地面的内负荷绷绳。

2.2 施加载荷[5]

对结构进行精确的力学分析,保证其强度、刚度、稳定性是非常重要的。本钻机以井眼中心为原点,前后为X方向,左右为Z方向,上下为Y方向建立模型,底座及绷绳与地面的接触点完全约束。石油钻机组合载荷设计须符合API 4F4th规范,许用应力符合AISC 335—1989规范,在作业过程中主要承受自重载荷、设备载荷、钩载、环境载荷、立根载荷及转盘载荷等。关于环境载荷文中仅考虑风载,风速按0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°等8个方向分别进行校核,如表1所列。

表1 组合工况下的设计载荷

3 有限元结果分析

3.1 整体结构分析

分别对以上几种进行分析,得出在2 250 kN静钩载作用下,结构在作业工况下最危险。以最危险工况为例,如图3和4所示。

图3 钻机位移偏移量

图4 钻机整体UC值分布

前后四根立柱为主要承载构件,前立柱比后立柱的截面尺寸稍微大一些,上段后立柱最大UC值为0. 97,Y型支架处0.94,是整个井架的薄弱部分,其他多数处于0.7～1之间,结构较为合理。分析相应数据可知,井架前面2根立柱轴向应力变化趋势相一致,井架后面2根立柱的轴向应力变化趋势也相一致。在同一高度下,前面2根立柱的轴向应力明显大于后面2根立柱的轴向应力。同前左右两侧和同后左右两侧立柱的轴向应力差别不大。井架斜撑受力普遍要大于横撑,在方案图中斜撑截面已有所增大。底座UC值最大位置位于转盘梁和立根盒梁附近,最大UC为0.92,其他均小于1,满足强度安全要求。井架各单元主要是拉、压作用产生轴向变形与弯曲变形。由图3可看出,在静钩载作用下,井架发生了微前倾现象,天车上挂绷绳耳板处位移最大,位移方向为井架前倾方向,最大位移值为63.6 mm,前后立柱竖直向下方向的最大位移为65.19 mm。结果证明,在最大静钩载2 250 kN作用下井架、底座及绷绳强度、刚度均满足正常使用要求。

3.2 绷绳强度校核

在静钩载作用下,井架发生了微前倾现象,井架后部的2根绷绳受拉,前部2根绷绳处于自然下垂状态,绷绳最大拉力为58.5 kN。

根据API 4F4th:

式中:n为安全系数;F为公称强度;Fs为计算所得最大绷绳载荷。由表2可知,绷绳符合强度,安全。

表2 绷绳强度汇总

4 结 论

(1)总体来看,井架比底座受力复杂,车装钻机安全设计主要位于井架。

(2)在最大静钩载2 250 kN作用下,井架上段的位移大于下段的位移变化;井架前主弦杆受压,后主弦杆受拉,前主弦杆应力大于后主弦杆的应力。

(3)井架后面2根绷绳受力大于前面2根绷绳,但均符合强度要求,安全。

(4)井架在各种组合工况下的UC值均小于1,结构满足强度、刚度要求,可以正常使用。

(5)对结构进行精确的力学分析,保证其强度、刚度及稳定性是非常重要的。

[1]APISpec 4E—1988,钻井和修井结构规范[S].

[2]AISC 335-1989,美国钢结构标准[S].

[3]APISpec 4F—2013,钻井和修井井架、底座规范[S].

[4]APISpec 4G—2012,钻井和修井结构的检验·维护·修理与使用的推荐方法[S].

[5]胡晶磊,祁秀芳.JJ675/48-K型井架起升过程力学分析[J].石油矿场机械,2014(10):97-99.

Static Analysis of Truck-M ounted Drill Rig

QIXiu-fang,XUE Guan
(Lanzhou LSPetroleum Equipment Engineering Co.,Ltd,Lanzhou Gansu 730314,China)

This paper establishes a three-dimensional finite elementmodel for one truck-mounted drill rig,combining with applicable specifications and using the SAFIsoftware to get the UC values on the force unit in different combination of the conditions,which determines the strength and stiffness of themast,substructure and guy rope,it provides the theoretical basis to the structural design and field use.The conclusion shows that the rigmeets the operational requirements for structure strength.

SAFI;finite element;truck-mounted drill rig;UC;strength

FE923

A

1007-4414(2015)06-0020-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.008

2015-10-01

祁秀芳(1987-),女,青海格尔木人,助理工程师,主要从事金属结构设计及计算方面的工作。