K型井架的多點加載與變形規(guī)律分析研究

向文進,張曉黎，馬黎霞，曹虎平,馬存翔

（1.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆克拉瑪依834000；2.新疆油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；3.西安交通大學(xué)機械學(xué)院，陜西西安710049）

近年來由于K型井架的使用越來越廣泛，因此K型井架展現(xiàn)的問題也就越來越多。目前的國內(nèi)外學(xué)者對井架的研究主要集中在井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計、穩(wěn)定性分析、強度及剛度分析等，而由于K型井架的工況比較復(fù)雜，既有常規(guī)的掛鉤載荷、二層臺的自重以及風(fēng)載等，使得對K型井架的仿真和研究比較困難。

本文主要對K型井架進行靜力學(xué)分析，從靜力學(xué)分析結(jié)果，對K型井架進行強度校核，結(jié)合材料的屈服極限來判斷井架的安全系數(shù)是否合適等。通過對井架進行受力分析，從而起到預(yù)防事故發(fā)生，減少人員傷亡、財產(chǎn)損失等。

1 功能需求分析

隨著近年來石油的消耗越來越多，石油的開采越來越頻繁，開采量越來越多，而作為石油開采設(shè)備中的一個重要組成部分，井架的綜合性能對石油開采設(shè)備的性能起著重要作用。

K型井架即前開口井架，前扇敞開，截面為Ⅱ形空間桁架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)分片或分塊焊成若干段，背部是桁架桿系。各段及各構(gòu)件間用銷子或螺栓連接，下段后方設(shè)人字架或撐桿，用于起放井架，并保持井架的前后穩(wěn)定性，可低位安裝，整體起升，具有整體剛性好的優(yōu)點，由于K型井架有如此多的優(yōu)點，所以K型井架在石油開采過程中起著重要的作用，應(yīng)用非常廣泛。

而K型井架在實際設(shè)計和使用過程中，經(jīng)常會遇到由于材料的強度不夠或者安全系數(shù)取的不合適，而使井架主體發(fā)生斷裂的危險，因此必須結(jié)合實際使用情況對K型井架進行結(jié)構(gòu)分析，最大限度地避免事故的發(fā)生。

2 建模與誤差分析

2.1 K型井架的建模

K型井架的整個井架主體由3～5個焊接結(jié)構(gòu)部分組成，錐形銷定位和各部分之間采用螺栓連接。在井架的使用和運輸過程中通常采取水平拆裝，整體起落和分段運輸?shù)霓k法搬遷井架，這樣做的好處是方便，安全，可以快速移動。為了確保良好的視野，井架兩側(cè)的桁架結(jié)構(gòu)通常以相同的形式布置，而后部采用特殊的腹板形式布置。

由前面的分析我們知道K型井架的模型是復(fù)雜的，但是在進行有限元分析時，我們只需要簡單的科學(xué)的合理的井架模型，因此我們需要對井架的模型進行簡化，在模型簡化時，需要滿足以下要求：首先是計算精度要符合我們的要求，其次是減少不必要的工作量，使計算時間變短。

因此在對井架進行分析時，我們需要進行下面幾點的假設(shè)：

（1）井架的主體是剛結(jié)構(gòu)，井架各個桿件之間通過焊接連接；

（2）井架的固定的方式是底部固定，在井架模型中忽略二層臺、天車、人字架及工作梯等附屬結(jié)構(gòu)對井架整體剛度的影響,只考慮井架的主體部分。

（3）井架的上下節(jié)視為剛性的固定連接，在設(shè)計分析時不考慮井架的上下節(jié)發(fā)生移動的影響；

（4）假設(shè)井架在安裝時是在理想狀態(tài)；

（5）二層臺等其它零件的質(zhì)量視為集中力分配到相應(yīng)的節(jié)點位置。

考慮上述因素，最后決定在SolidWorks2015中進行建模，然后將模型直接導(dǎo)入到Ansys中進行分析，在建模時，選擇1∶1的比例建模，這樣做的好處是直觀，在井架建模時，大量使用了工字鋼和角鋼。

2.2 前處理

將模型導(dǎo)入Ansys Workbench中的Static Structural模塊中，然后決定井架使用什么類型的材料，由于在工廠中經(jīng)常使用的是Q345，因此在Engineering data欄定義構(gòu)件材料屬性（所有構(gòu)件），設(shè)置彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。

網(wǎng)格劃分是有限元分析中非常關(guān)鍵的一步。當(dāng)有限元網(wǎng)格太密集時，該解決方案耗時、費力并且可能導(dǎo)致結(jié)果不收斂;如果網(wǎng)格太稀疏，結(jié)果可能不準(zhǔn)確，因此在網(wǎng)格化時，要仔細(xì)斟酌，網(wǎng)格化時，首先需要減少模型中的不規(guī)則形狀，因為這些形狀可能會導(dǎo)致網(wǎng)格形狀的不規(guī)則，因此我們在構(gòu)建模型時需要簡化模型。

綜合考慮在實際操作中要選擇合適的單元類型與網(wǎng)格尺寸，以使得單元形狀規(guī)范，數(shù)量適中，個別網(wǎng)格劃分困難的構(gòu)件單獨定義劃分規(guī)則。取部分重要桿件劃分單元長度為主要桿長度的1/300。

2.3 約束及加載

對鉆機進行靜力學(xué)分析時，建立科學(xué)合理的有限元模型后，約束和加載條件應(yīng)合理，從而控制計算精度和運行速度。

2.3.1 K型井架施加的載荷

井架在運移、安裝、起升及鉆井操作過程中承受多種載荷作用，承受的載荷在一定程度上具有不確定性，合理確定和計算井架所承受的載荷，對于精確地進行結(jié)構(gòu)分析是十分重要的。井架所承受的載荷大致可以分為如下幾種：恒定載荷、工作載荷、自然載荷等。

恒定載荷是指質(zhì)量不會輕易改變的值，其中包括井架的自重以及安裝在井架上的各種設(shè)備和工具的自重，比如二層臺、天車臺、工作梯等。

工作載荷是指井架在工作過程中所承受的載荷，包括大鉤靜載荷、工作繩作用力、最大套管柱重力、立根和立根盒載荷等。

井架所承受的自然載荷包括風(fēng)載荷、冰雪載荷、溫度載荷和地震載荷等。設(shè)備結(jié)構(gòu)上堆積的冰雪能及時清除，所以可以不必考慮冰雪載荷；地震載荷由于不可控性，因此也可以忽略。自然載荷對鉆機井架的施加具有一定的隨機性，而且受鉆機的使用地區(qū)及鉆井地區(qū)環(huán)境的影響較大。

因此我們在對K型井架進行分析時主要考慮的載荷有:井架的自重、掛鉤載荷、二層臺等構(gòu)件的自重。井架的自重可以按照Workbench提供的方式自動地施加在井架上，而天車和游動系統(tǒng)、頂驅(qū)以及頂驅(qū)導(dǎo)軌重量以集中力平均施加到井架最上一層的所有節(jié)點上；最大鉤載、大鉤靜載荷(鉆柱重量)、工作繩作用力是作用在天車臺上，因此它們的重量以集中力的方式施加到井架的天車臺上。

2.3.2 K型井架的約束

在對井架進行約束時，主要從以下幾個方面考慮：①井架通過銷軸連接到底座，并且井架可以圍繞銷軸旋轉(zhuǎn)，其中約束僅允許井架圍繞銷軸旋轉(zhuǎn)，從而限制其余部件的平移和旋轉(zhuǎn);②通過液壓缸將井架提起以完成提升操作，然后通過銷軸和人字形框架固定，這相當(dāng)于固定約束。因此，兩者的約束限制了3個方向的平移和旋轉(zhuǎn)。

2.4 靜力特性分析

為了對比出在不同條件下井架的受力及變形情況，本文主要考慮了在3種不同工況下井架的工作情況，通過對比找出井架的薄弱部位，及分析井架的安全系數(shù)，為井架的設(shè)計、使用提供指導(dǎo)。

2.4.1 工況一

當(dāng)最大鉤載為800kN時，我們通過Workbench進行分析可以看到：井架的最大變形在井架的頂端，最大變形為10mm，井架的最大應(yīng)力、應(yīng)變均在二層臺的附近，最大應(yīng)力為70MPa，最大應(yīng)變?yōu)?20×10-6。

2.4.2 工況二

當(dāng)最大鉤載為1100kN時，我們通過Workbench進行分析可以看到：井架的最大變形在井架的頂端，最大變形為14.8mm，井架的最大應(yīng)力、應(yīng)變均在二層臺的附近，最大應(yīng)力為90MPa，最大應(yīng)變?yōu)?50×10-6。

2.4.3 工況三

當(dāng)最大鉤載為2250kN時，我們通過Workbench進行分析可以看到：井架的最大變形在井架的頂端，最大變形為30.3mm，井架的最大應(yīng)力、應(yīng)變均在二層臺的附近，最大應(yīng)力為180MPa，最大應(yīng)變?yōu)?50×10-6。

2.4.4 對比分析

表1 不同工況下的分析結(jié)果

通過表1我們可以看到,當(dāng)最大鉤載增加時，最大變形和最大應(yīng)力也在不斷增加，但是通過按照式（1）、（2）的校核，我們發(fā)現(xiàn)，該井架可以滿足最大鉤載為2250kN時的工作要求。

依據(jù)SY 6326-2012《石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范》，井架強度應(yīng)滿足公式（1）和公式（2）的要求：

式中：fa——井架承受設(shè)計最大鉤載時,測試桿件的軸心拉壓應(yīng)力,MPa；

Fa——只有軸心拉壓應(yīng)力存在時,允許采用的軸心拉壓應(yīng)力,MPa；

fb——井架承受設(shè)計最大鉤載時,測試桿件的壓縮彎曲應(yīng)力,MPa；

Fb——只有彎矩存在時允許采用的彎曲應(yīng)力,MPa；

F′e——除以安全系數(shù)后的歐拉應(yīng)力,MPa；

Cm——系數(shù),對于端部受約束的構(gòu)件，Cm=0.85。

3 實驗設(shè)計與案例分析

本文針對石油鉆井公司目前正在使用的K型井架進行應(yīng)力、應(yīng)變測量，目的是為了檢測仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確和預(yù)測K型井架的最大鉤載。本次實驗主要步驟是在井架的二層臺和多個部位貼應(yīng)變片，其中每一層分別貼16個應(yīng)變片，然后將實驗測得的數(shù)據(jù)通過無線傳輸技術(shù)傳給上位機，通過上位機對測得的數(shù)據(jù)進行分析。

本次實驗主要進行了最大鉤載為80t、110t、225t的實驗。實驗測得的數(shù)據(jù)如表2所示。

通過對測得的數(shù)據(jù)進行分析我們可以看出，最大的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生在二層臺附近，雖然仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)有一點差距，但是在誤差范圍之內(nèi)。

表2 實驗測得的數(shù)據(jù)

假設(shè)該井架的最大鉤載為3500kN,對測試數(shù)據(jù)進行線性外推，得到井架各測試桿件在設(shè)計最大鉤載時的應(yīng)力值，并將每個測點的應(yīng)力值加上井架的自重后進行強度校核，發(fā)現(xiàn)第一層的計算應(yīng)力最大。表3為測點處的應(yīng)力值。

表3 測點處的應(yīng)力值

通過以上數(shù)據(jù)可得：

因此該井架不能滿足最大鉤載為3500kN的設(shè)計要求。

通過對計算數(shù)據(jù)進行分析，我們可以計算出井架的實際最大鉤載：

因此該井架的最大鉤載為3017kN。

4 結(jié)論

通過建立井架三維模型，對井架在不同工況時進行了靜力分析，得到了井架位移及應(yīng)力的相關(guān)數(shù)據(jù)，最后與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，根據(jù)分析結(jié)果可得以下結(jié)論：（1）當(dāng)在井架頂端施加載荷時，井架會向開口方向傾斜，且鉤載值越大，傾斜值會越大；（2）在二層臺附近的應(yīng)力、應(yīng)變值最大，因此我們在設(shè)計和使用井架時要充分考慮二層臺附近對井架整體安全性的影響。