石油钻机连接耳座CJP坡口焊缝强度分析.pdf

机械 研究与应用 2 0 1 5 年 第4 期 第2 8 卷， 总 第1 3 8 期 研究与分析 石油钻机连接耳座 C J P坡 口焊缝强度分析 黄 山 兰州兰石石 油装备 工程有 限公 司 工艺技 术部 ， 甘 肃 兰州7 3 0 3 1 4 摘要 在石油钻机的设计过程 中， 焊接是最常用的连接方式， 也是钻机中易破坏的部位， 因此焊缝的强度计算越来 越受到工程师们的重视。选取国内生产的9 0 0 0 m石油钻机底座后腿跟底座顶层连接处的耳座作为研究对象， 利用 A N S Y S Wo r k b e n c h软件对耳座及焊缝单独做实体建模。划分完网格后首先计算了耳板连接处的焊缝在静态载荷作用 下的强度。然后设定焊接材料的 5 一 Ⅳ曲线， 计算分析焊缝的疲劳强度。 关键词 石油钻机焊接； S N曲线； 耳板有限元 中图分类号 T E 9 2 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 5 0 4 0 0 4 3 0 3 S t r e n g t h An a l y s i s o n Gr o o v eⅥ l d o f t h e CJ P Co n n e c t i n g Ea r B a s e i n Oi l Ri g HUANG S h a n T h e p r o c e s s i n g T e c h n o l o g y D e p a r t m e n t o fL a n z h o u L S P e t r o le u m E q u ip m e n t E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 3 1 4， C h i n a A b s t r a c t I n t h e d e s i g n i n g p r o c e s s o f o i l r 培， w e l d i n g i s c o mm o n l y u s e d ， y e t t h e s i t e o f w e l d i n g i s e a s i l y t o b e d a ma g e d， S O t h e s t r e n g t h o f we l d i n g h a s b e c o me mo r e a n d mo r e i mp o a n t ．T h i s p a p e r s e l e c t s t h e c o n n e c t i n g e a r b ase b e t we e n t h e b a s e l e g s a n d t h e t o p o f o i l r i g o f 9 0 0 0 me t e r s w h i c h p r o d u c t e d b y d o me s t i c c o m p a n y a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ， a n d m a k e s t h e s o l i d m o d e l i n g t o t h e e a r b a s e a n d g r o o v e w e l d t h r o u g h u s i n g t h e AN S YS Wo r k b e n c h s o f t w are ．Af t e r t h e me s h g e n e r a t i o n，s t r e n gth o f t h e gro o v e w e l d a t t h e j o i n t o f e a r p l a t e i s c a l c u l a t e d ．T h e n ， u s i n g t h e S - N c u r v e o f t h e w e l d i n g m a t e ri a l ， t h e f a t i g u e s t r e n gth o f t h e w e l d i s c a l c u l a t e d． Ke y wo r d s o i l r i g ； w e l d i n g ； S 一 Ⅳ c u r v e ； o t i c p l a c o d e； f i n i t e e l e me n t O 引 言 焊缝连接不仅强度高， 而且稳定性好 ， 是石油钻 机设计节点处最常用的连接方式。钻机在工作过程 中不仅时刻承受着风载等其它外部载荷 的作用 ， 而且 还承受着转盘或顶驱在工作时振动力的作用 ， 因此钻 机各连接处的焊缝不仅承受静态载荷的作用 ， 还要承 受着不断变化 的动态载荷的作用。据统计钻机在现 场使用过程中焊缝连接处是最易破 坏的位置 。在焊 缝连接处出现破坏的原因不 只是 由于焊缝强度 ⋯不 够造成的 ， 还 因为焊缝处 的疲劳损伤导致了其破坏 。 石油钻机在设计 过程 中焊缝强度 的计算主要依 据 A WS D 1 ． 1 一 D 1 ． 1 M一 2 0 1 0钢结构 焊接 规范和 A I S C 3 3 5 8 9结构钢建筑规范 一 许用应力设计 和塑 性设计 规定的计算公式设计计算焊缝强度。并且 通常用有限元 分析软件 A N S Y S对焊缝做强度校核 ， 计算焊缝处能否满足强度要求。而通常钻机在工作 过程 中焊缝连接处不仅仅承受静态载荷的作用 ， 还承 受着不断变化的动态载荷 j ， 因此在计 算过程 中应 当考虑焊 缝在 动载作 用下 的强 度和焊 缝 的疲劳 寿 命 。 选取国内生产 的 9 0 0 0 m石油钻机的底座后腿 跟底座顶层连接处 的耳座作为研究对象 。充分考虑 钻机在工作过程 中的载荷变化 ， 按照 A P I S p e c 4 F } 第四版表 1 一 钻井结构设计载荷 中规定 的组合工况 ， 利用有限元分析软件 S A F 计算了钻机的两种作业工 况 、 可预见工况、 不可预见工况、 起升工况等 ， 提取 了 焊缝在这些工况下 的最大载荷 ， 充分考虑载荷的变化 情况 ， 对该焊缝处做了静态分析和疲劳寿命分析。 1 有 限元模型 的建 立 研究对象是 由左右两块耳板和一块底板组成 的 耳座 ， 耳板厚度是 2 6 m l T I ， 两耳板之间通过 1 0 mm厚 的圆管连接到一起 ， 耳板外侧各焊接一块 1 4 m m厚 的圆板 ， 用 以增 强耳板 圆孑 L 处 的强 度 ， 底 板是 一块 3 3 0 m mx 3 0 0 m m的方板 ， 方板 的厚度是 3 0 m m， 耳板 跟底板之间利用等强度 的焊材焊接 。焊缝 的形状是 耳板开 2 m lT l 厚钝边的 J 型坡 口焊缝加左右两侧分别 为 1 4 m m和 1 2 mm的等边角焊缝 ， 焊缝形状如图 1 。 采用有 限元 法 ， 利用 A N S Y S Wo r k b e n c h软件 自 带的画图模块 D e s i g n M o d e l e r 实体建模。由于焊缝连 接处采用等强度焊材 的全熔透坡 口焊缝加角焊缝 的 形式 ， 因此在建立实体模 型时为 了提高网格质量 ， 把 焊缝跟耳 板单 独 建模 ， 整 个耳 座 和 焊缝 组 成 一个 P a r t 。单元划分 时以六 面体 为主四面体为辅 的划分 方式 ， 共计划分了 1 1 3 7 7 2 7个节点、 7 1 4 9 2 6个单元 ， 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 1 6 作者简介 黄山 1 9 6 3 一 ， 男 ， 广西横县人 ， 工程师 ， 主要从事石油钻采设备结构件及焊 接技术方面 的工作。 4 3