绷绳对石油钻机井架力学性能的影响分析.pdf

2 0 1 1年第 3 9卷第 8期 石油机械 CHI NA P ET R0L EUM MACHl NERY 一21 一 设计计算 绷 绳对 石油钻 机 井架 力学性 能的影响分 析 赖永 星 陈金 刚 王玉合 郑 ,r l1 大学工程 力学 系 摘要 为了研究绷绳对石油钻机井架力学性 能的影响，采用有限元方法对井架进行离散 ，主 弦杆和斜横撑杆分别采用 2种单元截面形状 的空 间梁单元模拟，绷绳采用具有双线性刚度矩阵特 性的单轴 向受拉或受压杆单元模拟，建立 了井架精细有限元模型。分析结果认为 ，在地震载荷作 用下加 l层绷绳石油钻机井架动位移和动应力比无绷绳井架有大幅度减 小，减小率分别为 2 5 ． 1 ％ 和 1 9 ． 5 ％ ，但衰减缓慢；加 2层绷绳石油钻机井架动位移和动应力 比加 1层绷绳井架减小幅度更 大 ，且衰减迅速。最后指 出，今后在井架设计时应考虑绷绳对井架的力学作用。 关键词 石油钻机 井架 绷绳 有限元 动特性 0 引 言 井架对 保证石油钻机 的正常工作是非常 重要 的，在工作 中不仅承受重载荷 ，而且工况复杂 ，一 旦失效 ，将产 生严重后果 ⋯。因此 ，井架 的动力 性能已越来越引起生产厂家和油 田的关注。随着有 限元法在计算机上进行计算分析技术 的迅速发展 ， 对像石油钻机井架这样的大型复杂工程结构进行精 细分析已成为可能 ，近几年陆续有关于井架研究成 果的文献发表 。这些研究成果从不同角度推动 了井架振动分析方法的发展 ，对石油钻机井架力学 性能的研究作出了贡献。经过综合研究后发现 ，这 些文献对石油钻机井架的力学性能和安全性研究主 要是对井架 本身的模态分析及 各种载荷 的响应分 析 ，如地震载荷 、风载荷 I 4 ，而实际工程为了增 强井架的安全性 ，一般都会在井架周围加上一些绷 绳 ，有关绷绳的研究 目前仅涉及绷绳本身的力学特 性 J ，而关于绷绳 对井架整 体力学性能 的影 响及 安全性的提高却很少有研究。 笔者将采用有限元方法对该结构进行离散 ，主 弦杆和斜横撑杆分别采用 2种单元截 面形状的空间 梁单元模拟 ，绷绳采用具有双线性刚度矩阵特性的 单轴 向受拉或受压杆单元模拟 ，建立井架精细有限 元模型 ，通过对比具有绷绳 的井架在地震载荷和风 载荷作用下 的响应计算结果与无绷绳井架的计算结 果 ，分析绷绳对石油钻机井架力学性能的影响。 1 井架模 型 1 ． 1 计算模型及有限元离散化 以工程石油钻机井架 J J 3 1 5 ／ 4 3一 A形井架为研 究 对 象。该 井 架 高 度 为 4 6 ． 3 9 8 m，有 效 高 度 3 7 ． 3 9 8 m，由4段格构式结构连接而成，主弦杆为 1 6 8 m m8 m m 的无缝钢管 ，斜横撑杆为 5 mm 3 ． 5 m m的无缝钢管 ，材料为 Q 3 4 5焊接结构钢 ， 绷绳直径取 1 8 ． 5 mm，需注意 的是绷绳 的弹性模量 E与 钢 材 的 不 同，绷 绳 的 弹 性 模 量 E 取 1 4 7 G P a 。为研究绷绳对井架力学性能的影响 ，共建 立了无绷绳 、加 1 层绷绳和加 2层绷绳 3种井架计 算模型 ，如图 1 所示 ，并对 6种工况进行计算 。工 况 1 、工况 2和工况 3分别为 3种石油钻机井架计 算模型在地震载荷作用下 的响应 ；工况 4 、工况 5 和工况 6分别为 3种石油钻机井架计算模型在风载 荷作用下的响应 。 在建立井架计算模型时 ，考虑到二层台对大腿 的约束作用较弱 ，可 以忽略 ，主弦杆和斜横撑杆采 用 2种单元截面形状的空间梁单元模拟 ，整个井架 模型共剖分 1 8 8 0个 空间梁单元和 1 5 6 8个节点 ， 基金项 目河 南省 自然科学研究 资助项 目 “ 石油钻机井架安全运行机理及疲 劳寿命 可靠性研究 ” 2 0 1 0 A1 3 0 0 0 1 。 石油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 8期 绷绳采用具有双线性刚度矩阵特性的单轴向受拉或 受压杆单元模拟。 a ． 无绷绳 b． 加1 层 绷绳 图 1石油钻机 井架计算模型 1 ． 2计算载荷 1 ． 2 ． 1 地震栽荷 该场地类另 Ⅱ 为 Ⅱ类场地 ，地震设 防烈度 为 7 度。在地震响应时程分析时，计算模型中输入的地 震波为 E 1 一 C e n t r o波 N S分量。该地震波主要周期为 0 ． 5 5 s ，加速度最大 峰值 3 4 1 ． 7 c m ／ s 。计算 时把 该波最大幅值调到 0 ． 1 g 烈度 7度对应于 0 ． 1 g 。 经过调幅后的 E 1 一 C e n t r o地震波如图 2所示 。 f 呐 ● 葛 ＼ 鹊 麓 时间 f ／ 0 图 2调幅后的 E 1 一 C e n t r o地震波 在计算分析中，沿井架横向即 向输入地震波进行 计算 ，不考虑竖向地震作用。 1 ． 2 ． 2风 栽荷 垂直于建筑物表面上的风载荷标准值应按下式 计算 ，即 W z8 z z s W o 式中W 风载荷标准值 ，k P a ； 卢 。 高度的风振系数 ； 风载荷体型系数； 风压高度变化系数； ‰基本风压 ，k P a ，计算时接 国家建筑 结构载荷规范取值 。 2 计算结果及分析 采用直接积分法分别对工况 1到工况 3的地震 响应进行时程分析。这 3种工况井架在 方向最大 动位移 均产生 在节 点 1 5 5 5上，其 坐标 为 0 ． 0 ， 4 6 ． 1 ，2 ． 5 ，最大动位移、发生时间及该时刻产生 的最大第一主应力及对 比见表 1 ；产生最大动位移 的节点在不同工况下的时程响应曲线如图 3 所示。 表 1 工况 1 、工况 2和工况 3计算 结果及对 比 矗 苴 翅 ．蟹 一 椒 一 g g 渣 趟 庭 极 时 间 t ／ s a ． 工况1 2 0 1 1 年第3 9卷第 8期 赖永星等绷绳对石油钻机井架力学性能的影响分析 一 2 3一 图3 节点 l 5 5 5的 z 向动位移 时间历程 图 对工况 4、工况 5和工况 6在风载荷作用下进 行静力响应计算 ，计算结果如表 2所示。 表 2 工况 4 、工况 5和工况 6计算 结果及对比 由表 1和图 3可知 ，在特殊载荷地震载荷 作用下加 1层绷绳石油钻机井架动位移和动应力 比 无绷绳井架有大幅度减小 ，相对于无绷绳井架的减 小率分别 为 2 5 ． 1 ％和 1 9 ． 5 ％ ，但衰 减较 为缓慢 ； 加 2层绷绳石油钻机井架动位移和动应力相对于无 绷绳 井 架 不 但 有 大 幅 度 减 小 减 小 率 分 别 为 8 2 ． 1 ％ 和 6 4 ． 4 ％ ，且 衰 减更 迅 速 。 由表 2可知 ，在 正常载荷 风载荷作 用下 ， 加 1 层绷绳和加 2层绷绳石油钻机井架动位移和动 应力均 比无绷绳井架有大幅度减小。相对于无绷绳 井架 ，加 1层绷绳井架的动位移和动应力减小率分 别为 4 6 ． 3 ％和 3 8 ． 2 ％ ；相对于无绷 绳井 架 ，加 2 层 绷 绳 井 架 的 动 位 移 和 动 应 力 减 小 率 分 别 为 8 5 ． 4 ％ 和 7 2 ． O ％ 。 由此可见 ，绷绳可 以起到大幅度减小石油钻机 井架动位移和动应力的作用 ，加 2层绷绳比加 l 层 绷绳更能增强石油钻机井架 的力学性能 。 在正常工作情况下绷绳能够增强石油钻机井架 的稳定性 ，从而使井架生产更加安全。在防御非正 常载荷时可以起到防止灾害发生 ，保证石油钻机井 架安全 的作用 。因此 ，今后在石 油钻机 井架设计 时 ，应考虑绷绳对井架 的力学作用 。 综 上所 述 ，可得 如 下结 论 1 在地震载荷 作用下加 1层 绷绳石油钻 机 井架 动位 移 和动 应 力 比无 绷 绳井 架 有 大 幅 度减 小 ， 但衰减较缓慢 ；加 2层绷绳石油钻机井架动位移和 动应 力 比加 1层 绷 绳 井 架 减 小 幅 度 更 大 ，且 衰 减 迅速 ； 2 在风载荷作用下 ，加 1层绷绳 和加 2层 绷绳 石油 钻机 井架 位移 和 应力 均 比无绷 绳井 架有 大 幅度减小 ，且加 2层绷绳 比加 1 层绷绳井架的位移 和应力 减小 幅度大 。 3 绷绳可 以起 到大幅度减小石 油钻机井架 动位移和动应力的作用 ，特别是加 2层绷绳的石油 钻机井架力学性能更好 。 4 在正常工作情 况下 ，绷 绳能够增强 石油 钻机井架 的稳定 性 ，从 而使井架作 业生产更加 安 全 。今后在井架设计 时应考虑绷绳 对井架 的力 学 作 用 参考文献 韩秀清 ，邹红 云 ，马雷 ．地基 土性 质对石油 钻机 井架 动力特 性 的影 响 [ J ]．吉林 工学 院学 报， 2 0 0 3 ，2 1 1 1 5 ． 胡少伟 ，陈淮 ，王伟 ． A形井 架动 态特 性研 究 [ J ]．工业建筑 ，1 9 9 7 ，2 7 9 2 3 2 6 ． 薛继军，许爱荣，赵志丽，等 ．钻机井架有限元模 态分 析 [ J ]．石油矿场机械 ，2 0 0 1 3 0 6 4 4 4 6． 马成 刚 ，赖 永星 ，刘敏 珊 ．载荷 对石 油钻机 井架动 力 特 性 的 影 响 分 析[ J ]．石 油 机 械 ，2 0 0 7 ，3 5 1 2 2 1 2 3 ． 彭 高华 ，杨 敬源 ，贾敏华 ．井架 绷绳 受力分 析及其 合理使 用要 求 [ J ]．石 油矿场 机 械，1 9 9 1 ，2 2 2 2 8 3 4 ． 王勖成 ，邵 敏 ．有 限元 法 基本 原 理 与数 值 方法 [ M]．北京 清华大学 出版社 ，1 9 8 8 4 4 3 4 8 2 ． 第一作者 简介 赖 永 星 ，教授 ，博 士 ，生 于 1 9 6 0年 ， 现从事结构振 动及计算 方法 的研究工作 。地址 4 5 0 0 0 1 河 南省 郑 州市。电话 0 3 7 1 6 6 0 2 6 7 9 1 。Em a i l l a i y x 1 63 ．c o m 。 收稿 日期 2 0 1 01 1 2 4 本文编辑王刚庆 1J 1J]J 1 j 1j 1 J