450T海洋井架模态分析与钻井工艺建议.pdf

◀海洋石油装备▶ ４５０Ｔ 海洋井架模态分析与钻井工艺建议 吴文秀１ 邓坤法１ 许富艳２ 华 剑１ 付晓庆１ （１􀆱 长江大学机械工程学院 ２􀆱 上海城市管理职业技术学院） 摘要 井架的固有频率与外部设备振动频率及风载荷等频率接近或吻合时， 井架将发生共振。 在模态分析理论介绍的基础上， 采用有限元软件对 ４５０Ｔ 海洋井架进行了动态特性分析， 研究了其 振动特性。 建模时依据井架杆件采用的材料结构定义了 １７ 种截面属性， 网格划分选取 ２ 节点 １８８ 梁单元。 分析结果表明， 与不考虑预应力相比， 在考虑预应力效果时， 井架的前 １０ 阶频率均有下 降， 但下降幅度不大， 说明预应力效应对井架的振动特性影响较小； 井架前 ４ 阶模态频率对应的 转速在转盘和绞车的正常转速范围内， 但第 １、 ２ 阶模态频率对应的转盘和绞车转速在 １００ ｒ／ ｍｉｎ 以下， 且 ２ 阶模态频率接近。 关键词 海洋井架； 模态分析， 预应力； 共振特性； 模态频率； 风载荷； 有限元 中图分类号 ＴＥ９５１ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ １０􀆱 １６０８２／ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－４５７８􀆱 ２０１５􀆱 １２􀆱 ０１４ Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ４５０Ｔ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｄｅｒｒｉｃｋ ａｎｄ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｗｕ Ｗｅｎｘｉｕ１ Ｄｅｎｇ Ｋｕｎｆａ１ Ｘｕ Ｆｕｙａｎ２ Ｈｕａ Ｊｉａｎ１ Ｆｕ Ｘｉａｏｑｉｎｇ１ （１􀆱 Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ； ２􀆱 Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｄｅｒｒｉｃｋ ｗｉｌｌ ｒｅｓｏｎａｔｅ ｗｈｅｎ ｉｔｓ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｌｏｓｅｓ ｔｏ ｏｒ ｃｏｉｎｃｉｄｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎ⁃ ｃｉｅｓ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｌｏａｄ􀆱 Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ􀆱 Ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ４５０Ｔ ｏｆｆ⁃ ｓｈｏｒｅ ｄｅｒｒｉｃｋ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｉｔｓ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ􀆱 １７ ｃｒｏｓｓ⁃ｓｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｆｉｎｅｄ ｉｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄｅｒｒｉｃｋ ｒｏｄ􀆱 ２⁃ｎｏｄｅ ａｎｄ １８８ ｂｅａｍ ｅｌｅ⁃ ｍｅｎｔｓ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｍｅｓｈｉｎｇ􀆱 Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ， ｔｈｅ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｗｉｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ １０ ｏｒｄｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｄｅｒｒｉｃｋ ｗｉｔｈ ｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ａ ｓｍａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｅｒ⁃ ｒｉｃｋ􀆱 Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ４ ｏｒｄｅｒ ｍｏｄａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｔａｂｌｅ ａｎｄ ｗｉｎｃｈ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ􀆱 Ｂｕｔ ｔｈｅ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔａｒｙ ｔａｂｌｅ ａｎｄ ｗｉｎｃｈ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｍｏｄａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｃｌｏｓｅ ｍｏｄａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｌｕｅｓ， ａｒｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １００ ｒ／ ｍｉｎ􀆱 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｄｅｒｒｉｃｋ； ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ； ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ； ｍｏｄａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ； ｗｉｎｄ ｌｏａｄ； ｆｉｎｔｅ⁃ｅｌｅｍｅｎｔ ０ 引 言 井架的主要作用是安放天车、 悬挂游车及大钩 等机 具， 承 载 起 下 及 存 放 钻 杆、 油 管 和 抽 油 杆［１－２］。 海洋钻机井架在工作过程中受到大钩载 荷、 风载和突加载荷等的作用， 这些载荷大多为动 载荷， 在这些动载荷作用下， 井架可能产生明显的 横向、 纵向和扭转振动［３］。 若井架的固有频率与 外部设备振动频率及风动载荷等频率接近或吻合 时， 井架将发生共振［４－５］， 不利于正常工作， 影响 使用寿命， 同时会对工作人员的安全造成威胁。 某 ４５０Ｔ 海洋井架依据静力学设计方法建造， 静强度 满足要求， 但井架在海洋恶劣环境下工作， 维修保 养困难， 对其动态特性要求较高。 为此， 笔者利用有限元法对该井架进行了动态 特性分析， 研究了其振动特性， 以期为其现场使用 提供参考。 ４６ 石 油 机 械 ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ２０１５ 年 第 ４３ 卷 第 １２ 期 １ 模态分析理论 振动理论分析是为了得到结构的固有频率与振 型等模态参数， 它以模态分析为基础， 其系统运动 微分方程为 ［Ｍ］{ｘ （ｔ）}＋ ［Ｃ］{ｘ （ｔ） } ＋ ［Ｋ］｛ｘ（ｔ）｝ ＝ ｛ｆ（ｔ）｝（１） 式中， ［Ｃ］ 为系统阻尼矩阵； ［Ｍ］ 为系统质量矩 阵； ［Ｋ］ 为系统刚度矩阵； ｛ｘ（ｔ）｝ 为位移响应向 量； ｛ｆ（ｔ）｝ 为激励力向量。 引入模态系坐标 ｛ｘ（ω）｝ ＝ ΦＱ（２） 可以得到 － ω ２［Ｉ］ ＋ ｊω［２ξ ｉωｉ］ ＋ ［ωｉ］ ２ Ｑ ＝ ΦＴ｛Ｆ（ω）｝ （３） 式中， ｛Ｆ（ω）｝ 为激励力 ｛ｆ（ｔ）｝ 的傅里叶变换； ｛ｘ（ω）｝ 是 ｛ｘ（ｔ）｝ 的傅里叶变换； Φ 为模态矩 阵； Ｑ 为模态坐标。 分析上式可知， 如想得到系统所有特性， 需要 系统 ｎ 个模态阻尼比 ξｉ， 归一化振型 Φｉ及模态固 有频率 ωｉ。 ２ 井架模型建立 ４５０Ｔ 海洋井架是为某海域最新设计的钻机井 架， 高度为 ４６ ｍ， 最大钩载 ４ ５００ ｋＮ。 各杆件材 料均采用 Ｑ３４５Ｄ 钢， 材料密度为 ７ ８５０ ｋｇ／ ｍ３， 弹 性模量 ２１０ ＧＰａ。 在有限元软件中采用直接法建 模。 建立的井架线性模型及网格划分如图 １ 所示。 建模时先创立关键点， 连接点成线， 以直线代替井 图 １ 井架线性模型与网格划分 Ｆｉｇ􀆱 １ Ｌｉｎｅａｒ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍｅｓｈｉｎｇ ｏｆ ｄｅｒｒｉｃｋ 架的实际结构， 再定义线的截面属性， 横向以截面 大小， 纵向上计算机自由划分网格。 依据井架杆件 采用的材料结构， 共定义 １７ 种截面属性， 网格划 分选取 ２ 节点 １８８ 梁单元， 整个井架结构划分 ４ ００９个节点， ４ １７３ 个单元， 包含 ４ 个约束支点， 其余为刚性节点。 井架建模时做以下假设 ①各杆 间焊接可靠， 为刚性连接； ②二层台和天车等附件 对井架整体刚度影响不大， 建模时省掉； ③井架 上、 下体工作时连接可靠， 不发生相互窜动现象。 ３ 固有模态和预应力模态分析 ３􀆱 １ 固有模态分析 考虑到井架为大型结构， 其振动基本属于低频 振动， 故分析频率范围取 ０～２０ Ｈｚ。 在完成网格划 分的井架模型上施加边界条件和载荷， 定义分析类 型， 设置求解频率并求解， 求解完成后提取前 １０ 阶模态进行分析。 图 ２ 为井架前 ４ 阶模态振型， 表 １ 列出了井架前 １０ 阶频率及对应的振型。 从表 １ 可以看出， 井架的主要振动形式为左、 右方向的弯曲振动和扭转振动， 前 ４ 阶为单一的弯 曲或扭转， ５ 阶、 ６ 阶和 ８ 阶是扭转与弯曲的复合 振动， 其余 ３ 阶为开口支腿的拍振。 未发现井架 前、 后方向的弯曲振动， 说明井架前、 后方向的刚 度大于左、 右方向的刚度。 从频率数据可以看出， 在井架前 １０ 阶频率中， 最低振动频率为 １􀆱 ５９ Ｈｚ， 最高为 １１􀆱 ８９ Ｈｚ， 符合 大型结构件的低频振动特点。 ３􀆱 ２ 预应力模态分析 为了解井架在承受载荷的情况下， 其动态特性 有何变化， 进一步对井架进行了预应力模态分析， 分析时将最大钩载、 重力及二层台重力施加到井架 上。 需要注意的是， 在对井架进行预应力分析时， 应先对井架进行静力学分析并打开软件中的预应力 开关。 井架前 ４ 阶预应力模态振型如图 ３ 所示。 井架 各阶频率及对应转速见表 ２。 通过观察井架各阶振 型并与无预应力振型对比发现， 预应力状态下井架 的前 １０ 阶振型与不考虑预应力的情况基本相同， 但频率稍有下降， 下降幅度最大为第 １ 阶频率， 下 降了 ６􀆱 ２９％。 表 ３ 列出了使用该井架的钻机主要旋转设备的 转速及对应工频。 表中绞车滚筒转速和转盘速度均 匀最高转速。 对比表 ２ 数据可知， 该海洋井架前 ４ 阶模态频率对应转速在转盘和绞车的正常转速范围 ５６２０１５ 年 第 ４３ 卷 第 １２ 期吴文秀等 ４５０Ｔ 海洋井架模态分析与钻井工艺建议 内， 但第 １ 阶和第 ２ 阶模态频率对应的转盘及绞车 转速在１００ ｒ／ ｍｉｎ 以下， 且２ 阶模态频率较为接近； 井架的后 ６ 阶模态频率与转盘和滚筒的工频均不吻 合， 仅处在绞车电机和转盘电机的工频之间。 在转 速 １００ ～ ２００ ｒ／ ｍｉｎ 之间， 未发现对应的井架模态 频率。 图 ２ 井架前 ４ 阶模态振型 Ｆｉｇ􀆱 ２ Ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ４ ｏｒｄｅｒ ｍｏｄａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｄｅｒｒｉｃｋ 图 ３ 井架前 ４ 阶预应力模态振型 Ｆｉｇ􀆱 ３ Ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ４ ｏｒｄｅｒ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｍｏｄａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｒｒｉｃｋ ６６ 石 油 机 械２０１５ 年 第 ４３ 卷 第 １２ 期 表 １ 井架前 １０ 阶频率及振型说明 Ｔａｂｌｅ １ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ １０ ｏｒｄｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｒｒｉｃｋ 阶数 频率／ Ｈｚ振型说明阶数频率／ Ｈｚ振型说明 １１􀆱 ５９井架中上部扭转振动６８􀆱 ３２下部左、 右弯曲， 上部扭转 ２１􀆱 ６１井架中上部左、 右横向振动７９􀆱 ０７基段下部前支腿拍振 ３３􀆱 ４９整体扭转振动８１０􀆱 ４３基段下部前支腿左、 右摆动， 上部扭转 ４４􀆱 ４３中下部 （基段） 左、 右弯曲９１０􀆱 ４６开口前支腿拍振 ５７􀆱 ８２中部左、 右弯曲， 基段前支腿左、 右摆动１０１１􀆱 ８９开口前支腿二阶拍振 表 ２ 井架预应力条件下各阶频率及对应转速 Ｔａｂｌｅ ２ Ｅａｃｈ ｏｒｄｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｒｏｔａｒｙ ｓｐｅｅｄ ｕｎｄｅｒ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 阶 数１２３４５６７８９１０ 频率／ Ｈｚ１􀆱 ４９１􀆱 ５１３􀆱 ４３４􀆱 ３４７􀆱 ６９８􀆱 １０８􀆱 ８１１０􀆱 １６１０􀆱 ３２１１􀆱 ６２ 与无预应力的频率差／ Ｈｚ－０􀆱 １０－０􀆱 １０－０􀆱 ０６－０􀆱 ０９－０􀆱 １３－０􀆱 ２２－０􀆱 ２６－０􀆱 ２７－０􀆱 １４－０􀆱 ２７ 频率差百分比／ ％－６􀆱 ２９－６􀆱 ２１－１􀆱 ７２－２􀆱 ０３－１􀆱 ６６－２􀆱 ６４－２􀆱 ８７－２􀆱 ５９－１􀆱 ３４－２􀆱 ２７ 对应转速／ （ｒｍｉｎ －１ ）８９􀆱 ４９０􀆱 ６２０５􀆱 ８２６０􀆱 ４４６１􀆱 ４４８６􀆱 ０５２８􀆱 ６６０９􀆱 ６６１９􀆱 ２６９７􀆱 ２ 表 ３ 钻机旋转设备额定转速及工频 Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｈｅ ｒａｔｅｄ ｒｏｔａｒｙ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 设 备 绞车滚筒绞车电机转盘电机转盘 转速／ （ｒｍｉｎ －１ ）３９３７４１６６１３００ 最高工频／ Ｈｚ ６􀆱 ５５１２􀆱 ３５１１􀆱 ０１５􀆱 ００ ４ 结论与建议 ４􀆱 １ 结论 （１） 与不考虑预应力效果相比， 在考虑预应 力效果时， 井架的各阶模态频率发生了变化， 前 １０ 阶频率均有下降， 但下降幅度不大， 变化最大 的为前 ２ 阶， 但相对差值不超过 ７％， 说明预应力 效应对井架的振动特性影响较小。 （２） 井架前 ４ 阶模态频率对应的转速在转盘 和绞车的正常转速范围内。 但第 １、 ２ 阶模态频率 对应的转盘和绞车转速在 １００ ｒ／ ｍｉｎ 以下， 且 ２ 阶 模态频率较为接近。 （３） 井架的后 ６ 阶模态频率与转盘和滚筒的 工频均不吻合， 仅处在绞车电机和转盘电机工频之 间。 在转速 １００～２００ ｒ／ ｍｉｎ 之间， 未发现对应的井 架模态频率， 说明井架具有较好的振动特性。 ４􀆱 ２ 建议 使用 ４５０Ｔ 海洋井架的钻机采用交流变频驱动， 转盘转速可在 ０～３００ ｒ／ ｍｉｎ 间无极调速。 因此在钻 进过程中转盘和绞车等旋转设备应避开 ９０􀆱 ０、 ２０５􀆱 ８ 和 ２６０􀆱 ４ ｒ／ ｍｉｎ 这 ３ 个转速。 参 考 文 献 ［１］ 吴卓， 潘娜娜， 刘晓芬， 等 􀆱 ＪＪ１７０／４２－Ｋ 型钻机井 架整体结构稳定性分析 ［Ｊ］ 􀆱 新技术新工艺， ２０１３ （１０） ３３－３５􀆱 ［２］ 王江萍， 翟镇 􀆱 套装井架的制造工艺措施及质量控 制 ［Ｊ］ 􀆱 石油矿场机械， ２００９， ３８ （６） ７８－８０􀆱 ［３］ 郭谊民 􀆱 结构动力修改在车装钻机井架设计中的应 用 ［Ｊ］ 􀆱 石油机械， ２００５， ３３ （２） ２４－２６􀆱 ［４］ 关晓晶， 周国强， 郭奕珊 􀆱 海洋石油钻机井架动力 特性分析 ［Ｊ］ 􀆱 大庆石油学院学报， ２００５， ２９ （３） ５３－５４， ６９􀆱 ［５］ 高学仕， 汪炳贵， 王栋， 等 􀆱 ＨＪＪ４５０ ／４５－Ｔ 型海洋 井架动力特性分析 ［Ｊ］ 􀆱 石油矿场机械， ２００９， ３８ （５） ３８－４１􀆱 第一作者简介 吴文秀， 教授， 生于 １９６５ 年， ２００９ 年毕业于北京科技大学车辆工程专业， 现从事石油机械测 控与结构仿真技术研究工作。 地址（４３４０２３）湖北省荆州 市。 Ｅ⁃ｍａｉｌｗｕｗｅｎｘｉｕ２２＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 收稿日期 ２０１５－０９－２９ （本文编辑 王刚庆） ７６２０１５ 年 第 ４３ 卷 第 １２ 期吴文秀等 ４５０Ｔ 海洋井架模态分析与钻井工艺建议