车载式不压井修井机井架应力及动力特性分析

金嘉琦，朱思颢

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870） ①

车载式不压井修井机井架应力及动力特性分析

金嘉琦，朱思颢

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳110870）①

以车载式不压井修井作业设备中的井架及伸出支架为研究对象，分别采用有限元分析软件的静力分析、模态分析研究了二者的受力特点，获得了井架的模态振动规律。分析结果标明，该井架具有较好的抗载荷能力，但应避免井架的低频振动。

不压井作业；井架；应力；振动；有限元法

车载式不压井修井作业设备是将修井机、起吊系统、液压系统及控制系统等集成于1台车上，整体操作、整体运输，可以提高修井作业效率以及安全性和移运性，具有很高的经济效益。井架是用来支撑井口防喷系统、强制起下系统等装置的重要承载部件，为了使井架应力分布均匀，保证井架在工作过程中安全可靠，需要对井架系统在运输与工作状态进行受力分析以及强度校核。本文应用有限元分析软件［1－2］，以车载式不压井修井作业设备中修井井架及伸出支架为研究对象，通过建立有限元模型，分析井架在工作载荷下的受力情况，同时针对各种振动载荷对井架的影响，对井架进行模态分析，从而给出井架较为全面的结构安全状况的评价［3－5］。

1 井架及伸出支架的结构特点

车载式不压井修井作业设备中的井架系统主要由井架、防喷器、过渡管、强制起下及井架固定支撑系统组成。矩形井架是由多种型钢焊接成的空间框架结构，其外型尺寸：（长×宽×高）2 000mm× 1 500mm×4 215mm，宽度尺寸不含附腿长度，高度尺寸不含栏杆高度。伸出支架是井架与车体连接的重要部件，支架一端与井架采用铰连接，另一端与车体刚性连接。

由于受整体系统结构限制，井架在运输过程中呈平卧状态，由车体及伸出支架支撑，后面有一部分悬伸，如图1。修井作业时，在吊车的帮助下，井架由平卧到直立，同时由井架平移系统中的液压缸将伸出支架回缩至工作位置，如图2。井架底端由支撑座和4个可调支撑脚支撑，保证井架在工作状态的稳定性。

图1 井架平卧状态

图2 井架直立状态

2 有限元模型

井架及伸出支架整体有限元模型如图3～4所示。由于车载式不压井修井作业设备中的井架与车体采用的是铰连接，故在井架与车体连接处施加约束；井架底端由支撑座和4个可调支撑脚支撑，应在井架底部2个横梁的端部施加约束。在提升井管时井架承受载荷为：最大提升载荷400kN，井架总成自重力50kN。由于伸出支架与车体是刚性连接，故在连接端施加约束，另一端承受井架总成自重力50kN。

井架及伸出支架的构件采用Q345B钢材，材料的弹性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比μ＝0.3，密度为ρ＝7 850kg／m3，屈服极限σs＝345MPa。

图3 井架有限元模型

图4 伸出支架有限元模型

3 应力及变形计算

井架在提升管柱时最大提升载荷是400kN，加上井架总成自重力50kN，井架竖直方向上的力已达到450kN，这时最大应力出现在2根槽型钢与井架接触的部位，最大应力为207MPa，如图5所示。最大变形出现在井架底部支撑提升载荷的2根槽型钢上，最大变形为1.506mm，如图6所示。伸出支架一端承受的载荷为50kN，最大应力出现在支架中间的变截面处，最大应力为329MPa，如图7所示［6－9］。最大位移出现在支架与井架连接的一端，最大位移为2.285mm，如图8所示。

图5 井架应力云图

图6 井架位移云图

图7 伸出支架应力云图

图8 伸出支架位移云图

4 动力特性分析

影响井架动力特性的载荷有4种。

1） 由起下修井作业中的动力载荷及工作过程中的冲击载荷引起结构系统的振动。

2） 由大风、阵风所产生的晃动。

3） 由地震引起的垂直于地面的振动。

4） 由起下作业时油管重力变化以及井内压力变化引起的振动。

本文仅分析第1种载荷。采用前文建立的有限元计算模型，在井架底部2个横梁的端部施加约束条件，然后采用BlockLanczos方法计算出了井架的前6阶固有频率（如表1所示）。井架的前6阶模态振型如图9所示。

表1 井架前6阶固有频率

图9 井架前6阶振型

前6阶振型对井架的影响：

1） 第1阶振型（f＝35.73Hz）主要表现为井架沿x轴方向做前后大幅度的一阶摇摆振动，无明显的其他振动。

2） 第2阶振型（f＝39.85Hz）主要表现为井架沿z轴方向做前后大幅度的一阶摇摆振动，无明显的其他振动。

3） 第3阶振型（f＝70.77Hz）主要表现为井架绕y轴做二阶的扭转振动，无明显其他振动。

4） 第4阶振型（f＝110.99Hz）主要表现为对称的2根立柱向中间方向的二阶挤压振动，无明显其他振动。

5） 第5阶振型（f＝115.66Hz）主要表现为井架中间部位沿z轴做前后的二阶扭摆振动，无明显其他振动。

6） 第6阶（f＝116.177Hz）主要表现为井架沿y方向做上下的二阶拉伸振动，无明显其他振动。

5 结论

1） 井架在提升管柱时所受最大应力为207 MPa，材料的屈服极限为345MPa，根据API井架设计标准，井架的安全系数为1.6，许用应力为210 MPa，最大应力小于许用应力。由于井架底端横梁有支撑座支撑，分担提升管柱时的压力，故实际最大应力达不到207MPa，满足对井架的设计要求。

2） 伸出支架所受最大应力为329MPa，但必须考虑到车辆运行中井架对伸出支架产生的冲击载荷，故需要进一步加强伸出支架的强度，并需要保证伸出支架不能有大幅度的变形，若能进一步缩短伸出支架的长度，其稳定性、可靠性更佳。

3） 井架在自由状态下的固有频率与工作频率相差较大，井架结构不会发生共振现象。从井架各阶振型分析中看出，井架整体的刚度和质量分布较为均衡，无明显的薄弱部位。

4） 综合评定，该作业车的井架整体结构设计是合理的，满足使用要求。

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Analysis of Strength and Dynamic Characteristics for Truck－Mounted Snubbing Workover Derrick

JIN Jia－qi，ZHU Si－hao
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang110870，China）

Taking the derrick and outrigger of the truck－mounted snubbing workover equipment as the study objects，the mechanical characteristics were studied with static analysis and modal analysis of the finite element analysis software.And the vibration law of derrick was obtained by means of modal analysis.The research results show that，this derrick has the good load ability.However，the low－frequency vibration of the derrick should be avoided.

snubbing service；drilling derrick；stress；vibration；finite element method

1001－3482（2012）04－0061－04

TE935

A

2011－10－28

金嘉琦（1955－），男，辽宁黑山人，教授，博士，主要从事精密测量理论与技术研究，E－mail：jjq612＠126.com。