JJ675／48-K型井架起升过程力学分析

胡晶磊，祁秀芳

（兰州兰石石油装备工程有限公司，兰州 730050）

JJ675／48-K型井架起升过程力学分析

胡晶磊，祁秀芳

（兰州兰石石油装备工程有限公司，兰州 730050）

井架在起升过程中的力学分析比较复杂，很难采用理论计算的方法得到。为了保证井架及其起升系统的安全，以JJ675／48-K型井架为例，采用SAFI 7.1软件建立模型并模拟该井架的起升过程。分析了在不同起升角度时井架和钢丝绳的受力，得到了最大起升力、最大钩载及井架各构件的强度、刚度。为井架的结构设计和现场起升提供依据。

井架；起升力；分析；SAFI

钻机井架在起升过程中的运动比较复杂，钢丝绳的受力、井架最大受力处的位置、最大钩载下各个构件的受力情况难以用理论计算的方式精确得到，必须借助计算机和相关软件来进行求解、仿真和分析［1-2］。通过对井架起升装置结构和起升原理的分析可知，在井架起升时其中主要运动部件为井架主体、起升大绳和由钢丝绳、滑轮组成的游动系统［3］。对于钢丝绳-滑轮系统来说，由于绳索结构和其力学特性相当复杂，基于目前的理论和软件功能的限制，只能采用简化处理的建模方法来模拟真实钢丝绳的特性。JJ675／48-K型井架的结构是前开口式无绷绳“K”形，是为ZJ90／6750D型钻机而设计的。本文采用SAFI 7.1软件研究该井架在起升过程中的最大起升力、最大钩载及其各构件的强度、刚度，对井架的设计和起升具有一定的指导意义。

1 建立实体模型

采用SAFI软件建立分析模型。由于不涉及钻机其他部件的设计，仅以井架的力学分析而建模，因此本文只对重要零部件进行建模，忽略了一些小的结构。由于建模时做了简化处理，会造成模型的质量小于井架的实际质量，所以井架自重力要乘以1个系数，具体如表1。

表1 井架在起升工况下的设计载荷

建模过程中，根据图纸准确建立关键点，然后连接成线，然后对线添加截面及材料，焊接工字钢通常采用Q345B材料，工字钢、角钢及槽钢采用Q235B材料。JJ675／48-K型井架的实体模型如图1。按照有限单元法单元划分的一般原则，凡是多根梁的交叉点、边界点、集中力作用点都应列为节点，而节点之间的梁则作为单元。

图1 JJ675／48-K型井架的实体模型

按这个原则，对整个井架及底座在交叉点打断，形成多个单元及节点。井架与底座用销子连接，即释放z轴的旋转自由度，底座与地面的接触点完全固定。

2 井架起升时的载荷分析

对结构进行精确的力学分析，保证其强度、刚度、稳定性是非常重要的。石油钻机组合载荷设计须符合API 4F4th规范［4］，如表1。许用应力符合AISC 335—1989规范。井架在起升过程中承受的载荷有结构自重力、设备重力、钩载、环境载荷等。关于环境载荷，在此钻机中仅考虑风载，风速按0、45、90、135、180、225、270、315°8个方向分别进行计算。

3 载荷施加与求解

由于井架起升速度很缓慢，一般都将起升过程假设为准静态过程，即井架在每个位置都处于受力平衡状态，从而根据力矩平衡原理采用理论计算的方法得出井架起升拉力的大小，有2个方法，①根据几何学和物理知识推导出快绳拉力与起升角度的数学关系式，从而通过该关系式计算任何起升角度时的快绳拉力大小，并得出连续曲线；②计算几个特殊起升角度下的拉力，采用一定的方法测得各作用力在起升当前位置时的力臂，进而算出力的大小，然后采用曲线拟合的方法得出大致的变化曲线。在SAFI软件中，先估算大概的起升力，为计算方便先加100 k N的起升力，然后在井架与高支架的接触点各设置1个弹簧，进行求解。根据弹簧处点的支反力是否为零而调整初始估算的快绳拉力，起升拉力即为100 k N乘以快绳拉力的调整系数，进而算出起升时的最大钩载。

井架起升时配有高支架，使井架与水平面成4°的夹角。现将图1的模型由垂直状态旋转到起升状态，在井架与高支架的接触点各设置1个弹簧，然后起初假设1个100 k N的起升力，分别加在起升耳板、人字架滑轮及二段起升滑轮处，再由此100 k N的起升力计算出天车滑轮处的钩载及快绳轮上的载荷，然后进行求解。具体的加载情况如图2（不含风载）及图3（含风载）。

图2 井架在起升状态的受力（不含风载）

图3 井架在起升状态的受力（含风载）

4 结果分析

4.1 最大起升拉力及钩载

根据计算得到的起升力系数如表2。

表2 井架初起时不同风载方向的起升力系数

4.2 UC值分析

根据AISC 335—1989中组合应力校核公式，在SAFI软件后处理模块中对每一单元进行校核，并以UC值（limit states summary）加以表示出来。

式中：fa为轴向计算应力；Fa为只有轴向拉力作用时的允许压应力；Fb为只有弯矩作用时的允许压弯应力；fb为在计算点算得的压弯应力；Fex、Fey分别为在x、y方向除以一个安全系数划分的欧拉应力，在数值上两者相等；Cm为系数；E为弹性模量；K为有效长度系数；lb为受弯平面内实际的无支撑长度；rb为相应轴的回转半径；下角标x、y表示坐标。

系数Cm按下以下情况取值：

1） 框架结构中的受压构件有节点侧移时，取Cm＝0.85。

2） 对于加有支撑以限制节点位移且在弯曲平面内的支撑点不承爱横向载荷时，Cm＝（0.6～0.4）（M1／M2）。M1／M2是指受弯平面中的无支撑构件部分在端点的较小弯矩与较大弯矩之比。当构件反向弯曲时，M1／M2为正，反之为负。

3） 对于加有支撑以限制节点位移，在弯曲平面内的支撑点承受横向载荷时，Cm取值分2种情况：端部有旋转约束时，Cm＝0.85；端部无旋转约束时，Cm＝1.0。

由图4看出UC值均小于1。在井架起升工况下，最大UC值为0.99，位于人字架前腿处；井架上的最大UC值为0.95，位于井架起升耳板附近，如图5。

图4 井架在起升过程的UC值

图5 井架在起升过程中UC＞0.9的构件

5 结论

1） 结合物理和几何关系所求得的最大起升力和钩载分别为1 155.0 k N、1 892.2 k N。SAFI软件计算结果分别为1 228.5 k N、2013.0 k N，两者相差不多。前者没有考虑风载，后者考虑了16.5 m／s的风载。

2） 井架在起升时UC值均小于1，结构满足强度、刚度及稳定性要求，可以安全起升。

3） 井架在最大起升拉力下最危险构件处于人字架前后腿、井架一段及起升耳板处。

4） 风载方向对起升拉力的影响不大。

5） 正确计算井架的起升力，分析结构的安全性对结构设计和现场起升具有重要的指导意义。

［1］ 朱玄，吴强，尹雪霏.JJ450／45-K型井架起升过程动态特性分析［J］.石油矿场机械2010，39（12）：41-44.

［2］ 王路林，高学仕，王佐祥.井架起升过程的有限元仿真分析［J］.石油矿场机械，2006，35（2）：20-22.

［3］ 翟东峰.石油钻机井架计算方法研究［D］.北京：中国石油大学，2007.

［4］ API Spec 4F—2013，钻井和修井井架、底座规范［S］.

Mechanical Analysis of Raising JJ675／48-K Drilling Derrick

Mechanical analysis during the process of drilling derrick raising is complex，it is difficult to use theoretical calculation methods.To take JJ675／48-K type drilling derrick as an example，in order to ensure the safety of the drilling derrick and its raising system，SAFI 7.1 software was used to do the modeling and to simulate the drilling derrick raising process.Analyzing wire line force and stress that the drilling derrick has taken when it was at different raising angles，the maximum raising force and hook load，strength and rigidity of every component were obtained.All of these data would be the basis for drilling derrick structure design and on-site raising.

drilling derrick t；raising force；analysis；SAFI

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.023

1001-3482（2014）10-0097-03

2014-07-30

胡晶磊（1982-），女，山西运城人，工程师，主要从事石油钻采机械的技术研究及结构设计，E-mail：hu.jinglei＠lspe.cn。