K型井架相似模型起升过程应力测试分析

张 浩，柳登瀚，张 冉，邵长彬，李建鹏

中国石化胜利油田分公司技术检测中心 （山东 东营 257061）

由于K型井架具有视野宽、能整体起放等优点，近年来获得广泛应用，已达到在用井架的80%以上。但K型井架庞大的身躯也为整体起放带来困难，且K型井架发生的事故中多为起升过程中由于个别杆件受力偏大导致井架出现整体变形，因此，井架安全起放尤其是深井超深井钻机井架的整体安全起放已成为井架制造单位和井架使用单位关注的重点。据了解，近几年，新井架在出厂起升实验中及在用井架在组装起升过程中，已多次出现了摔井架或井架扭曲事故，多家井架制造单位和使用单位已提出了井架起升检测需求，本文通过建立相似模型来分析井架在起升过程中的受力规律，对指导井架设计制造及使用过程中的维护保养具有重要意义。

1 相似理论分析

相似理论是指一个系统中发生的现象的全部物理量与另一个系统中的同类量成比例，且满足几何相似、运动相似、动力相似。在结构模型试验中，要使试验模型与原型结构保持物理相似，须满足几何相似、模型材料与原型材料的应力应变关系相似，以及初始条件和边界条件相似等[1]。同时，对相似模型进行量纲分析，使井架模型和原型在量纲上保持统一。

在井架起升测试中，需要考虑的物理量有：载荷F，N；材料的应力 σ，Pa；材料的弹性模量 E，Pa；材料密度ρ，kg/m3；结构的几何尺寸l，m；井架质量m，kg。井架模型和原型满足的相似条件为：

式中：β表示模型和原型的相似比，设定井架模型与原型结构几何尺寸比βl为l:8，模型与原型材料的弹性模量比βE为1:1，模型与原型的材料密度比βρ为 1:1，即

由公式（1）和（2）可得，载荷 F、材料的应力 σ、井架质量m的相似比为：

2 JJ450/45-K井架的相似模型

2.1 井架原型技术参数

①最大钩载：4 500kN（6×7 轮系）；②有效高度：45.5m；③顶部开裆（正面/侧面）：(2.5/2.2)m；④底部开裆：9m；⑤自重：76 880kg。

2.2 井架模型研制

井架相似模型是根据相似定理进行设计，以保证井架模型与原型之间满足几何相似和物理相似，即位移大小、受力变化、边界条件等保持相似。

根据公式（3），相似理论，井架原型最大钩载为450t，则井架模型的最大钩载约为7t。井架模型如图1所示。井架模型按7t加载测得的应力值与井架原型加载450t时对应的测点的应力值是相等的，即井架模型与井架原型在受力规律上是等效的。但在做起升实验时，其载荷是井架本身的自重，而井架模型和原型的自重成立方关系，即模型自重作为载荷时比原型实物少了一次方，故起升时模型所测得的应力值比原型实物对应的应力值少了一次方，必须加以校正，须乘以（βl-1），即

式中，P模为模型测得应力值，Pa；P模真实为真实应力值，Pa。

3 井架起升过程力学分析

3.1 井架起升工作原理

井架在起升前，上段停靠在支撑架上，利用绞车滚筒转动，通过起升大绳和人字架将井架整体起升到竖直的工作位置。起升井架时，在绞车滚筒的拉动下，快绳依次通过天车导向滑轮、游车滑轮、天车滑轮、井架下段的死绳固定器。同时，起升大绳的一端固定在人字架左后腿的底盘上，另一端分别通过这一侧的人字架导向滑轮和2个井架导向滑轮后，再通过大钩钩口，然后绕向另一侧的2个井架导向滑轮和人字架导向滑轮，最后固定在井架人字架右后腿的底盘上。如图1所示。

3.2 井架起升快绳拉力

井架起升过程可看作准静态过程，即井架在起升中任何角度均处于受力平衡状态[2]，所受外力有井架自重、天车自重、快绳拉力、起升大绳拉力[3-4]，如图1所示，可得出：

式中：a为P对O点的力臂，mm；b为F对O点的力臂，mm；L1和L2分别为井架重心与天车重心到 O 点的距离，mm；α 为井架起升角度，（°）；α1为井架重心与O点连线与井架下方轮廓线的夹角，（°）；α2为天车重心与O点连线与井架轮廓线的夹角，（°）。

由式（5）推导整理得，该种穿绳方式下，井架起升力与起升角的关系式为：

式中：L0为人字架侧边导向滑轮到井架侧边导向滑轮初始绳长，mm；S1为人字架侧边导向滑轮到O点的距离，mm；S3为井架侧边导向滑轮到O点的距离，mm；B为绞车滚筒与点的连线和天车导向滑轮与O点连线的夹角，（°）；S4为绞车滚筒到O点的距离，mm；S5为天车导向滑轮到O点的距离，mm；C为绞车滚筒与O点的连线和天车导向滑轮与O点连线的夹角，（°）；h为大钩拉力对井架侧边导向滑轮的力臂，mm。

图1 井架起升原理示意图

对照JJ450/45-K井架模型相关设计参数，获得以下数据，G1=1 781kg，G2=152kg， L1=2 680mm， L2=6 766mm，α1=3.9°，α2=1.5°，h=575mm，L0=4 160mm，S1=1 250mm，S3=1 703mm，S4=1 625mm，S5=6 893mm,B=101.6°，C=90°。当快绳离开人字架中间导轮后，S4=1 206mm，C=180°。根据以上数据得P～α关系曲线，如图2所示，井架起升力随起升角度增大而减小，初始位置时所需起升力最大，最大值在井架处于0°位置时，之后，起升力就随着起升角的增大一直减小。当起升角达到78°位置时，起升力减小的速度加快，这是因为快绳离开了人字架导轮，快绳拉力直接作用于井架天车。井架起升到86°左右时，起升力为零，起升角再增大，起升力则变为负值，而绳索只能提供拉力，显然井架趋近90°时，不再需要快绳提供起升拉力，井架会因自重自动靠放到人字架上。这种穿绳方式避开了井架初始位置较大的起升力区域，对于保护井架是有利的，但是这种方式把起升力加到了人字架上，人字架要承受更大的压力。因此，在保证人字架足够安全的情况下，这种起升方式对井架本体的安全还是有利的。

图2 井架起升力变化曲线

4 井架模型起升应力测试

4.1 应力测试仪器及布点依据

井架起升应力测试中使用的应变片为90°应变花，电阻值为120±0.2Ω，灵敏系数为2.08，应变片的栅长为2mm，用胶水将应变片粘贴在待测部位，通过半桥电路接入应变测量系统中，利用快速接头和屏蔽的导线连接无线发射模块，无线数据发射模块的量程为±15 000με，测量精度为±2με，每个无线发射模块可以连接并采集4个测点的数据，安装时通过磁座吸附在被测量杆件上，在采集数据的同时将数据传输到无线接收网关，然后通过电脑中的应变测量软件将数据进行处理分析。

井架起升测试的布点主要是选择在井架立柱均匀主受力区以及应力集中区和弹性挠曲区等危险应力区[5]，根据井架模型的受力特点，在人字架导向滑轮下部的立柱、人字架前后大腿、井架起升导向滑轮附近的立柱以及井架二层台附近的立柱等部位共设置64个测试点，以采集井架起升全过程中的应变数据。

4.2 应力测试数据分析

初始位置以水平方向为0°，井架起升角度：0°～90°，井架起升过程中连续采集数据，各测点应变数据曲线如图3所示，各测点应力峰值见表1。

表1 各测点应力峰值

由图3可以看出，井架起升过程中相关主受力构件在井架开始起升的位置（即水平位置）时各测点整体受力最大，尤其是起升角度在0°～15°范围内受力较大，之后随着起升角度的增大，各测点受力逐渐变小；待井架起升至工作位置（即竖直位置）时，应力值停止变化，且此时应力是由于井架自身重力产生的，应力值均较小。

图3 井架起升各测点应变曲线

根据表1可知，井架在起升过程中应力峰值较大的测点为13～16、33～40、57～64，井架在起升过程中最大应力位于井架立柱下段起升大绳缠绕的导轮处和人字架的人字连接处。因此，在设计井架时，应着重加固这2个部位的杆件。

5 结论

1）初始位置时所需起升力较大，起升力最大值在井架处于水平位置时，起升力随着起升角的增大而一直减小：当起升角达到78°位置时，起升力减小的速度加快；井架起升到86°左右时，起升力为零。

2）根据应力测试数据，井架起升过程中相关主受力构件在井架倾角较小时整体受力最大，尤其是起升角度在0°～15°范围内受力较大，最大应力位于井架立柱下段起升大绳缠绕的导轮处和人字架的人字连接处。

[1]符彦惟.相似与模型设计法在石油机械设计中的应用[J].石油矿场机械，1998，27(6)：34-37.

[2]张学军，陈孝珍.ZJ70DB型钻机片架起升过程有限元仿真分析[J].石油矿场机械，2008，37(12)：35-38.

[3]朱襟成.超深井石油钻机井架起升过程动态特性分析[D].武汉：华中科技大学,2008.

[4]Vittorio Gusella，Ostilio Spadaccini，Andrea Vignoli.In-Service Dynamic Behavior of a Drilling Derrick on a Jacket Platform[J].International Journal of Offshore and Polar Engineering，1996，6(7)：184-194.

[5]SY 6326-2012石油钻机和修井机井架底座承载能力检测评定方法及分级规范[S].