前开口“K”型井架起升过程有限元计算与分析*

康宝龙

(兰州兰石石油装备工程有限公司，甘肃兰州 730314)

0 引言

井架起升过程是井架受力比较恶劣的一种工况，需要对井架的起升过程进行仿真分析和静强度校核，完成井架起升过程的安全评价。井架存在多种起升方法，如:人字架起升法、液缸起升法等［1］。“A”型井架，“K”型井架均采用人字架起升法。

1 井架起升原理

井架在地面完成组装，如图1。

图1 井架起升示意图

完成组装之后，井架主体由支架10支撑，与地面成4°夹角，大钩与游车也放在工装支架(图中未明示)上，钢丝绳处于松弛状态。起升开始时，绞车滚筒转动，带动钢丝绳1，钢丝绳1绕过起升人字架3的中间导向滑轮4和天车滑轮11进入游动系统，游动系统拉动大钩8组成井架起升的动力系统;大钩通过平衡架与两根起升大绳6相连接，每根起升大绳6的一端与底座相连，另一端绕过人字架一侧的导向滑轮5，再绕过井架一段的横向导向滑轮6和纵向导向滑轮7与大钩相连接。大钩向上运动带动起升钢丝绳以完成井架起升。

2 有限元建模分析

2．1 坐标系选择

坐标原点选在井架一段底部销孔连线的中点处，坐标系如图2所示。

图2 井架有限元模型

2．2 单元选择

分析的前开口“K”型井架属于刚架结构，主要由型钢和管材组成，在井架起升过程中，结构中的型钢可能发生轴向与弯曲组合变形，ANSYS单元库中的BEAM188单元为三节点的空间梁单元，每个节点具有3个平动自由度和绕3个坐标轴的转动自由度，适于分析该类问题，所以在建模中选用BEAM188单元来模拟型钢。在建模过程中，针对不同的型材截面，编写不同的截面文件，在计算过程中，对不同位置的杆件读入不同的截面文件。井架结构中的斜拉杆可以近似的认为只受轴向力作用，用LINK180单元模拟。此种单元实常数只需要输入截面面积。相比于实体单元建模，本文所述的建模方式能够大大减少单元数量，减少建模和前处理中划分网格的时间，提高分析效率［2］。

2．3 起升荷载与约束条件

如图1所示，在井架起升过程中，主要承受井架自重，游动系统重量，二层台重量，钢丝绳重量和天车重量以及起升钢丝绳的拉力作用。在本文的计算中，井架自重由系统自动加载，其余荷载均通过ANSYS命令加载于相应位置的节点上。

井架起升的动力由快绳提供，由快绳拉力与起升钢丝绳拉力存在如下关系:

式中:P'为起升钢丝绳拉力，kN;N为有效绳数，本文为12;P为快绳拉力，kN;θ为大钩下方两起升钢丝绳夹角。

图3 井架起升位移云图

在井架起升过程中，θ值随大钩高度的变化而变化，但变化过程缓慢，可认为准静态加载，取任意起升角度对应的θ值进行计算而不考虑动效应。井架一端下部除了旋转方向不加限制外，其余方向均施加约束。如图2所示，起升钢丝绳拉力施加于井架三段顶部和井架一段横向导向滑轮处，快绳拉力施加于井架顶部中间的位置，其方向可在图纸中测量得出。天车自重与二层台自重沿竖直方向平均分配于相应位置所对应的节点处。为使问题可解，约束工装支架处节点的竖直方向自由度，依照经验多次施加不同的起升荷载P，当求得此处的约束反力为零时所施加的起升荷载为所求真值。依次改变起升角度，求得的起升钢丝绳拉力和钩载如表1。

表1 起升力与起升角度的变化关系

从表1可以看出，随着起升角度的逐渐增大，起升钢丝绳拉力与钩载均呈减小趋势，在起升角为15°时，钩载最大值为112．4 T，这是由于在井架起升之初，结构自重力臂较长，起升钢丝绳拉力和快绳拉力力臂较短造成的，在起升角度大于30°以后，钢丝绳拉力和钩载迅速减小且与起身角度变化呈线性关系。

3 结论

采用有限元参数化编程方法对”K”型井架起升过程进行计算，求得了最大钩载和起升钢丝绳拉力，在井架起升之初，钩载有最大值。

前开口”K”型井架在起升过程中，起升角α变化缓慢，在钩载计算中可以当做静态问题处理，大大简化了计算步骤。通过对比钩载计算值与实测值，说明笔者计算所采用的有限元模型可靠，对井架相关计算具有指导意义。

［1］ 翟东锋．石油钻机井架计算方法研究［D］．青岛:中国石油大学(华东)，2007．

［2］ 薛守义．有限单元法［M］．北京:中国建材工业出版社，2005．