JJ315-K型井架动力学特性分析

庞世强，苗　波（兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，山东　青岛266520）

JJ315-K型井架动力学特性分析

庞世强，苗波
（兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，山东青岛266520）

钻机井架作为一种高耸的悬臂梁结构，其工作环境非常恶劣，不仅要承受大钩的载荷、风载及天车的质量，还要抵消顶驱对反转矩梁的转矩。研究了国内某5000m钻机井架在这些载荷作用下天车处的振动，分析了井架的动态响应特性，探讨了该井架在工作状态下的力学性能。为石油钻机井架的设计和优化提供了一定的理论参考。

井架；有限元法；动态分析；共振

在石油钻井过程中，钻机井架作为悬臂梁结构安装在底座上，不仅要承受天车上大钩载荷的作用，还要在API 4F规定的不超过16.5 m／s的陆上最大工作风载的作用下工作，并且承受着顶驱给井架提供的转矩的影响。井架工作环境恶劣，是钻机中最不稳定且易损坏的结构。

本文选取国内某公司生产的5 000 m前开口式“K”型井架作为研究对象，充分考虑钻机在工作工况下承受的载荷。按照API 4F第四版规定的1a工作工况，大钩载荷为100%，陆上设计工作风载为16.5 m／s。该井架的最大钩载为3 150 k N，顶驱给井架的转矩为39.1 k N·m。该井架有效高度42 m，共由5段组成，各段之间通过销轴连接。井架背面通过斜拉杆和横梁连接，井架侧面为片架结构，井架整体为桁架结构，具有较强的刚性。

笔者采用有限元法，利用ANSYS软件的BEAM188梁单元和PIPE16柱单元，通过APDL语言程序建模。充分考虑了钻机的钩载、风载和顶驱的反转矩对井架的脉冲载荷，建立了井架的有限元模型，对该井架做了模态、谐响应、瞬态分析；研究了井架的纵向和横向振动的相应特性以及井架的力学性能，为井架的设计和力学分析提供了一定的理论参考。

1　JJ315-K型井架有限元模型

本文研究对象JJ315-K型井架是一种前开口式“K”型井架，该井架的结构特点是以梁、柱和杆件为主的空间杆系钢架结构。依据井架的结构特点和主辅受力点对模型做了进一步的简化，在建模过程中略去了井架上的梯子总成、大钳平衡重、套管扶正台等附属结构，同时略去了天车结构用等效静载荷代替，添加到井架主腿上端。

在ANSYS软件前处理模块中建立以三维梁、柱单元（BEAM188和PIPE16）为主的井架有限元模型，单元划分共计384个节点，263个单元。对井架主腿底端施加位移固定约束和左右方向的转动，释放前后方向的转动。并且参照API4F第4版的规定把井架每一段在16.5m／s的风载下的载荷计算出来平均加到井架各段，同时给井架主腿施加顶驱的反转矩载荷。井架主体构件采用Q235A和Q345B钢制成，材料弹性模量2.1×1011Pa；泊松比0.3；密度7850kg／m3；转盘转速120r／min；重力加速度9.8m／s2。

2　计算结果与分析

2.1模态分析

模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，本文通过对井架的模态分析确定结构的固有频率和振型［1］。从数学概念分析模态特性主要表现在系统的特征值和特征向量。

根据井架的实际工况，结合弹性力学有限元分析法，利用ANSYS软件对该井架进行模态分析［2］。由于井架的固有频率较大，对井架结构产生影响的主要是前几阶振型，因此提取了井架的前6阶固有频率和最大位移，如表1所示。

表1　井架前6阶频率

井架的前6阶振型如图1所示。

图1　井架前六阶振型

从图1可见，该井架的一阶振型主要表现为绕x轴前后方向的摆动，随着井架高度的不断上升，井架的前后摆动的幅值越大；二阶振型主要表现为绕y轴做扭转摆动，特别是在二层台及井架以上的结构摆动幅度较大；三阶振型不仅表现为绕y轴做扭转摆动，而且还表现为绕z轴的左右摆动；四阶振型主要表现在井架的一段上部到二层台下部的前主腿向内弯曲，而二层台上部则无此变形；五阶振型主要表现为二层台以下做左右摆动，二层台以上沿着y轴做扭转摆动；六阶振型主要表现为井架做前后方向的摆动，其中一到四段向前摆动，五段向后摆动，整个井架在前后方向呈现“S”形摆动。在前六阶振型中四阶振型的位移最大，结构最不稳定。通过对井架的阵型分析对井架结构做出一些改进：首先加强井架二、三段前主腿，防止其向内弯曲；其次加强井架二层台处，主要是由于有几阶阵型是从二层台处开始弯曲或者扭转的。

风载荷包括稳定风和脉动风，高耸井架的风振影响，主要就是脉动风起的作用。脉动风的风速和风向是随时间和空间而变化的，具有明显的紊乱性和随机性，脉动风的这些特性主要受到地表构造的影响［3］，因此，在做井架模态分析时要根据井架的具体使用地点，参考当地权威机构的风载数据计算，当脉动风的频率达到或者接近井架的固有频率就会引起井架的共振，造成井架的破坏。

地震载荷也是造成钻机破坏的致命因素。地震主要以地震波的形式向各方向传递能量，地震波的频率和振幅跟震级和震源等有关系，当地震波的频率达到井架的固有频率时会造成井架共振。

2.2谐响应分析

谐响应分析是确定一个结构在已知频率的间谐载荷作用下结构的响应技术［4］。本文参考井架模态分析前六阶固有频率，计算了JJ315-K型井架在0～8 Hz频率范围内的响应特性。通过对该井架的模态分析可知，井架的天车和二层台在振动状况下反应的比较活跃，因此分别选取了模型中天车和二层台处的135和174节点，采用完全法分析这两处节点在0～8 Hz频率范围内的响应［5］。

天车处135节点在x、y、z方向的位移响应曲线如图2所示。

图2　天车处位移响应曲线

由图2中可以看出，x方向对应着井架的左右方向，从x方向的位移响应曲线中可以看出有5个频率点处出现较大的位移，分别对应井架的一阶、二阶、三级、五阶和六阶固有频率值，特别是在井架五阶固有频率处位移最大，达到了12.58mm。y方向对应着井架的竖直方向，从y方向的位移响应曲线中看出只有3个频率点处出现较大的响应位移，分别对应井架的一阶、五阶和六阶固有频率，在一阶固有频率处位移响应最大，为13.29mm。z方向对应着井架的前后方向，从z方向的位移响应曲线中看，其响应点同y方向一样，但是在z方向最大的位移响应值为264.6mm。通过对天车135节点处的响应曲线分析，井架在一阶固有频率下前后方向的摆动较大，在该频率下容易造成井架的破坏。

二层台处174节点在x、y、z方向的位移响应曲线如图3所示。

由图3中可以看出，在x方向有5个频率点处出现较大的响应位移，分别对应着井架前六阶固有频率中的一阶、二阶、三阶、五阶和六阶，并且在五阶频率处位移响应值最大；y方向有4个频率点处出现了较大的响应位移，分别对应着井架固有频率中的一阶、四阶、五阶、六阶，且在一阶处对应的位移响应值最大；z方向有2个频率点处出现了较大的响应位移，分别对应着井架一阶和六阶的固有频率，且在一阶频率处的位移响应值最大，达到了128.9mm。

通过对井架135和174节点在x、y、z方向的位移响应分析，可以看出在z方向的位移响应值最大，井架在振动过程中如果受到的外部载荷频率达到井架的一阶频率时，井架天车处z方向的最大位移响应值达到了264.6mm，需要增强井架主腿的刚性，减小其z方向的摆动。

图3　二层台处位移响应曲线

2.3瞬态分析

瞬态动力学分析是用于确定承受任意的随时间变化载荷的结构动力学响应的一种方法［6］。本文模拟井架在工作工况下“猛拉、猛刹”的工作状态，分析井架的振动特性。该钻机在工作过程中将游动系统及大钩载荷通过钢丝绳传递到天车上，因此在该井架建模时略去了游动系统，把游动系统和大钩载荷通过力的形式加载到井架顶端的天车处。

载荷加载的瞬态载荷如图4所示。oa段为提升游动系统，其中游动系统给天车的载荷为125.6kN（游动系统包括游车6210kg、大钩3 450 kg、水龙头2900kg）；ab段为井架满载的过程，该井架的最大载荷为3150k N；bc段为井架满载的持续过程；cd段为井架卸载的过程；de段为井架仅承受游动系统的重量；ef段为井架卸去游动系统质量的过程［6］；同时给井架上下两处背扇横梁添加39.1kN·m的转矩，用来代替顶驱转矩对井架的作用，施加转矩的时间段为图4中的ac段。

图4　瞬态载荷

通过对该井架的阵型和位移响应分析可知，该井架的天车处在振动过程中的位移响应最大，结构最不稳定，因此选取天车处135节点，分析该节点在工作时瞬态载荷作用下的响应值。天车处135节点的振动位移曲线如图5所示。

从图5中可以看出，在开始阶段3个坐标轴方向的振动位移很大。在x方向的前1.8 s内振动位移和频率都相对较高，振动剧烈，而随着时间的增加振动过程逐渐变平稳；在y方向的前1 s内振动较剧烈，随着时间的增加振动逐渐变平稳，最后趋近于一条直线；而在z方向井架的振动频率相对于x、y方向要小很多，但是其保持较大振动位移的时间相对较长，在整个受载过程中振动位移较大，结构不稳定。

图5　天车处135节点振动位移曲线

天车处135节点的振动速度曲线如图6所示。

图6　天车处135节点振动速度曲线

由图6中可以看出，在载荷加载的初始阶段3个坐标轴方向的振动速度和频率都很大。在x方向的前1.6s内振动速度和频率相对较大，振动剧烈，而随着时间的增加，振动曲线趋近于一条直线，说明工作过程变稳定；而在y方向的前1.2 s时间内的振动较为剧烈，最大振动速度为3.3 m／s，远大于x和z方向的振动速度。在z方向的前5 s内虽然振动的频率相对于x、y方向较低，但是振动速度始终保持着。

天车处135节点的加速度响应曲线如图7所示。

图7　天车处135节点加速度响应曲线

从图7中可以看到，在前0.8 s内135节点的振动加速度较大，并且y方向的加速度远大于x、z方向，当过了0.8 s以后3个方向的加速度响应曲线都趋近于平行于横坐标的一条直线，表示振动稳定下来。

通过上述分析，在载荷加载的初始阶段井架振动剧烈，结构不稳定，随着时间的增加，振动频率和幅值逐渐减小，最后趋近于一条直线，表示结构变稳定。在井架的前后方向（z方向）相对于上下和左右方向振动时间长，表示在前后方向上结构相对不稳定，这符合了前开口“K”型井架在开口方向结构的不稳定性，在设计时应当加强井架前后主腿的刚性。

3　结论

采用有限元法，结合ANSYS软件的有限元分析，充分考虑了JJ315-K型井架在工作过程中的载荷及结构特型，分析了该井架的固有频率和阵型、在0～8 Hz内的位移响应以及在工作过程中“猛拉、猛刹”时井架受载的瞬态过程。

1）井架的前6阶固有频率如果跟风载及地震载荷的频率接近，容易发生共振现象。应当加强井架二、三段前主腿和井架二层台处，减小井架阵型。

2）通过对井架0～8 Hz内的谐响应分析，井架天车处的位移响应值要大于二层台处，说明了天车处结构更不稳定，并且在井架前后方向的位移相对较大，应当增强井架主腿刚性，减小井架前后方向的摆动。

3）通过模拟井架在工作时的一种受力状况，分析发现井架在受力初始阶段振动剧烈，并且在前后方向振动持续时间长，更容易造成结构的不稳定。

［1］陈艳霞，林金宝.ANSYS14完全自学一本通［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［2］梁庆海，周国强，韩东颖.JJ454／49-H型海洋动态井架动力特性分析［J］.石油矿场机械，2007，36（4）：34-37.

［3］王肇民.高耸结构的振动控制［M］.上海：同济大学出版社，1996.

［4］张丽娜，李凤臣，杨鸥，等.JJ16041-K型石油井架结构的动力响应分析［J］.科学技术与工程，2012，12（20）：4884-4887.

［5］周思柱，祝克强，华剑，等.深井钻机井架及底座系统的谐响应分析［J］.石油机械，2013，41（8）：28-31.

［6］吴昌，艾志久，陈海林，等.JJ250／42-K型井架动态特性分析［J］.石油矿场机械，2009，38（11）：19-23.

Analysis of Dynamics Characteristic for JJ315-K Type Derrick

PANG Shiqiang，MIAO Bo
（Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute Co．，Ltd．，Qingdao 266520，China）

As a structure of towering cantilever，loads the rig derrick has to withstand is very tough，not only the hook loads and wind loads，but the reaction torque from Top Drive as well. Taking the hook loads，reaction torque and pulsating impact led by wind loads what the derrick has to withstand while drilling into full consideration，the libration in the crow of a 5 000 m der-rick under these loads was studied and the characteristics of dynamic response was analyzed，then，the mechanical property of the derrick while drilling was discussed.Those offered theoretical ref-erences for oil rig derrick's design and optimization.

derrick；FEM；dynamic analysis；resonance vibration

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.008

1001-3482（2015）12-0031-06

2015-6-11

庞世强（1985-），男，山东临沂人，主要从事石油钻井装备设计计算，Email：pangshi-101＠163.com。