双升式钻机井架起升过程受力研究

赵磊 江苗苗 王柳 王龙庭

1、中石化胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司2、胜利油田富邦实业有限责任公司3、中国石油西南油气田分公司蜀南气矿4、中国石油大学（华东）机电工程学院

油田井架是石油工业设备中重要的组成部分 ,它是大型刚性框架结构. 底座支撑着井架 、绞车和转盘，根据底座的起升方式 ，钻机主要可分为双升式钻机 、旋升式钻机 、随升式钻机 、箱叠式钻机等[1-3]。由于双升式钻机的井架位于底座顶层，在起升过程中受环境影响因素较大 ，起升载荷较大 ，缺乏安全可靠性 ，因此对双升式钻机的井架起升过程进行受力研究具有现实指导意义。

1 有限元模型建立

建模的基本过程是创建节点→创建构件→定义构件材料 →定义构件截面形状→ 赋予构件截面形状 。其中节点主要定在井架底座的变截面处、焊接点、铰接点及其他连接点等。

为了更容易得出准确的结果和方便建立模型 ， 只建立井架和底座上主要型材结构 。忽略井架底座上所有耳座和倒角等次要结构，必要的连接件由被连接部分的型材代替。按照井架直立状态来进行建模，并对钻机井架和底座模型进行一定的简化 ，建立模型如图1所示。

图1井架起升模型

以实际工况重量对建立模型施加载荷，由于建模过程中对井架部分结构进行了简化 ，故模型重量比实际重量小，在施加载荷时需以附重载荷的方式将小于实际重量的部分施加到井架相应部位。

加载的主要过程是定义载荷名称 →定义风载 → 在节点或构件上施加载荷→创建不同工况下的载荷组合。定义风载时，需要输入风向角度，风速和阵风系数。 在井架起升过程中 ，预先添加0° ，45°，90° ，135° ，180° ，225° ，270° ，315° 八个方向的风载。风速和阵风系数都是根据APISpec4F来确定，风速定为16.5m/s，阵风系数定为0.85。创建不同工况下的载荷组合时，SAFI提供了一个载荷因子(Factor)来对施加的载荷进行调节。

边界条件设置如下：

（1）添加节点约束

在底座相应部位添加固定约束，以此来固定底座 ，为了模拟的真实可靠性，添加必要的弹簧约束以对弹性地基进行模拟。在高支架的位置设置只受压力的弹簧， 模拟高支架在起升初始状态时对井架的支撑作用。

（2）释放杆件转动自由度

实际工况井架起升过程 ，一些杆件之间的连接存在转动副，故需要对这些杆件的转动自由度进行释放。

2 结果分析

2.1 起升力数值模拟

为了得出起升力与起升角之间的关系，先排除其他因素干扰，将所有工况中的风载的载荷因子均设置为0。分析不同起升角工况时，通过预先设置的载荷因子乘以施加的起升载荷力即可得出相应的起升力。通过这种方式，可以计算出起升角α在不同工况下的起升载荷。本文对起升角α为5° 、10°、15°、20° 、30° 、40° 、50° 、60° 、70° 、80° 、90° 的工况进行了分析。如图2是根据计算结果得出的起升力与起升角曲线关系图，由图可知，井架起升过程中，随着起升角逐渐增大，起升力逐渐减小。当起升角为5°时，起升力最大。当起升角为90°起升力为0。为了对井架的强度进行校核，需对井架在起升过程中受力最大的工况进行分析，由图可知井架在起升角α为5°时起升力最大。

图2起升力与起升角关系曲线

2.2 确定风载方向

预先对0° ，45° ，90° ，135° ，180° ，225° ，270° ，315°八个方向施加风载。以初始起升角α=5°时的工况下对井架受不同方向的风载进行研究。对井架10个杆件单元在不同方向风载工况下的ULS值进行分析。查看不同方向风载工况下井架各杆件单元的ULS值，所得结果如表1。由表中数据可以看出，在风载方向为45°时，各杆件单元的ULS值最大，ULS值越大，表示杆件受力越大，杆件失效的可能性更大。

表1不同方向风载下井架各杆件单元的ULS值

2.3 初始起升角下井架受力

如图3显示了在起升角5°且45°风载方向的情况下，井架的应变情况，红色为井架变形部分。从图中可以直观地看出，井架各部分结构并没有发生明显的变形，整体结构变形较为均匀，沿着一个方向的位移最大的也只达到40mm左右，满足井架起升要求。

图3井架位移云图

如图4显示了在起升角5°且45°风载方向的情况下，井架的应力情况，此时井架各杆件单元的ULS值均小于1，大部分处于0.25-0.5之间，最大ULS值出现在2909号单元，位于人字架的右前撑杆上，其ULS值是0.8546，满足强度要求。

图4井架应力云图

3 结论

（1）本文对井架不同起升角所受到的起升力进行分析研究，结果表明，随着井架起升的变大，起升力随之减小，且起升角为5°时，起升力最大，起升角为90°时，起升力为0。

（2）起升角为5°时井架所受到的起升力最大，为了保证井架起升过程的安全可靠，对此位置的井架进行强度校核和受力分析。在该位置设置不同的方向风载，结果显示风载方向为45°时 ，ULS值最大考虑到风载的影响，井架受力最大 ，对起升过程影响最大。

（3对起升角为5°，45°风载方向工况下井架起升过程进行应力应变分析。结果表明井架结构位移变形和应力均满足要求，且最大ULS值为0.8546，小于1，井架各结构是安全可靠的，强度符合起升要求。