劉 智

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077)

車(chē)載修井機(jī)以其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)在油田的修井和鉆井作業(yè)中被廣泛使用。井架是修井機(jī)的主要工作部件，用來(lái)支撐井口防噴系統(tǒng)、強(qiáng)制起下系統(tǒng)等裝置的重要承載部件，為了使井架應(yīng)力分布均勻，需要對(duì)井架系統(tǒng)在工作狀態(tài)進(jìn)行受力分析以及強(qiáng)度校核，以保證其具有高度的安全性［1，2］。筆者利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)井架在不同靜鉤載與風(fēng)載作用下進(jìn)行了靜力分析，得出井架所能承受的最大靜鉤載，并通過(guò)計(jì)算合理縮短了繃?yán)K的斜拉范圍。

1 井架結(jié)構(gòu)

井架為前開(kāi)口、組合式井架，主要由橇座、井架主體、繃?yán)K、梯子、托架、天車(chē)等組成。井架主體分為上體井架和下體井架，是由立柱、橫撐、斜撐、液壓缸支腿組成。上體井架與下體井架由螺栓和銷(xiāo)軸聯(lián)接。井架主體最上端一層為焊接的4面封閉結(jié)構(gòu)，其余為前開(kāi)口結(jié)構(gòu)。井架主體兩側(cè)扇為焊接的平面結(jié)構(gòu)。背扇橫撐、斜撐將兩側(cè)扇連接成為一個(gè)整體。橇座與下體井架由銷(xiāo)軸、伸縮液壓缸總成等部件連接，并由伸縮液壓缸總成負(fù)責(zé)井架的起放。井架設(shè)計(jì)高度為27 m，最大設(shè)計(jì)靜鉤載為700 kN。

2 井架有限元模型的建立

2．1 簡(jiǎn)化模型

利用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)井架進(jìn)行了整體建模。建模過(guò)程中將梯子簡(jiǎn)化掉，在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)施加集中質(zhì)量。簡(jiǎn)化后的模型由下體井架、上體井架、液壓缸支腿、繃?yán)K組成。根據(jù)井架結(jié)構(gòu)的實(shí)際連接方式不同，將構(gòu)成井架的各桿件之間設(shè)置為剛性連接;液壓缸支腿與井架之間設(shè)置為鉸接。

計(jì)算中，井架主體材料均為16Mn，其彈性模量為200 GPa，屈服極限345 MPa，取安全系數(shù)為1．6，其許用應(yīng)力為215 MPa?？?yán)K結(jié)構(gòu)為6×19+1鋼芯鋼絲繩，其彈性模量為93．2 GPa，抗拉強(qiáng)度179 MPa?？?yán)K的初始拉應(yīng)力為180 MPa。

2．2 單元?jiǎng)澐?/h3>

井架主體和液壓缸支腿選用三維梁?jiǎn)卧嚴(yán)K總成選用三維桁架單元。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)，整個(gè)模型共定義了9種截面類(lèi)型，其中包括7組梁的實(shí)常數(shù)和2組桁架的實(shí)常數(shù)。井架主體有限單元模型長(zhǎng)度尺寸設(shè)置為0．05 mm，共由6930個(gè)節(jié)點(diǎn)和3795個(gè)單元組成;液壓缸支腿有限單元模型大小設(shè)為0．31 mm，共由20個(gè)單元22個(gè)節(jié)點(diǎn)組成;繃?yán)K總成有限單元模型大小設(shè)置為3．5 mm，共由40個(gè)單元44個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。另外，還有5個(gè)代替梯子和滾筒的質(zhì)量單元。建模過(guò)程中先建立井架的兩個(gè)側(cè)面，然后按照實(shí)際結(jié)構(gòu)連接成一個(gè)完整的井架主體，通過(guò)添加繃?yán)K、液壓缸支腿等部件最終完成井架總體的有限元模型。

2．3 施加載荷

井架的工作工況由恒定載荷(即結(jié)構(gòu)靜載荷)、鉤載、立根載荷、環(huán)境載荷以及這些載荷的組合所決定［3，4］。建模過(guò)程中，將井架主體支腿末端、液壓缸支腿末端和繃?yán)K末端完全固定。井架承受自重的前提下，在井架頂部滾筒重心位置施加集中力載荷，該點(diǎn)上的集中力會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為加載在井架頂端相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的作用力。分別加載700、800 kN兩種載荷。在每種載荷下又根據(jù)風(fēng)向劃分為4種典型工況:(1)無(wú)風(fēng)狀態(tài);(2)縱向風(fēng)(風(fēng)從車(chē)頭吹向車(chē)尾);(3)橫向風(fēng)(風(fēng)從井架側(cè)面吹);(4)斜向風(fēng)(風(fēng)從車(chē)頭吹向車(chē)尾，并與車(chē)輛軸線成28°角)。對(duì)于車(chē)載修井機(jī)井架的結(jié)構(gòu)要求是十級(jí)風(fēng)不破壞。按一般規(guī)定，十級(jí)風(fēng)的風(fēng)速為24．5～28．4 m/s。本文取風(fēng)速區(qū)間的最大值，即保證風(fēng)速為28．4 m/s時(shí)結(jié)構(gòu)不破壞。因此，總共分析了8種工況。

2．4 風(fēng)載［5，6］

風(fēng)載是一種自然載荷，風(fēng)在運(yùn)動(dòng)中一般有一定的傾角，但基本小于±10°。而且其豎向分風(fēng)力對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的井架來(lái)說(shuō)，基本上只引起豎向軸力的變化，模擬計(jì)算中可以不考慮，只需考慮水平風(fēng)力對(duì)于井架結(jié)構(gòu)的影響。風(fēng)的強(qiáng)度一般用風(fēng)壓來(lái)表示。風(fēng)壓是指垂直于風(fēng)向的單位面積構(gòu)件所受到的壓力。單位面積上風(fēng)速提供的風(fēng)壓為:

式中:ω——單位面積上的風(fēng)壓，kN/m2;ρ——空氣密度，kg/m3;v——風(fēng)速，m/s;γ——空氣的重度，取0.012018 kN/m3(在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、常溫15℃時(shí));g——重力加速度，取 9.8 m/s2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算十級(jí)風(fēng)速條件下的平均單位風(fēng)壓為0.495 kN/m2，將計(jì)算所得的風(fēng)壓以線載荷的形式施加到井架上，則得到相應(yīng)方向的風(fēng)載。

3 有限元計(jì)算結(jié)果

3．1 井架承載能力分析

分別對(duì)8種工況下井架的受力情況進(jìn)行逐一分析。以700 kN靜鉤載作用下，側(cè)向風(fēng)狀態(tài)井架的受力情況為例，如圖1所示。由圖1(a)和(b)可以看出，井架4根立柱為主要承載構(gòu)件，上體井架前開(kāi)口處2根立柱頂端受到的軸向壓縮載荷最大，最大應(yīng)力為182．1 MPa，是整個(gè)井架的薄弱部分。其余桿件應(yīng)力值遠(yuǎn)小于最大應(yīng)力值。下體井架與機(jī)車(chē)體接觸的的人字斜撐承載較大載荷，其他斜撐及橫撐受力較小。分析相應(yīng)數(shù)據(jù)可知，井架前面2根立柱軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)相一致，井架后面2根立柱的軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)也相一致。在同一高度下，前面2根立柱的軸向應(yīng)力明顯大于后面2跟立柱軸向應(yīng)力。同前左右兩側(cè)和同后左右兩側(cè)立柱的軸向應(yīng)力差別不大。井架斜撐與橫撐所受應(yīng)力都比較小，相比之下，斜撐受力普遍要大于橫撐，橫撐的設(shè)計(jì)安全系數(shù)較高。井架各單元在各種載荷作用下承受拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、扭矩作用，扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力很小，主要是拉、壓作用產(chǎn)生軸向變形與彎曲變形。由圖1(c)可以看出，在靜鉤載作用下，井架發(fā)生了微前傾現(xiàn)象，井架后部的2根繃?yán)K受拉，前部2根繃?yán)K處于自然下垂?fàn)顟B(tài)。繃?yán)K的最大位移值為796 mm。井架本體上頂部4個(gè)節(jié)點(diǎn)的前開(kāi)口方向的位移最大，位移方向?yàn)榫芮皟A方向，最大位移值為73．6 mm。最大靜鉤載工況下，井架立柱豎直方向的位移很小。2根前立柱與2根后立柱發(fā)生的位移變化量相接近，最大位移僅為23．2 mm。

圖1 井架受力情況

由大量的計(jì)算結(jié)果可以看出，雖然工況不同，但整個(gè)井架薄弱環(huán)節(jié)的位置以及繃?yán)K的受力形式不變。表1為不同工況下，井架受到的最大Mises應(yīng)力值以及繃?yán)K最大張力值。當(dāng)作用力為900 kN時(shí)，無(wú)風(fēng)狀態(tài)下井架所受到的最大Mises應(yīng)力為234．9 MPa，大于鋼材的許用應(yīng)力。因此，本文在最大靜鉤載為700和800 kN兩種載荷下對(duì)不同風(fēng)向下的井架受力情況做了詳細(xì)計(jì)算。結(jié)果證明，在最大靜鉤載為800 kN作用下井架剛度足夠滿足正常使用要求。

表1 不同工況計(jì)算結(jié)果

3．2 繃?yán)K斜拉范圍的計(jì)算

繃?yán)K固定在地面上的4個(gè)點(diǎn)呈正方形分布，邊長(zhǎng)為36 m。井架位于此正方形對(duì)角線相交位置。繃?yán)K與地面夾角如圖2所示。已知井架高h(yuǎn)=21.97 m，繃?yán)K在地面上的投影半徑r=25.5 m。計(jì)算可得繃?yán)K與地面夾角θ=arctan(h/r)=40.7°。前述有限元計(jì)算結(jié)果中繃?yán)K所受的最大拉力F=20887.8 N，此拉力在水平方向上的分力Fx=Fcosθ=15835.8 N。

繃?yán)K所能承受的最大拉力:

式中:［σ］——繃?yán)K許用抗拉強(qiáng)度;ns——安全系數(shù)，此處取1．5;A——繃?yán)K橫截面積。

圖2 繃?yán)K與地面夾角

優(yōu)化中保持繃?yán)K水平分量不變，軸向拉力取繃?yán)K所能承受的最大值，計(jì)算得繃?yán)K與地面的最大夾角 θ=cos－1θFx/F1=48.7°。因此，可得最小斜拉半徑r1=19.3 m。也就是說(shuō)可以把初始的36 m邊長(zhǎng)縮短到27．2 m極限位置。

4 結(jié)論

(1)利用有限元方法確定了井架頂部第一層門(mén)框處為整個(gè)井架的危險(xiǎn)截面。因此在設(shè)計(jì)選材方面需要慎重考慮，不能減弱鋼材的尺寸。井架其他斜撐及橫撐受力不大，可以適當(dāng)縮小鋼材尺寸規(guī)格。

(2)井架后面2根繃?yán)K受力要明顯大于前面2根繃?yán)K，可以優(yōu)化繃?yán)K的選材，適當(dāng)降低前面2根繃?yán)K的規(guī)格尺寸。

(3)通過(guò)計(jì)算，合理地縮小了繃?yán)K的斜拉范圍。

(4)風(fēng)載對(duì)井架主體的受力分布形式影響不大，對(duì)繃?yán)K的拉力影響較大。

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