周涵銳

(武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院)

0 引 言

石油鉆機(jī)井架底座結(jié)構(gòu)是鉆機(jī)的重要組成部分，其承載能力和安全性是保證正常作業(yè)的前提[1]。鉆機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)需要參照API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，企業(yè)在設(shè)計(jì)之后需要借助計(jì)算軟件對設(shè)計(jì)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，保證設(shè)計(jì)的安全性。考慮多種工況下井架的性能，在使用前掌握井架的剛度、穩(wěn)定性及承載能力等指標(biāo)，了解井架結(jié)構(gòu)中較為薄弱的位置，能夠?yàn)楝F(xiàn)場安全作業(yè)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論指導(dǎo)[2-4]。

針對石油井架國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。M.LINK[5]在對井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析過程中，將結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)偠认禂?shù)視為模型修正系數(shù)對建立的井架有限元模型進(jìn)行修正；CHEN W.F.等[6]提出分塊變剛度法可精確分析平面鋼框架結(jié)構(gòu)的彈塑性變形；W.G.SMITH[7]采用能量法求得屈曲臨界載荷，計(jì)算時(shí)假設(shè)屈曲模式，得到系統(tǒng)外力勢能與應(yīng)變勢能表達(dá)式，根據(jù)勢能駐值原理得到臨界屈曲載荷值；管鋒等[8]通過編寫有限元軟件命令流的方式對某海洋修井機(jī)井架進(jìn)行強(qiáng)度分析，為了使計(jì)算準(zhǔn)確，將檢測到的應(yīng)力集中桿件考慮為缺陷桿件，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果對強(qiáng)度不足的部分桿件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；常雙利[9]對某海洋修井機(jī)井架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，包括對井架的應(yīng)力檢測和利用SESAM海洋工程分析軟件進(jìn)行有限元分析，對疲勞壽命進(jìn)行評估，有效防范風(fēng)險(xiǎn)；李文彪等[10]建立ZJ90型鉆機(jī)力學(xué)模型，對井架及底座分析最大受力，并應(yīng)用SCAS軟件對井架及底座起升狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，為現(xiàn)場作業(yè)提供依據(jù)；趙丹[11]建立JJ170/42-K形井架有限元模型，采用ANSYS分析軟件結(jié)合工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到井架的變形和應(yīng)力大小，并按照穩(wěn)定性理論折算算法進(jìn)行穩(wěn)定性分析(非線性屈曲分析)，得到井架承載極限載荷值，并通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方式進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，后對井架進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。盛尹等[12]采用ANSYS軟件將NDC-50DBT形井架桿件模擬為三維梁單元進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，通過非線性屈曲分析得到井架各工況穩(wěn)定性狀態(tài)。

筆者基于對ZJ80鉆機(jī)進(jìn)行API結(jié)構(gòu)安全性輔助驗(yàn)證，綜合各學(xué)者對各類型井架的強(qiáng)度校核方式，創(chuàng)新性地結(jié)合穩(wěn)定性研究方法，對某型號(hào)ZJ80鉆機(jī)井架及底座系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析。分析時(shí)考慮井架底座系統(tǒng)在4種極限作業(yè)工況、8種風(fēng)向風(fēng)載條件下的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能；另外，由于井架運(yùn)輸及安裝工藝的限制，井架需平放移運(yùn)至現(xiàn)場安裝，作業(yè)時(shí)需將井架起升進(jìn)行作業(yè)，起升過程中的安全性也需要保證，故對井架起升過程同樣進(jìn)行安全性分析。

筆者采用ANSYS APDL有限元軟件對井架及底座系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，在建模時(shí)充分考慮井架底座系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用梁單元模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件擺放位置和角度，使有限元模型更加貼合實(shí)際情況。計(jì)算過程采用非線性屈曲分析方法進(jìn)行，期間考慮結(jié)構(gòu)缺陷對井架承載能力的影響。在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界狀態(tài)點(diǎn)分析得到井架底座結(jié)構(gòu)中較薄弱區(qū)域桿件；計(jì)算得到井架在各工況下的最大UC值，綜合判斷鉆機(jī)井架和底座結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和安全性，為后續(xù)井架校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論參考。

1 鉆機(jī)井架及底座計(jì)算概述

1.1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)概述

ZJ80鉆機(jī)是一種用于鉆井作業(yè)的石油裝備，該鉆機(jī)主要由井架、底座等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZJ80鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of the ZJ80-model drilling rig

井架主體為前開口型，主體之間采用銷軸連接，井架背面有斜拉桿和橫梁與井架主體相連接，井架還配備有人字架、二層臺(tái)等重要部件。井架大腿結(jié)構(gòu)采用工字鋼桿件，尺寸為H350 mm×350 mm×10 mm×16 mm，材料為Q355鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比0.3，密度為7.85×103kg/m3，屈服強(qiáng)度為355 MPa。井架最大額定鉤載5 850 kN，井架高度48 m，底座高度12 m，最大立根載荷為3 640 kN，立根水平靠力按3°施加在二層臺(tái)對應(yīng)位置。鉆機(jī)底座為旋升式結(jié)構(gòu)，由下基座、上基座、立根臺(tái)和轉(zhuǎn)盤梁等主要構(gòu)件構(gòu)成。上基座用于放置轉(zhuǎn)盤、立根臺(tái)等裝置。鉆機(jī)底座主要組成材料為H型鋼，穿插部分方管連接，各部件之間均使用銷軸連接。

1.2 模型處理

在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，需考慮將井架及底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，簡化處理如下：

(1)構(gòu)件之間焊接可靠，為剛性連接；

(2)結(jié)構(gòu)中的附件(護(hù)欄、扶梯、擋風(fēng)墻等)簡化為重力施加在對應(yīng)位置；

(3)井架底座基礎(chǔ)與地面接觸給予固定約束。

1.3 風(fēng)載計(jì)算

分別選擇計(jì)算風(fēng)向?yàn)?°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°共8個(gè)風(fēng)向進(jìn)行計(jì)算。因井架為對稱結(jié)構(gòu)，故只計(jì)算對稱相同面積的正向風(fēng)和側(cè)向風(fēng)，斜向來風(fēng)根據(jù)正向風(fēng)和側(cè)向風(fēng)組合計(jì)算。

1.3.1 單個(gè)構(gòu)件風(fēng)載計(jì)算

根據(jù)API Spec 4F—2020[13]對風(fēng)載的設(shè)計(jì)計(jì)算可知，井架所受風(fēng)載近似等于各構(gòu)件所受風(fēng)載的總和，考慮到底座高度較低且固定安裝在地面上，受風(fēng)載影響較小，故在風(fēng)載計(jì)算時(shí)不計(jì)算底座。井架風(fēng)載計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算單個(gè)構(gòu)件上的風(fēng)力并分段施加在對應(yīng)位置。單個(gè)構(gòu)件風(fēng)載計(jì)算式為：

Fm=0.003 38ρKivZ2CsA

(1)

式中：Fm為單個(gè)構(gòu)件所受風(fēng)載，N；ρ為空氣密度，kg/m3；Ki為構(gòu)件擺放角度系數(shù)，在軟件中已經(jīng)將構(gòu)件按照旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行擺正，故此處Ki=1.0；vZ為帶高度系數(shù)的風(fēng)速，參照設(shè)計(jì)過程中對風(fēng)速的要求，計(jì)算取3種風(fēng)速工況進(jìn)行，其中作業(yè)工況風(fēng)速16.5 m/s(32節(jié))、預(yù)期工況風(fēng)速30.7 m/s(60節(jié))、非預(yù)期工況風(fēng)速38.6 m/s(75節(jié))；Cs為構(gòu)件形狀系數(shù)，構(gòu)件形狀系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[13]形狀系數(shù)表取值為1.5；A為構(gòu)件的迎風(fēng)面積，m2，根據(jù)單構(gòu)件截面形狀及構(gòu)件長度計(jì)算求得。

1.3.2 井架所有構(gòu)件風(fēng)載計(jì)算

施加在結(jié)構(gòu)上的總風(fēng)力為：

Ft=GfKsh∑Fm

(2)

其中：Gf為陣風(fēng)影響因子，根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的陣風(fēng)影響系數(shù)表，取值為1.0；Ksh為遮蔽系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[14]取值1.0，滿足標(biāo)準(zhǔn)不小于0.9的要求。

將單個(gè)桿件上的風(fēng)力進(jìn)行求和最終得到結(jié)構(gòu)的總風(fēng)力∑Fm。

1.3.3 立根風(fēng)載計(jì)算

立根風(fēng)載是指排列懸靠在井架二層臺(tái)上的一組立根所承受的風(fēng)載，計(jì)算過程參照井架風(fēng)載計(jì)算式(1)和式(2)進(jìn)行。立根風(fēng)載直接通過二層平臺(tái)作用在井架主體上。其中立根正向來風(fēng)時(shí)承風(fēng)面積計(jì)算公式為：

AL=ndlsinθ

(3)

式中：AL為立根承風(fēng)面積，m2；n為二層臺(tái)每排立根數(shù)目；d為立根外徑，m；l為立根承受風(fēng)載高度，取二層臺(tái)高度，m；θ為立根傾角，(°)。

立根側(cè)向來風(fēng)時(shí)參照公式(3)計(jì)算，側(cè)向時(shí)不需要計(jì)算立根傾角sinθ。

轉(zhuǎn)換公式后參照API Spec 4F中形狀系數(shù)表選取形狀系數(shù)Cs=1.2。

1.4 井架安全性判據(jù)

1.4.1 井架評定方法

根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)，對井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，UC值可作為判定標(biāo)準(zhǔn)判定井架的安全。UC值的判斷標(biāo)準(zhǔn)依靠于美國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)ANSI/AISC 360—16 《鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]。井架設(shè)計(jì)時(shí)按照承受彎曲和軸向應(yīng)力的雙重對稱或單一對稱構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。

(4)

(5)

式中：Pr為在使用LRFD(荷載和阻力系數(shù)設(shè)計(jì))或ASD(容許應(yīng)力設(shè)計(jì))載荷組合時(shí)所需軸向強(qiáng)度，MPa；Pc=Pn/Ωc，為有效的軸向耐壓強(qiáng)度，MPa；Mr為使用ASD載荷組合所需彎曲強(qiáng)度，MPa；Mc=Mn/Ωb，為容許彎曲強(qiáng)度，MPa；Pn為標(biāo)稱耐壓強(qiáng)度，MPa；Mn為標(biāo)稱彎曲強(qiáng)度，MPa；針對ASD設(shè)計(jì)時(shí)取值Ωc、Ωb為1.67。

1.4.2UC值計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的規(guī)定，UC值計(jì)算式為：

(6)

(7)

式中：fa為井架承受設(shè)計(jì)最大鉤載時(shí)，桿件的軸心壓應(yīng)力，MPa；Fa為只有軸心壓應(yīng)力存在時(shí)容許軸心壓應(yīng)力，MPa；；fb為井架承受設(shè)計(jì)最大鉤載時(shí)，桿件的彎曲應(yīng)力，MPa；；Fb為只有彎矩存在時(shí)容許彎曲應(yīng)力，MPa；；Cm為彎曲應(yīng)力影響系數(shù)，對于端部受約束的構(gòu)件，Cm=0.85；Fe′除以安全系數(shù)后的歐拉應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，Pa；lb為彎曲平面內(nèi)的實(shí)際無支撐長度，m；rb為回轉(zhuǎn)半徑，m；k為彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù)。

當(dāng)任一無支撐部分的最大有效長細(xì)比kl/r小于Cc時(shí)，橫截面符合文獻(xiàn)[14]規(guī)定的軸心受壓桿件，其截面上的容許拉壓應(yīng)力Fa計(jì)算式為[15-18]：

(8)

(9)

式中：Fy為桿件材料的最小屈服應(yīng)力，MPa；Cc為區(qū)分彈性和非彈性屈曲的桿件的長細(xì)比。

當(dāng)kl/r大于Cc時(shí)，F(xiàn)a計(jì)算式為：

(10)

2 計(jì)算過程

2.1 建立有限元模型

在井架及底座系統(tǒng)建模時(shí)，在 ANSYS APDL軟件中采用參數(shù)化建模的方式進(jìn)行，由于鉆機(jī)井架結(jié)構(gòu)為桿件，在承受軸向力的同時(shí)承受彎矩的作用，故模擬時(shí)將各桿件模擬為三維梁單元(Beam188單元)。首先定義簡化后結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)位置，并用線條連接各關(guān)鍵點(diǎn)，形成結(jié)構(gòu)線型，后定義不同桿件截面形狀、材料屬性、邊界條件等。H型鋼構(gòu)件如圖2所示。

圖2 H型鋼構(gòu)件Fig.2 H-shaped steel

該桿件為工字鋼。工字鋼能夠承受Z方向的載荷，不能承受X方向的載荷作用，故在有限元建模時(shí)需正確考慮結(jié)構(gòu)中型鋼擺放方向，與實(shí)際結(jié)構(gòu)保持一致，從而保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在載荷施加階段，不同工況下相同作用位置不同載荷只需通過更改命令流中對應(yīng)載荷大小參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。顯示單元形狀的有限元模型如圖3所示。該井架底座模型由698個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和17 198個(gè)單元組成。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 載荷工況計(jì)算組合

鉆機(jī)作業(yè)時(shí)井架及底座系統(tǒng)受到的主要載荷為結(jié)構(gòu)自重、起下鉆柱所受大鉤載荷、作業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)的環(huán)境載荷(在此考慮風(fēng)載)和立根作用在井架上的載荷等。各工況載荷及大小如下所示。

(1)1a作業(yè)工況。包含的基本載荷：結(jié)構(gòu)及附件重力、最大鉤載5 850 kN、立根載荷3 640 kN、16.5 m/s風(fēng)速不同方向的風(fēng)載(按照8個(gè)方向施加)。

(2)1b作業(yè)工況。包含的基本載荷：結(jié)構(gòu)及附件重力、游吊系統(tǒng)載荷、最大轉(zhuǎn)盤載荷5 850 kN、立根載荷3 640 kN、16.5 m/s風(fēng)速不同方向的風(fēng)載(按照8個(gè)方向施加)。

(3)2預(yù)期工況。包含的基本載荷：結(jié)構(gòu)及附件重力、游吊系統(tǒng)載荷、最大轉(zhuǎn)盤載荷5 850 kN、38.6 m/s風(fēng)速不同方向的風(fēng)載(按照8個(gè)方向施加)。

(4)3非預(yù)期工況。包含的基本載荷：結(jié)構(gòu)及附件重力、游吊系統(tǒng)載荷、最大轉(zhuǎn)盤載荷5 850 kN、最大立根載荷3 640 kN、30.7 m/s風(fēng)速不同方向的風(fēng)載(按照8個(gè)方向施加)。

(5)井架起升工況。包含的基本載荷：結(jié)構(gòu)及附件重力1 310 kN，按照起升時(shí)的鋼絲繩分布位置分別計(jì)算、16.5 m/s風(fēng)速(按8個(gè)風(fēng)向風(fēng)載計(jì)算施加)。表1為各工況下風(fēng)載及環(huán)境載荷。

表1 載荷工況Table 1 Load conditions

2.3 計(jì)算方法及參數(shù)設(shè)置

本文對井架進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析時(shí)，考慮結(jié)合非線性屈曲分析方法進(jìn)行，在類似井架高聳設(shè)備中，需要綜合考慮井架的穩(wěn)定性、強(qiáng)度及剛度。本研究在非線性屈曲分析的基礎(chǔ)上模擬井架在含有缺陷及受到外界載荷擾動(dòng)時(shí)的極限穩(wěn)定狀態(tài)，探究井架及底座在失穩(wěn)臨界狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全性。該方式更符合井架結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場作業(yè)狀態(tài)。

非線性屈曲分析比彈性公式提供更高的精度，當(dāng)逐漸增加的微小載荷引起結(jié)構(gòu)較大位移變化時(shí)，結(jié)構(gòu)將趨于不穩(wěn)定狀態(tài)[19]。非線性屈曲分析是一種考慮材料非線性(P-Δ)和幾何非線性(P-δ)、載荷擾動(dòng)、幾何缺陷的靜力學(xué)分析方法。在該計(jì)算方式下使結(jié)構(gòu)達(dá)到承受載荷時(shí)變得不穩(wěn)定狀態(tài)前的極限點(diǎn)，獲得真實(shí)的結(jié)構(gòu)承受的極限載荷，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析結(jié)果提取等效應(yīng)力值和計(jì)算UC值作為判斷井架結(jié)構(gòu)安全性的依據(jù)。為計(jì)算方便，在分析時(shí)使用APDL語言編寫命令流程序，得到井架各工況下的UC值。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)使用直接分析法可知在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)需考慮以下因素：

(1)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的變形，ANSYS軟件在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)已經(jīng)考慮結(jié)構(gòu)的缺陷；

(2)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算需考慮P-Δ和P-δ效應(yīng)，使用ANSYS-APDL軟件時(shí)已考慮到非線性效應(yīng)，調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度即可滿足要求；

(3)考慮結(jié)構(gòu)剛度折減，在軟件設(shè)置時(shí)將剛度縮減至0.8倍。

對于鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，井架頂端受到軸向壓力，底座固定，在進(jìn)行非線性屈曲分析時(shí)，需模擬井架結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)有輕微的橫向變形或受到橫向載荷使井架發(fā)生輕微撓動(dòng)。為模擬結(jié)構(gòu)不完整，在分析時(shí)在井架頂端施加側(cè)向的名義擾動(dòng)載荷[20]。

名義載荷應(yīng)作用在水平方向，名義載荷應(yīng)按照最大的不穩(wěn)定性方向施加，即名義載荷施加方向按照井架最容易發(fā)生撓曲變形的方向施加。

名義載荷大小為：

F=0.002αG

(11)

式中：α為參照設(shè)計(jì)過程中使用的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)取值1.6；G為容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)中的重力載荷(包括附件重力)，N。

按照井架結(jié)構(gòu)自身重力及施加的附件重力進(jìn)行計(jì)算，得到施加在天車梁4個(gè)頂點(diǎn)位置的水平名義載荷值為2 460 N。

3 結(jié)果分析

3.1 1a作業(yè)工況

在結(jié)果提取時(shí)，僅提取井架的等效應(yīng)力值和UC值作為評價(jià)井架強(qiáng)度的主要依據(jù)。其中UC值在軟件中進(jìn)行計(jì)算，通過ANSYS命令流輸入的方式提取井架對應(yīng)的軸向應(yīng)力及彎曲應(yīng)力來計(jì)算，最終結(jié)果以UC值云圖的方式顯示。

按照1a作業(yè)工況的載荷施加情況對結(jié)構(gòu)加載計(jì)算，最大等效應(yīng)力云圖和UC值云圖分別如圖4和圖5所示。在鉆機(jī)按照1a工況作業(yè)時(shí)，分別受到不同方向風(fēng)載，計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 鉆機(jī)作業(yè)工況有限元計(jì)算結(jié)果Table 2 Finite-element-method simulation results of the rig operation conditions

由圖4可知，井架最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在井架的天車梁上，最大等效應(yīng)力值為197 MPa。由圖5可知，對各風(fēng)向UC值進(jìn)行計(jì)算提取，可知當(dāng)風(fēng)載方向?yàn)?0°時(shí)，井架結(jié)構(gòu)UC值最大，值為0.97，出現(xiàn)在天車梁相接位置。由表2可知，鉆機(jī)在受到各風(fēng)向風(fēng)載時(shí)，等效應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，UC值均小于1，表明鉆機(jī)在1a工況下強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 1a作業(yè)工況下最大等效應(yīng)力值Fig.4 Maximum equivalent stress under the 1a operation condition

圖5 1a作業(yè)工況下最大UC值Fig.5 Maximum UC value under the 1a operation condition

3.2 1b作業(yè)工況

在1b作業(yè)工況下，最大等效應(yīng)力云圖及UC值分別如圖6和圖7所示。按照工況載荷情況加載分析，各風(fēng)向風(fēng)載作用下有限元分析結(jié)果見表3。

圖6 1b作業(yè)工況下最大等效應(yīng)力值Fig.6 Maximum equivalent stress under the 1b operation condition

圖7 1b作業(yè)工況下最大UC值Fig.7 Maximum UC value under the 1b operation condition

表3 鉆機(jī)作業(yè)工況有限元計(jì)算結(jié)果Table 3 Finite-element-method simulation results of the rig operation conditions

由圖6可知，當(dāng)井架受到各方向風(fēng)載作用時(shí)，最大等效應(yīng)力值出現(xiàn)在風(fēng)向45°和270°工況下，最大等效應(yīng)力位置在底座轉(zhuǎn)盤梁處。該位置作業(yè)時(shí)安裝轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)，故承受鉆柱的重力作用，最大等效應(yīng)力值為196 MPa。由圖7可知，最大UC值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤梁處，值為0.97。由表3可知，各工況下井架計(jì)算UC值均小于1，且等效應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，表明在1b作業(yè)工況下鉆機(jī)強(qiáng)度滿足要求。

3.3 預(yù)期工況

按照2預(yù)期工況載荷對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載計(jì)算，有限元計(jì)算結(jié)果見表4。最大等效應(yīng)力云圖和UC值云圖分別如圖8和圖9所示。

由圖8可知，鉆機(jī)在受到預(yù)期工況載荷作用下，當(dāng)風(fēng)載方向?yàn)?35°時(shí)，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在底座轉(zhuǎn)盤梁處，最大等效應(yīng)力值為180 MPa。由圖9可知，鉆機(jī)在90°風(fēng)向風(fēng)載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)最大UC值為0.97，位置位于底座轉(zhuǎn)盤梁處。由表4可知，鉆機(jī)各工況下等效應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，且各工況下最大UC值小于1，即鉆機(jī)在預(yù)期工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 預(yù)期工況下最大等效應(yīng)力值Fig.8 Maximum equivalent stress under the expected operation condition

圖9 預(yù)期工況下最大UC值Fig.9 Maximum UC value under the expected operation condition

表4 鉆機(jī)預(yù)期工況有限元計(jì)算結(jié)果Table 4 Finite-element-method simulation results of the expected operation conditions

3.4 非預(yù)期工況

按照3非預(yù)期工況載荷對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載計(jì)算，有限元計(jì)算結(jié)果見表5。最大等效應(yīng)力云圖和UC值云圖分別如圖10和圖11所示。

由圖10可知，鉆機(jī)在受到非預(yù)期工況載荷作用時(shí)，當(dāng)風(fēng)載方向?yàn)?°時(shí)，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)位置在底座轉(zhuǎn)盤梁處，值為183 MPa。由圖11可知，鉆機(jī)在0°風(fēng)向風(fēng)載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)最大UC值為0.97，出現(xiàn)位置位于底座轉(zhuǎn)盤梁處。由表5可知，鉆機(jī)各工況下等效應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，且各工況下最大UC值小于1，即鉆機(jī)在非預(yù)期工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 非預(yù)期工況下最大等效應(yīng)力值Fig.10 Maximum equivalent stress under the unexpected operation condition

圖11 非預(yù)期工況下最大UC值Fig.11 Maximum UC value under the unexpected operation condition

表5 鉆機(jī)非預(yù)期工況有限元計(jì)算結(jié)果Table 5 Finite-element-method simulation results of the unexpected operation conditions

鉆機(jī)井架及底座結(jié)構(gòu)主體材料使用Q355鋼，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸分析，材質(zhì)厚度小于16 mm時(shí)，取材料屈服強(qiáng)度值為355 MPa，按照API設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)取安全系數(shù)為1.67，故按照許用應(yīng)力計(jì)算得[σ]≈212 MPa。

對鉆機(jī)在以上各工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析可知，鉆機(jī)在現(xiàn)場常遇幾種工況下最大等效應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，井架強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需求；當(dāng)鉆機(jī)在1a工況下作業(yè)時(shí)，鉆機(jī)等效應(yīng)力值最大，值為197 MPa，此值雖然較大，但仍小于許用應(yīng)力值。出現(xiàn)較大應(yīng)力值原因?yàn)榇藭r(shí)井架承受最大鉤載，受力點(diǎn)位于井架天車梁上，結(jié)構(gòu)高度較大，易發(fā)生穩(wěn)定性及強(qiáng)度問題，結(jié)合各工況下計(jì)算UC值可得，在所有作業(yè)工況下鉆機(jī)UC值均小于1，表明鉆機(jī)穩(wěn)定性及強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 井架起升工況

井架起升過程中，井架是依靠鋼絲繩的作用使井架直立作業(yè)，計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)以及附件重力和16.45 m/s風(fēng)速、8個(gè)不同風(fēng)向載荷工況，將計(jì)算得到的鋼絲繩作用力對應(yīng)施加在井架相應(yīng)的位置上，計(jì)算模型如圖12所示。

圖12 井架起升計(jì)算模型Fig.12 Calculation model of derrick lifting

井架起升工況計(jì)算結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，在井架起升工況下，井架、人字架結(jié)構(gòu)單元最大UC值為0.96，最大值位于支腿處，UC值小于1，說明在井架起升工況下，井架、人字架綜合強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 井架起升工況構(gòu)件UC值Fig.13 UC values of lifting components of the derrick

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合鉆機(jī)井架及底座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過編寫ANSYS APDL命令流的方式對井架及底座進(jìn)行分析，其中考慮井架中各構(gòu)件實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀及截面方向，為后續(xù)研究分析提供一種更為準(zhǔn)確的建模分析方法。

(2)通過對不同工況及風(fēng)載條件下的ZJ80鉆機(jī)井架及底座系統(tǒng)計(jì)算可知，ZJ80鉆機(jī)井架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的最大UC值均小于1，表明井架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性滿足API規(guī)范要求。

(3)針對作業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)的4種極限工況，其中井架在1a作業(yè)工況(最大鉤載作業(yè))下結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力值最大，最大值出現(xiàn)的位置在天車梁上；其他工況下井架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在底座上轉(zhuǎn)盤梁處。

(4)井架在起升作業(yè)的過程中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需求，作業(yè)過程安全。