结构损伤k井架承载能力研究综述

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1、含结构损伤K型井架承载能力研究综述（）一、前言1．背景我国幅员辽阔，石油资源储量丰富，目前已建成了大庆、胜利、辽河、新疆、四川、长庆、渤海和南海等24个油气生产基地，形成六大油气区[1]。石油工业在我国国民经济中占有很大比重，已成为关系国民经济命脉的生要基础产业。巨大的石油开采规模使人们对石油开采过程中的安全问题倍加重视。石油井架是石油装备中的重要组成部分，为钻井、修井等作业提供支撑保护。一旦发生破坏将造成严重的生命财产损失，还会影响到石油生产，引起更大的难以估计的经济损失。因而合理有效的预报出井架的安全承载极限，对石油工程领域具有重大的理论和现实意义，已成为石油井架安全评定理论所研究的重要

2、内容。本课题就是中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目：在役钻机分级与结构损伤井架安全评定技术研究的一部分。K型井架因为方便拆卸、安装等特点，在国内石油领域应用越来越普遍，对其承载能力研究具有重大的现实意义。2．井架承载研究现状为了保证正常作业，井架结构必须满足强度、刚度及稳定性等方面的力学性能要求。。以往最常用的方法是通过现场测试井架应力，以线性外推法确定井架的极限承载能力。大部分实际井架结构的性态可以恰当地用线性理论来描述，这是因为正常载荷的作用下，大部分井架结构的实际变形很小，常用材料的本构关系可以看成是线性的而不致有显著的误差[2]。然而，线性外推法不能完全满足现实的需要。作业

3、井架在使用过程中，经常出现短期超载使用的现象（如上提管柱时），当井架结构的工作负荷超过其额定载荷时，为了更好的了解结构在荷载作用下的力学行为，就要采用非线性结构有限元方法以井架进行计算。得到井架结构在大荷载作用下实际极限承载能力。研究井架的承载能力，首先必须掌握井架的受力状态、承载能力极限及井架的破坏形式，也即明确荷载作用下井架的内力、变形响应。力学分析方法可为分解析法和数值法[3][4]。解析法是运用材料力学或弹性力学的基本方程求解应力和变形。从理论上讲，弹性力学能解决一切弹性体的应力和应变问题。但是在工程实践中，一般的结构受力情况、边界条件都比较复杂，求出解析解往往是不可能的。实际结构的

4、线性分析也往往是通过对结构本身和加载方式进行大量简化；或是采用数值法进行分析。解析法通常只能对某些简单问题才能求得理论解，而对复杂结构的分析，唯一的途径是应用数值法来求出问题的近似解[5]，数值模拟方法有：有限差分法、边界元法、有限元法和离散元法等[4，6]。井架是由大量连接件而成的大型空间钢结构，其应力、变形都比较复杂，计算工作量大。大量研究表明[][]数值模拟法中的有限元法是研究井架结构最可取的一种方法。随着计算机科学技术的发展及有限元软件功能的日益强大。井架承载能力研究更多的采用了计算辅助工程（CAE）技术，有限元软件（ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADINA、SAP等）在井架

5、计算中的应用也成为学者们交流的重点[7][8][9][10][11]，成为分析研究井架承载能力一个强有力有工具。随着工程上对井架承载能力了解的迫切需要，国内外相关领域的研究飞速发展起来。在国外石油井架了载能力和安全评定[12][13][14]的研究工作一直在进行中。早期的井架安全评定偏重于外观查测、简易诊断和一般处置与预防等三个方面。从检测的内容来看，主要是井架构件的变形、损伤、磨损、腐蚀等，诊断的结论多偏重于定性分析，处理与预防也不够具体。90年代起，国外开始重视井架检测新技术的开发与诊断理论的研究工作，同时申请了《Non-destructiveindustrialconditiontes

6、tprocessfordrillingderricks》[15]和《Testingloadedderrickofrotarydrilling》[16]等多项发明专利。这些专利中包括井架的检测参数、实施的测试技术以及故障诊断理论等，反映了当前井架承载能力研究、井架安全评定理论与应用的新水平。前苏联石油工业安全评定条例中就有规定，一部井架在使用六年后，至少要进行一次全面的检查。比占雪夫石油科学院、全苏石油科学安全技术研究院等单位推荐井架在油田正常工作条件下进行自身检查的办法，以确保井架在钻井作业中的安全[17][18]。美国对在用石油井架的检测、维修、更换及报废也很重视，API4E、4D及4F等

7、钻井井架和修井架的规范中，都给出了在用井架现场外观检测的具体内容和方法。而委内瑞拉的石油公司则要求井架检测公司只对井架的外观进行肉眼目测，对焊口进行超声波探伤[19]。国内石油界在上世纪80年代提出了井架承载能力及其可靠性评定课题，并开始对塔型井架的破坏形式及原因进行探讨[20]。对井架初始缺陷井架的研究开始于90年代初[21]。对井架承载性能的研究大致可以分为以下几种：以强度、稳定性为主的评定理论；以刚度理