结构损伤井架承载能力分析方法研究

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1、石油天然气学报（江汉石油学院学报）２０１０年１０月第３２卷第５期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｊ．ＪＰＩ）Ｏｃｔ．２０１０Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．５·３８５·结构损伤井架承载能力分析方法研究苏一凡（中海石油（中国）有限公司湛江分公司生产部，广东湛江５２４０５７）王孟法（长江大学机械工程学院，湖北荆州４３４０２３）［摘要］目前对损伤井架承载能力研究方法存在一定的局限性，提出一种简便、科学的损伤处理方法———参考应力统一折减法，通过等效分析方法处理损伤缺陷，直接利用有限元软件ＡＮＳＹＳ对结构损伤井架进行承载能力计算。通过现场井架承载能力评定，验证此损伤处理方法正确、简捷

2、。［关键词］损伤井架；承载能力；应力统一折减法；等效分析［中图分类号］ＴＥ９２３［文献标识码］Ａ［文章编号］１０００－９７５２（２０１０）０５－０３８５－０３钻机井架大多数在野外恶劣的环境下作业，而且使用过程中，由于折装、运输、超载和腐蚀等各种因素的影响，井架钢结构杆件、杆件间连接及井架整体都会出现不同程度的损伤缺陷。损伤和缺陷可能引起结构尺寸腕力特征的变化，使井架的钢结构的力学性能与原设计差别较大，导致其承载能力降低。目前对结构损伤井架承载能力的方法有：模糊综合评定法、可靠性分析方法、参考统一折减法、动态参［１，２］考评定方法，但这几种分析方法都有其局限性。针对目前对损伤井架承载能力研

3、究方法存在的不足，笔者提出了一种新的研究方法———参考应力统一折减法。１参考应力统一折减法参考应力统一折减法是以应力等价为基础，统一把结构的损伤等效处理为杆件的截面积减少。可表示成公式：σＡεＡ＝（１）σε式中，σε为井架杆件实测应力值，ＭＰａ；σ为无损伤井架相应杆件有限元计算应力值，ＭＰａ；Ａε为损伤井架杆件的实测截面积，ｍ２；Ａ为等效处理后杆件截面积，ｍ２。１．１井架大腿剥蚀损伤分析井架大腿剥蚀是钻机井架常见的损伤缺陷。图１井架大腿剥蚀前后截面大腿截面剥蚀前、后的各边长如图１所示。原横截面面积为：Ａａ＝２ｂｔ＋（Ｈ－２ｔ）ｄ（２）截面锈蚀后的截面积为：Ａｄ＝２ｂ′ｔ′＋（Ｈ′－２ｔ′

4、）ｄ′（３）对于井架大腿剥蚀损伤缺陷，等效为直接减少结构剥蚀边深度即可。［收稿日期］２０１０－０７－１６［作者简介］苏一凡（１９６３－），男，２００３年大学毕业，硕士，工程师，现主要从事钻修井设备技术管理工作。·３８６·石油天然气学报（江汉石油学院学报）２０１０年１０月１．２杆件初始弯曲的等效处理设杆件初始弯曲如图２所示，其中Ｆ为杆件所受轴力，ｆ０为现场测得的初始弯曲矢高，ｌ为杆长，假设初始弯曲形式为：ｙπｘπｘ（４）０＝ｆ０ｓｉｎ＝Ｃｌｓｉｎｌｌ图２杆件弯曲示意图式中，Ｃ＝ｆ０／ｌ为初始弯曲矢高与杆长ｌ之比；ｘ为距杆件端点的距离，ｍ。当井架大腿受到轴力Ｆ作用后，其弯曲形式变为：ｙ＝Ｃｌ

5、ｓｉｎπｘ（５）１－αｌ２Ｆσλα＝２＝２（６）πＥＩπＥ２ｌ式中，σ为正应力，ＭＰａ；Ｅ为弹性模量，ＧＰａ；Ｉ为截面惯性矩，ｍ４；λ为杆件长细比。杆件受力后，由于变形增大而产生的杆件轴向缩短为：ｌ２ｌ２１ｄｙ１ｄｙ０δｗ＝ｄｘ－ｄｘ２∫０（）ｄｘ２∫０（ｄｘ）ｌ２ｌ２＝１Ｃπｃｏｓ２πｘｄｘ－１（）Ｃπ２ｃｏｓ２πｘｄｘ＝Ｃπｌα（２－α）（７）２２∫０（１－α）ｌ２∫０ｌ４（１－α）由轴力引起的轴向缩短为：ＦｌδＮ＝（８）ＥＡ因此受到轴力Ｆ作用后，杆件实际的轴向缩短为：２ＦｌＣπｌα（２－α）δ＝δＮ＋δｗ＝＋２（９）ＥＡ４（１－α）Ｆｌ引入轴向刚度折减系数φ，即：δ＝。则：φＥＡＦ

6、ｌＦｌＦｌ１φ＝＝＝２２＝２２（２－α）（１０）ＥＡδＥＡ（δＮ＋δｗ）ＦｌＣπｌα（２－α）ＣλＥＡ＋２１＋２［ＥＡ４（１－α）］４（１－α）ｌ其中，λ＝槡，ｒ为截面回转半径，ｍ。ｒ这样，通过杆件截面的折减，可以反映初弯曲对井架杆件强度和刚度的综合影响。２现场井架承载能力评定与验证利用动态参数评定法对某油田１台４０００ｍ钻机Ｋ型井架进行承载能力评定，首先测定井架空载时［３］井架固有频率为１．１９８９Ｈｚ，钩载为６４０ｋＮ时测定井架固有频率为１．１１６０Ｈｚ，利用动态参数评定公２ｆ０式ＰＥ＝２２，评定井架承载能力为４５９３ｋＮ（此值为没有考虑载荷折减系数的理论值），对此井架ｆ０－ｆｉ进行

7、损伤缺陷检测，结果为大腿下段有深度为１．５３ｍｍ剥蚀。利用所研究的等效分析方法处理损伤缺陷，在２２５０ｋＮ钩载作用下，进行有限元静力分析得应力等值分布云图３，可推知井架静态最大钩载为４６６４ｋＮ；对井架进行屈曲分析求其最优值为２．０５６，根据公式｛Ｐ｝ｃｒ＝｛Ｐ｝×λｃｒ，求得井架临界承载能力为４６２６ｋＮ。故可评定井架承载能力为４６２６ｋＮ。对比发现此２种方法评定的结果仅相差０．７％，误差较小，证明该分析方法合理正确。第３２卷第５