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《東華大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第4期

摘要：

為研究焊接節(jié)點(diǎn)的半剛性對(duì)鉆機(jī)井架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響，通過組件法計(jì)算了節(jié)點(diǎn)初始剛度和極限彎矩的理論值．采用雙向變剛度零長(zhǎng)度螺旋彈簧模擬節(jié)點(diǎn)的半剛性，建立了半剛接井架的有限元模型并進(jìn)行了自振特性和諧響應(yīng)分析．與剛接井架對(duì)比表明：節(jié)點(diǎn)的半剛性對(duì)井架結(jié)構(gòu)固有頻率影響顯著，隨著連接節(jié)點(diǎn)剛度的減弱，井架低階固有頻率值呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，而井架側(cè)移和前傾趨勢(shì)則顯著增加，給井架安全帶來一定隱患．

關(guān)鍵詞：

半剛性；井架；動(dòng)態(tài)特性；剛度

隨著陸地深井、超深井和海洋油氣鉆探的迅速發(fā)展，油氣田對(duì)石油井架鋼結(jié)構(gòu)承載性能的要求日益提高．過去幾十年間，研究人員花費(fèi)大量的精力研究鋼結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性等問題，并取得了許多有益的成果．但是根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究者發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的破壞多數(shù)與局部出現(xiàn)損傷、腐蝕、焊接缺陷等因素有關(guān)，較少是由于結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度或剛度的不足而引起的，鋼框架破壞幾乎都是從節(jié)點(diǎn)的破壞開始的．石油井架屬于典型的大承載鋼架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)是由大腿、拉筋等構(gòu)件通過焊接、螺栓連接及銷座耳板連接共3種方式連接而成，其中，焊接是井架結(jié)構(gòu)中主要的節(jié)點(diǎn)連接方式．國(guó)內(nèi)學(xué)者習(xí)慣上將井架各節(jié)點(diǎn)間的連接假定為完全剛性連接或者理想鉸接形式，但實(shí)際上任何剛性連接都具有一定的柔性，而鉸接都具有一定的剛性［1］，井架各節(jié)點(diǎn)間的連接應(yīng)介于這兩者之間，屬于半剛性連接．近年來國(guó)內(nèi)外半剛性研究多集中在平面鋼框架結(jié)構(gòu)，對(duì)空間框架的研究很少，特別是對(duì)承載能力要求較高的石油井架結(jié)構(gòu)，半剛性連接的研究更是寥寥無幾．大型鉆機(jī)井架結(jié)構(gòu)在承載作業(yè)時(shí)，不僅要承受提放鉆具的大鉤載荷，同時(shí)還要承受包括風(fēng)載及鉆機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)載荷等多種載荷的作用［2］．本文對(duì)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與極限彎矩進(jìn)行了理論計(jì)算，以K型鉆機(jī)井架為對(duì)象，研究在動(dòng)載荷的作用下，節(jié)點(diǎn)的半剛性對(duì)井架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響，為客觀評(píng)價(jià)井架結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)提供重要的理論基礎(chǔ)．

1半剛接井架有限元模型

1．1節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度

井架主體由3～5段焊接結(jié)構(gòu)組成，焊接節(jié)點(diǎn)在載荷作用下將承受和傳遞相當(dāng)大的彎矩和剪力．假定彎矩全部通過翼緣焊縫傳遞到立柱上，且梁翼緣焊縫的受力均勻分布．焊接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造如圖1所示．圖1中θ為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角，通過組件法［3］計(jì)算焊接節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度（K），如式（1）所示．K＝11／Kbf＋1／Kcf＋1／Kpz（1）式中：Kbf、Kcf、Kpz分別為梁翼緣焊縫等效剪切剛度、梁翼緣焊縫抗彎剛度及節(jié)點(diǎn)域的初始剛度．Kbf＝VhbΔs（2）Kcf＝EDI＊lw（3）Kpz＝EtcwDc（hb－tfb）2（1＋γ）（4）式中：hb為梁截面的高度；Δs為梁水平位移；V為節(jié)點(diǎn)域處的剪力；I＊為翼緣焊縫慣性矩；lw為翼緣焊縫寬度；Dc為立柱截面高度；tcw為立柱腹板厚度；tfb為梁翼緣厚度；E為鋼材彈性模量；ED為焊縫彈性模量；γ為鋼材泊松比．懸臂梁端部加載彎矩值要在極限彎矩的范圍內(nèi)，極限彎矩公式采用平截面假定原則進(jìn)行計(jì)算，得到平面內(nèi)和平面外梁柱連接節(jié)點(diǎn)的極限彎矩公式如式（5）所示．Mu＝2σsI＊hb（5）式中：Mu為節(jié)點(diǎn)的極限彎矩值；σs為梁翼緣焊縫的屈服強(qiáng)度．

1．2半剛接井架有限元模型

JJ160／41－K型鉆機(jī)井架主體結(jié)構(gòu)由大腿、拉筋和連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，大腿和拉筋均采用BEAM189單元模擬，拉筋端部節(jié)點(diǎn)通過一組具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的螺旋彈簧combin39單元模擬與大腿之間的連接．節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值采用式（1）及焊接節(jié)點(diǎn)有限元模型（如圖2所示）計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，如表1所示，然后將節(jié)點(diǎn)的彎矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線賦予彈簧單元中．令每個(gè)彈簧單元的長(zhǎng)度為零，模擬拉筋與井架大腿之間的雙向扭轉(zhuǎn)，忽略拉筋自身受扭的影響．建立半剛接井架有限元模型如圖3所示．

2半剛接井架自振特性分析

當(dāng)作用在井架上的動(dòng)載荷頻率與井架的某階固有頻率接近或成整數(shù)倍時(shí)，將引起井架結(jié)構(gòu)的共振，這是產(chǎn)生井架倒塌的根本原因［4］．為了研究半剛接節(jié)點(diǎn)對(duì)井架系統(tǒng)各階固有頻率和相應(yīng)振型的影響，利用有限元軟件對(duì)不同連接剛度的井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行自振特性分析．表2給出了不同連接剛度下井架的固有頻率值，其中K0為節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度．由表2可見，JJ160／41－K型井架的基頻是1．51Hz，半剛性連接時(shí)井架各階固有頻率值明顯小于剛性連接，伴隨著連接節(jié)點(diǎn)剛度的減弱，井架低階固有頻率值呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，剛度的降低對(duì)高階頻率值的影響則越來越弱．井架第1階振型如圖4所示．由圖4可見，從低階模態(tài)看，剛接與半剛接井架各階的振型基本一致．在側(cè)向yz平面內(nèi)發(fā)生一定的彎曲振動(dòng)，整體伴有繞y軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，二層臺(tái)位置表現(xiàn)得尤為明顯．

3半剛接井架諧響應(yīng)分析

對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)下對(duì)不同頻率載荷的響應(yīng)特性．當(dāng)鉆機(jī)井架發(fā)生卡鉆事故時(shí)鉤載達(dá)到最大設(shè)計(jì)載荷，若同時(shí)再受到動(dòng)載荷的作用則井架將陷入危險(xiǎn)工況．為了研究此時(shí)井架的動(dòng)態(tài)特性是否能滿足安全要求，將最大鉤載1600kN平均施加在井架頂部的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)兩種連接形式井架施加相同荷載、約束條件，分別獲得剛接與半剛性連接井架前開口頂部節(jié)點(diǎn)x軸方向的位移響應(yīng)曲線如圖5和6所示．井架系統(tǒng)的主振方向?yàn)榍伴_口方向，1．82Hz為井架危險(xiǎn)工況時(shí)的主要共振頻率．由圖5和6可知，當(dāng)達(dá)到共振頻率時(shí)，剛接井架的最大位移為72．021cm，半剛接井架的最大位移達(dá)到91．358cm．圖7給出了不同連接剛度下井架前開口頂點(diǎn)的位移．由圖7可知，在動(dòng)載荷的作用下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度在一定的范圍內(nèi)下降時(shí)，半剛接井架的最大位移響應(yīng)有增大的趨勢(shì)．說明半剛接節(jié)點(diǎn)的存在會(huì)增大井架側(cè)移和前傾趨勢(shì)，在后期振動(dòng)中表現(xiàn)得更加明顯．這是由于半剛接節(jié)點(diǎn)具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，結(jié)構(gòu)具有較好的延性和耗能能力，半剛接井架的塑性變形能力要強(qiáng)于剛性連接井架，將更有利于抵抗動(dòng)載荷的作用［5］，但同時(shí)也使井架穩(wěn)定安全系數(shù)降低，位移的增大易引發(fā)井架失穩(wěn)倒塌事故．當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剛度降到一定值以后，最大位移響應(yīng)又有不斷減小的趨勢(shì)，其共振頻率對(duì)應(yīng)的位移值并不一定大于剛接井架．節(jié)點(diǎn)的剛度變化對(duì)井架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的影響沒有特定的規(guī)律，這與靜力分析中位移與結(jié)構(gòu)的剛度總是成反比不同，動(dòng)力分析中響應(yīng)和剛度關(guān)系更為復(fù)雜［6］．

4有限元模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

井架振動(dòng)測(cè)試儀器由TS3828型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、UT3232S型數(shù)據(jù)采集器、UTekl型軟件包及筆記本電腦組成，分別對(duì)井架進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試和模態(tài)參數(shù)測(cè)試．動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試采用BJ115－10AA型應(yīng)變計(jì)布置在井架每根大腿的上下層兩處位置．共有32個(gè)測(cè)點(diǎn)；模態(tài)測(cè)試采用TS1102／1100型加速度傳感器布置在井架大腿上中下5處位置．井架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及應(yīng)變計(jì)和傳感器的具體布置方案如圖8和9所示．對(duì)井架動(dòng)載測(cè)試得到的多組數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，通過轉(zhuǎn)換得到最大應(yīng)力和應(yīng)變值．為驗(yàn)證半剛接井架有限元模型的準(zhǔn)確性，通過測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元仿真結(jié)果的對(duì)比進(jìn)行判斷．在測(cè)試鉤載為56．84kN下，井架1～8號(hào)大腿處測(cè)試應(yīng)力和模擬應(yīng)力結(jié)果的對(duì)比如表3所示．由表3可知，井架動(dòng)載測(cè)試與仿真試驗(yàn)結(jié)果的擬合相對(duì)誤差均在5％以內(nèi)，從靜力學(xué)方面驗(yàn)證了所建立的半剛接井架有限元模型的準(zhǔn)確性．對(duì)井架進(jìn)行模態(tài)參數(shù)測(cè)試［7］，識(shí)別得到該鉆機(jī)井架的一階固有頻率為1．438Hz，與半剛性連接時(shí)井架一階固有頻率值非常接近，從動(dòng)力學(xué)方面也驗(yàn)證了該井架模型的正確性．振動(dòng)測(cè)試結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，實(shí)際工況下，井架各節(jié)點(diǎn)間處于半剛性連接狀態(tài)，用組件法計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)剛度和極限彎矩值是合理的，模擬井架半剛性連接的方法是可行的，與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)井架結(jié)構(gòu)基本一致．利用半剛接井架有限元模型進(jìn)行的靜、動(dòng)力相關(guān)的計(jì)算，所得的結(jié)論具有一定的參考價(jià)值．

5結(jié)論

（1）半剛性連接分析中，彎矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系最能反映連接變形與荷載之間性能．用螺旋彈簧來模擬節(jié)點(diǎn)柔性對(duì)梁?jiǎn)卧挠绊懀ㄟ^組件法推導(dǎo)了井架大腿與拉筋之間的焊接節(jié)點(diǎn)初始剛度的理論計(jì)算公式，獲得了節(jié)點(diǎn)彎矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系．

（2）通過對(duì)不同連接剛度井架結(jié)構(gòu)的自振特性分析表明，節(jié)點(diǎn)的半剛性對(duì)井架結(jié)構(gòu)的固有頻率影響顯著．隨著節(jié)點(diǎn)剛度的降低，井架結(jié)構(gòu)的低階固有頻率呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，剛度的降低對(duì)高階頻率值的影響則越來越弱．因此，將井架按照剛接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)將造成較大的安全隱患，必需考慮到節(jié)點(diǎn)的柔性對(duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響．

（3）在持續(xù)周期性簡(jiǎn)諧載荷作用下，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度在一定的范圍內(nèi)降低時(shí)，會(huì)增加井架結(jié)構(gòu)的側(cè)移和前傾趨勢(shì)，嚴(yán)重的將引起井架失穩(wěn)倒塌；當(dāng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度降到一定值以后，半剛性連接井架的共振頻率對(duì)應(yīng)的位移值并不一定大于剛接井架．因此對(duì)于鉆機(jī)井架安全評(píng)定時(shí)，焊接節(jié)點(diǎn)半剛性的影響不容忽視，同時(shí)還要考慮動(dòng)載荷的具體種類、激勵(lì)形式、結(jié)構(gòu)本身特性等多重因素的影響，為油田作業(yè)安全生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)．

參考文獻(xiàn)：

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作者:劉冬 鄒龍慶 付海龍 單位:齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 東北石油大學(xué)井架檢測(cè)國(guó)家計(jì)量認(rèn)證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室