（安全技術(shù)及工程專業(yè)論文）石油井架的動(dòng)態(tài)測(cè)試研究.pdf

a b s t r a c t t h ed y n a m i c t e s t i n gr e s e a r c hf o r o i ld e r r i c k a b s t r a c t t h i sp a p e ri sap a r to fc h i n an a t i o n a lp e t r o l e u mc o r p o r a t i o ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dt e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n tp r o j e c t s t h et i t l eo ft h i sp r o j e c ti st h es a f e t ye v a l u a t i o nm e t h o do fd r i l l i n gr i gi nu s et h e s t u d yf o c u s e so nd y n a m i ct e s ta n de v a l u a t i o nm e t h o d sa b o u tt h eb e a r i n gc a p a c t r yo ft h ed e r r i c ki no s e b a s e0 1 7 1t h ev i b r a t i o na n a l y s i st h e o r yc o m b i n i n gf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n dd y n a m i ct e s t i n go ft h el a b d e r r i c km o d e l am e t h o di sp r e s e n t e da b o u te v a l u a t i n gt h es a f e t yb e a r i n gc a p a c i t yo fd e r r i c kw i t ht h e d y n a m i c a lp a r a m e t e r1 1 1 i sm e t h o dc a nr e f l e c tt h ea c t u a ip e r f o r m a n c eo ft h eo v e r a l ld e r r i c ks t r u c t u r ea n d m e nc a r r yo u tt h es a f e t ye v a l u a t i o nt od e r r i c ks c i e n t i f i c a l l y b a s eo nt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n dl o a d i n gf e a t u r eo n 出ed e r r i c k d e r r i c ks t r u c t u r e1 sf i r s t r e d u c e das i m p l eb e a mw i t hu n i f o r m l yd i s t r i b u t e dq u a l i t ya n dc o n s t a n t l yr i g i d i t ya l o n gt h el e n g t hi nt h i s p a p e ra p p l i n gt h ea n a l y s i so fv i b r a t i o nt ot h ed e r r i c ks t r u c t u r es i m p l em o d e l t h er e l a t i o n s h i pi sd e d u c e d b e t w e e n 出e1 0 a d so nt h ed e r r i c ks t r u c t u r ea n dd y n a m i c a lp a r a m e t e r a n ds ot oe v a l u a t ed e i t i c ks a f e t y b e a r i n gc a p a c i t yw i t hd y n a m i cp a r a m e t e r si sp r o v e dr e a s o n a b l ef r o mt h e o r 3 i nf e m a 1 a l y s i s t h ea n s y ss o m v a r ei sf i r s td e v e l o p e da r e ri t t h em e m b e rb a r sa r es m a p l i f i e dt h e t h r e e d i m e n s i o n a lb e a me l e m e n t sb a s eo nt h ec o m p o s i t i o n so fa c t u a ld e r r i c ks t r u c t u r et h ec o m p u t e r n u m e r l e a lm o d e li se s t a b l i s h e da n da p p l i e dt oa r i a l y z et h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd e r r i c ks t r u c t u r e t h ev i b r a t i o nm e d ea n dt h er e l a t i o n s l l i pb e t w e e nt h el o a d sa c t i n go nt h ed e r r i c ks t r u c t u r ea n dd y n a m i c a l p a r a m e t e ra r ec a l c u l a t e di nt h em e a s u r ea n a l y s i s b a s eo nt h ed a s pa n a l y s i sp l a t f o r m t h el a bd e r r i c k m o d e la n dt h ed e r r i c ki nu s ea r et e s t e db yh i g h c a p a c i t yd a t aa c q u i s i t i o nd y n a m i ct e s t i n gs y s t e mt h ed a t a m e a s u r e dr e f l e c t e dt h er e l a t i o n s l l i pb e t w e e nt h e1 0 a da c t i n go nt h ed e r r i c ks t r u c t u r ea n dd y n a m i c a l p a r a m e t e rr e a l l y s ot o e v a l u a t ed e r r i e ks a f e t yb e a r i n gc a p a c 時(shí)w i t hd y n a m i cp a r a m e t e r si sp r o v e d p r a c t i c a b i l i t yf r o mf e ma n a l y s i sa n dt e s ta n a l y s i s f i n a l l y i nv i e wo ft h ea n a l y s i sa b o v ea n dt h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h eo i l f i e l d ad y n a m i c a lp a r a m e t e r e v a l u a t i o nm e t h o di sp r o v i d e da p p l y i n gt ot h ed e r r i c kt e s t i n gi nt h ed e r r i c kt e s t i n g t h en a t u r a lf r e q u e n c y i sm e a s u r e dw i t h o u ta n dw i t h1 0 a do f t h ed e r r i c k 1 1 1 es a f e t yb e a r i n gc a p a c i t yl sc a l c u l a t e db a s e0 1 1t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el o a d so nt h ed e r r i c ks t r u c t u r ea n dd y n a m i c a lp a r a m e t e rs a f e t ye v a l u a t i o ni s c a r r i e do nt h ea s h a p e de n dk d e r r i c ki nu s eb yt h i sm e t h o dt h ee v a l u a t i o nr e s u l tl ss c i e n t i t i ca n dr e l i a b l e i tt r u l yr e f l e c t e dt h ea c t u a lc a p a c i t yo f t h ed e r r i c ki nu s e k e y w o r d s o i ld e r d c kb e a r i n gc a p a c i t yd y n a m i cp a r a m e t e r s v i b r a t i o na n a l y s i s e v a l u a t i o nt h e o r y 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文 一 第一章緒論 石油井架是石油裝備的熏要組成部分 目前對(duì)在用井架最常用的安全評(píng)定方法是通 過測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)井架應(yīng)力狀況 以線性外推的方法確定井架的承載能力 但由于應(yīng)力應(yīng)變測(cè) 試方法測(cè)試數(shù)據(jù)不夠全面 測(cè)試任務(wù)也較重 因而適當(dāng)?shù)販p輕測(cè)試任務(wù)同時(shí)又能全面地 反映井架的實(shí)際工作性能 進(jìn)而合理地評(píng)定井架的安全承載能力 已成為石油井架安全 評(píng)定工作的重要內(nèi)容 i 1 課題背景 本文為中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目 在役鉆機(jī)安全評(píng)定方法 一在役鉆探用井架安全評(píng)定方法 中的部分研究?jī)?nèi)容 研究工作主要集中于在用井架安 全承載能力的動(dòng)態(tài)測(cè)試與評(píng)定方法研究 1 2 石油井架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 目前 我國(guó)在用的井架有1 0 0 0 多部 其中以塔形 a 形 k 形和桅形 四種結(jié)構(gòu)形 式的井架使用較多 結(jié)構(gòu)形式如圖1 1 所示 這幾種井架形式無論是其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2 1 3 1 還是材料的選用 破壞形式及設(shè)計(jì)校核方法等均不相同 各有其特點(diǎn) 因而分析 時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待 f a a 形 b k 形 c 塔形 d 桅形 圖1 1 四種井架形式 f i g1 1f o u r k i n d s o f d e r r i c k f o r m s 塔形井架是一種橫截面為正方形或矩形的四棱截錐體的空間結(jié)構(gòu) 整個(gè)井架是由許 多單一構(gòu)件用螺栓連接而成的非整體結(jié)構(gòu) 即可拆結(jié)構(gòu) 本世紀(jì)四十年代以前 世界 各國(guó)幾乎全部采用這種井架形式 四十年代后 因其安裝和搬遷工作量大 高空作業(yè)危 第一蘋緒論 險(xiǎn)性大 在陸地井架中 已趨于淘汰此種類型井架 但由于塔形井架總體穩(wěn)定性好 承 載能力大 在海洋鉆井中 它仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì) a 形井架是由兩個(gè)等截面的空間桿件結(jié)構(gòu)或柱殼結(jié)構(gòu)的大腿靠天車臺(tái)與井架上部 的附加桿件和二層臺(tái)連接成 a 字形的空間結(jié)構(gòu) 每條大腿又由若干段焊接結(jié)構(gòu)用螺 栓連接成整體結(jié)構(gòu) 由于a 形井架主要是靠?jī)蓚€(gè)大腿承載 工作載荷在大腿中的分布更 均勻 材料的利用更加合理 加上大腿是封閉的整體結(jié)構(gòu) 所以其承載能力和穩(wěn)定性都 較好 但總體穩(wěn)定性尚不夠理想 k 形井架截面呈n 形 即 前面敞開 或大部分敞開 兩側(cè)分片或塊焊成若干段 背部為桁架體系 各段及桿件間用銷子或螺栓連接 k 形井架熬體剛性好 制作成本低 拆裝迅速 方便 安全 這種井架形式在我國(guó)發(fā)展較快 而國(guó)外也主要采用此種井架結(jié) 構(gòu)形式 桅形井架是由一段或j l 段格構(gòu)式柱或管柱式大腿組成的空間結(jié)構(gòu) 它在工作時(shí)多向 井口方向傾斜 一般為3 8 因此繃?yán)K成為桅形井架不可缺少的基本支承 以此來 保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 桅形井架主要作為車裝鉆機(jī)井架和修井機(jī)井架 井架所用材料大多數(shù)為高強(qiáng)度低合金鋼 國(guó)外井架材料的屈服極限為3 4 5 m p a 我 國(guó)一般用1 6 m n 鋼材 強(qiáng)度與之相當(dāng) 有時(shí)也采用q 2 3 5 鋼材 井架構(gòu)件的截面形狀依 井架結(jié)構(gòu)形式而有所不同 a 形井架常用圓管截面 立柱截面大些 直徑一般在 1 5 0 3 0 0 r n m 之間 橫桿和斜桿直徑較小 一般在1 0 0 m m 以內(nèi) 在井架大腿的每一段內(nèi) 各管狀構(gòu)件通過焊接形成管節(jié)點(diǎn)連成一個(gè)整體 段與段的立柱之間一般用銷子相連 k 形井架構(gòu)件采用工字鋼和角鋼 作為主要承載構(gòu)件的工字鋼截面寬度可在2 5 0 3 0 0 m m 之間 立柱與橫 斜桿之間可以螺栓連接也可采用焊接 塔形井架構(gòu)件截面亦多為工字 鋼 槽鋼或角鋼 一般都采用螺栓連接 井架結(jié)構(gòu)的載荷情況比較簡(jiǎn)單 主要是鉆井過程中用于安放和懸掛游動(dòng)系統(tǒng)及鉆柱 的大鉤 通過滑輪組將其所承擔(dān)的載荷作用于井架頂部 此外還有井架自重和風(fēng)載荷 相對(duì)于大鉤載荷來說 后兩項(xiàng)對(duì)井架結(jié)構(gòu)的影響較小 在分析井架時(shí) 通常將大鉤載荷 簡(jiǎn)化為作用于頂部四個(gè)節(jié)點(diǎn)的集中載荷 自重載荷認(rèn)為均勻分布于井架整個(gè)高度 也可 以簡(jiǎn)化為集中載荷作用于井架頂點(diǎn) 風(fēng)載荷需要根據(jù)結(jié)構(gòu)具體形式 截面種類及井架高 度 通過風(fēng)荷載計(jì)算公式 4 算得 對(duì)井架進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加載測(cè)試時(shí) 一般要求風(fēng)速小于8 3 m s 這時(shí)可不考慮風(fēng)載荷影響p i 1 3 石油井架承載性畿研究狀況 一般地 井架結(jié)構(gòu)應(yīng)被視為空間剛架結(jié)構(gòu) 其整體極限狀態(tài)主要有兩類 一類是強(qiáng) 度極限狀態(tài) 另一類是穩(wěn)定極限狀態(tài) 根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn) 井架結(jié)構(gòu)的極限承載力是受 穩(wěn)定控制的 通過本院井架檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室在近幾年測(cè)試的鉆機(jī)井架荷載效應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析 在 正常服務(wù)范圍內(nèi)井架結(jié)構(gòu)是不存在強(qiáng)度問題的 此外 對(duì)井架結(jié)構(gòu)破壞形式的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查 表明 a 形井架最常見的破壞形式為 因某根大腿受損嚴(yán)重而導(dǎo)致井架大腿失穩(wěn) 然后 井架整體倒塌破壞 而塔形井架的主要破壞形式為井架主弦桿失穩(wěn) 經(jīng)過準(zhǔn)確的加工制造后 剛開始投入使用的井架結(jié)構(gòu)可被近似視為處于理想狀態(tài) 由于進(jìn)行了靜強(qiáng)度校核和穩(wěn)定驗(yàn)算 其極限承載力一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用荷載 人們不必 擔(dān)心這些井架的安全性 研究人員真正所關(guān)心的 是大量處于長(zhǎng)期使用以后 其實(shí)際狀 態(tài)已經(jīng)與設(shè)計(jì)制造初的理想狀態(tài)相去甚遠(yuǎn)的井架結(jié)構(gòu) 特殊的工作環(huán)境 使得井架經(jīng)常 面臨拆卸 移動(dòng) 銹蝕和偶然沖撞等外部作用 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種損傷和缺陷 這樣 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文 大大降低了在用井架結(jié)構(gòu)的承載能力 6 1 出于經(jīng)濟(jì)上的考慮 人們不可能讓那些產(chǎn)生了一定程度損傷和缺陷的在用井架立即 報(bào)廢 停止使用 而是希望能夠充分利用它們現(xiàn)有的承載能力 能繼續(xù)使用的繼續(xù)使用 不能再承擔(dān)設(shè)計(jì)載荷但可承擔(dān)較低載荷繼續(xù)使用的讓其降級(jí)使用 已經(jīng)沒有使用價(jià)值的 損傷嚴(yán)重井架才讓其報(bào)廢 這便是現(xiàn)在石油鉆井工業(yè)中面臨的一項(xiàng)重要工作一在用井架 的安全性評(píng)定 而安全性評(píng)定 7 h 8 j 工作中的首要問題是怎樣來確定這些在用井架的安全 承載能力 早期國(guó)外對(duì)井架的安全評(píng)定 9 1 1 偏重于外觀查測(cè) 簡(jiǎn)易診斷和一般處置與預(yù)防等三 個(gè)方面 從查測(cè)的內(nèi)容來看 主要是井架構(gòu)件的變形 損傷 磨損 腐蝕等 診斷的結(jié) 論多偏重于定性分析 處理與預(yù)防也不夠具體 九十年代起 國(guó)外開始重視井架檢測(cè)新 技術(shù)的開發(fā)與診斷理論的研究工作 發(fā)表了多篇研究論文 同時(shí)申請(qǐng)了 n o n d e s t r u c t i v e i n d u s t r i a lc o n d i t i o nt e s t p r o c e s s f o rd r i l l i n g d e r r i c k s l 和 t e s t i n g l o a d e d d e 州c ko fr o t a r yd r i l l i n g 1 1 2 1 等多項(xiàng)發(fā)明專利 這些專利中包括井架的查溯參數(shù) 實(shí)施的測(cè)試技術(shù)以及故障診斷理論等 反映了當(dāng)前井架安全評(píng)定理論與應(yīng)用研究的新水 平 而國(guó)內(nèi)對(duì)評(píng)定理論的研究目前大致可以分為以下幾種 即以強(qiáng)度 穩(wěn)定理論為主的 評(píng)定理論 以剛度理論為主的評(píng)定理論1 13 1 可靠性評(píng)定理論 1 4 及模糊評(píng)定理論 1 6 1 等 由于井架結(jié)構(gòu)本身是復(fù)雜的空間剛架或桁架結(jié)構(gòu) 其缺陷特征又復(fù)雜多樣 目前還無法 給出精確評(píng)定結(jié)果的辦法 工程上的實(shí)際做法是通過井架現(xiàn)場(chǎng)承載試驗(yàn) 測(cè)量井架主要 稈件的應(yīng)力 位移等 以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ) 根據(jù)安全評(píng)定理論以線性外推的方法確 定在用井架的安全承載能力 由于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性是結(jié)構(gòu)的固有特性 結(jié)構(gòu)的損傷必然引起結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變化 進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)試驗(yàn)獲取的模態(tài)參數(shù)的變化 如果恰當(dāng)?shù)墓烙?jì)出這些變化 就能給結(jié)構(gòu)損 傷狀態(tài)的評(píng)估提供一個(gè)量化的測(cè)量方法 l 利用動(dòng)態(tài)測(cè)試方法對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力檢測(cè) 的基礎(chǔ)就是從井架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù) 頻率 振型 阻尼等 的變化中估計(jì)井架結(jié)構(gòu)物理參 數(shù) 主要為剛度參數(shù) 的變化 進(jìn)而評(píng)定井架結(jié)構(gòu)的承載性能 這也是井架安全評(píng)定理 論未來發(fā)展的新方向 1 4 本研究的意義及應(yīng)用價(jià)值 在用井架大多數(shù)處于野外惡劣環(huán)境之下 且使用多年 井架在使用過程中經(jīng)常面臨 拆卸 安裝 移動(dòng) 銹蝕和偶然沖撞等外部作用 使得并架不同程度地存在著各種各樣 的損傷和缺陷 l8 1 這些初始缺陷的存在大大降低了井架的承載能力 給鉆井安全作業(yè)帶 來潛在的事故隱患 因而合理地預(yù)報(bào)出井架安全承載力 為井架安全作業(yè)提供可靠的依 據(jù)是目前石油井架安全評(píng)定工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容 目前工程上最常用的做法是以現(xiàn)場(chǎng)承載試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試為主 輔以結(jié)構(gòu)變形測(cè) 量 腐蝕測(cè)厚 焊縫探傷等一套綜合測(cè)試方法來評(píng)定井架結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力 本文旨 在探討運(yùn)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法 1 9 2 0 l 來分析井架結(jié)構(gòu)承載能力與其動(dòng)態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系 并研究用動(dòng)態(tài)參數(shù)來評(píng)定井架安全承載能力的方法 它對(duì)手豐富 發(fā)展和完善井架安全 評(píng)定理論具有重大意義 此課題的研究可以使作業(yè)人員提前預(yù)知井架結(jié)構(gòu)的安全系數(shù) 把握井架結(jié)構(gòu)的承載 性能 了解井架結(jié)構(gòu)的破壞倒塌形式 發(fā)現(xiàn)井架結(jié)構(gòu)中的薄弱部位 并對(duì)此提出整改意 見 同時(shí) 井架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試安全性好 測(cè)試工作量少 測(cè)試費(fèi)用低 并且它還 蘭二蘭竺蘭 能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控 隨時(shí)對(duì)井場(chǎng)中的突發(fā)事件做出反映 最大限度地避免事故隱患的發(fā)生 1 5 本課題所要研究的內(nèi)容 本課題的基本思想是 對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化 應(yīng)用振動(dòng)分析理論 2 2 2 1 對(duì)井架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 化模型進(jìn)行分析 建立井架結(jié)構(gòu)承載能力與其動(dòng)態(tài)參數(shù) f 2 4 1 之間的關(guān)系 并應(yīng)用有限 元分析方法 2 6 1 以及實(shí)驗(yàn)室井架模型的動(dòng)態(tài)測(cè)試 驗(yàn)證其正確性 在此基礎(chǔ)上 提出 動(dòng)態(tài)參數(shù)評(píng)定井架安全承載能力的新方法 并依據(jù)此方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)在用井架進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試 及安全評(píng)定 基本思路框圖如圖l 2 所示 圖1 2 主要研究?jī)?nèi)容基本漉程圖 f i g1 2f l o wc h a r tf o r t h em a i nc o n t e n t 就結(jié)構(gòu)分析而言 目前可用于有限元分析的軟件已相當(dāng)豐富 如a l g o r 2 i d e a s 2 8 a n s y s 2 9 1 1 3 0 等 其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力可以在有限的時(shí)間內(nèi)提供準(zhǔn)確 快 速的計(jì)算結(jié)果 利用圖形界面進(jìn)行前后處理也比較方便 另一方面隨著測(cè)試技術(shù) 3 1 1 水平 的4 i 斷提高 動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器的不斷發(fā)展 數(shù)據(jù)采集與信號(hào)分析 z 1 手段的逐步更新與完善 都為本課題的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了極為有利的條件 本課題研究的主要內(nèi)眷包括四方面 石油井架振動(dòng)分析 石油井架有限元分析 石 油井架動(dòng)態(tài)測(cè)試分析以及石油井架安全評(píng)定理論 第一部分主要是應(yīng)用振動(dòng)分析理論建立井架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)與其承載能力之間的關(guān) 系 根據(jù)井架的結(jié)構(gòu)特性及變形特點(diǎn) 引入折算長(zhǎng)度的概念 將井架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為沿長(zhǎng)度 上質(zhì)量均勻分布 剛度恒定的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu) 并對(duì)它進(jìn)行振動(dòng)分析 得出井架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參 數(shù) 固有頻率 與其承載能力之間的關(guān)系 這是本課題研究的理論基礎(chǔ) 第二部分用有限元分析方法驗(yàn)證井架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)與其承載能力之間的關(guān)系 在這 一部分當(dāng)中 主要是利用有限元分析軟件a n s y s 對(duì)各種井架類型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析 具體做法是將井架各桿件簡(jiǎn)化為空間粱單元 建立各種類型井架結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文 型 這些模型能夠反映井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 支座條件 受力特征等 并假定井架結(jié)構(gòu)是理 想的 驗(yàn)證其動(dòng)態(tài)參數(shù)與井架承載能力之間的關(guān)系 由于實(shí)際井架或多或少地存在著各 種各樣的損傷和缺陷 本部分還將初始缺陷引入到計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中 考慮初始缺陷 的存在對(duì)井架結(jié)構(gòu)承載能力的影響 第三部分主要研究井架動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù) 首先介紹了動(dòng)態(tài)測(cè)試基本理論 從傳感器 信號(hào)放大器的選用到數(shù)據(jù)采集 信號(hào)處理等都作r 討論 并在信號(hào)分析中引入d a s p 軟 件 使井架測(cè)試技術(shù)更加完善 基于井架實(shí)際作業(yè)工況 使用大容量動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集 分析系統(tǒng) 用以滿足井架現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試的要求 進(jìn)而得到接近井架實(shí)際狀態(tài)的信號(hào)反應(yīng) 對(duì)實(shí)驗(yàn)室井架模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試分析 驗(yàn)證動(dòng)態(tài)參數(shù)評(píng)定方法的可行性 并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng) 在用井架實(shí)地檢測(cè)中 在本文的最后一部分主要探討了石油井架安全評(píng)定理論 考慮到在用井架結(jié)構(gòu)存在 初始缺陷的實(shí)際狀況 首先對(duì)在用井架的損傷和缺陷進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述 并分析1 r 各種含損 傷和缺陷石油井架承載力的分析方法 提出以井架動(dòng)態(tài)參數(shù)來評(píng)定并架承載能力的新方 法 即測(cè)試井架在零載和有載工況下的固有頻率 計(jì)算在用井架臨界承載力 進(jìn)而推出 井架安全承載力 并應(yīng)用此方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)在用井架進(jìn)彳亍安全評(píng)定 論文最后對(duì)所做工作及研究成果進(jìn)行概括性總結(jié) 第二章石油井架振動(dòng)分析 第二章石油井架振動(dòng)分析 目前油田上使用的各種類型井架 絕大多數(shù)都是由單根構(gòu)件用螺栓或焊接聯(lián)結(jié)而成 的空腹組合結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明 由于長(zhǎng)期使用 井架中各構(gòu)件 構(gòu)件間連接及井架整 體都有不同程度的損傷和缺陷 不能達(dá)到井架原設(shè)計(jì)時(shí)的承載能力 為了保證井架安全 工作 一些單位普遍采用應(yīng)力 應(yīng)變測(cè)試為主 輔以結(jié)構(gòu)變形測(cè)量 腐蝕測(cè)厚 焊縫探 傷等一套綜合測(cè)試方法來評(píng)定井架實(shí)際承載能力 本文試圖通過振動(dòng)分析理論來研究井 架結(jié)構(gòu)作用載荷與其振動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系 以期通過這項(xiàng)工作對(duì)今后井架的測(cè)試與評(píng)定 起到積極推動(dòng)作用 2 1 井架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 井架結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 形式也是多種多樣 要想完全按照其實(shí)際結(jié)構(gòu)和工況進(jìn)行精確 計(jì)算往往是不可能和不必要的 因此 就必須擬出一個(gè)經(jīng)過臺(tái)理簡(jiǎn)化的計(jì)算模型來代替 井架的實(shí)際結(jié)構(gòu)及其受力狀態(tài) 以此作為計(jì)算的基本依據(jù) 2 11 塔形井架計(jì)算模型 塔形井架是由四扇或三扇 k 形井架 平面桁架所組成的空間桁架 如圖2 1 a 所示 井架承受軸向載荷為大鉤載荷 其荷載作用因轉(zhuǎn)盤限制 在井架變形過程中始終通過作用 點(diǎn) 天車中心 指向轉(zhuǎn)盤中心 井架下底中心 井架軸線彈性變形的曲線與正弦曲線相 似 如圖2 1 b 所示 因此 塔形井架計(jì)算模型可折算成兩端鉸支的簡(jiǎn)支梁 圖2 1 c 所示 a b d 圖2 1 塔形井架計(jì)算簡(jiǎn)圖 f i g2 1t h ec o m p u t a t i o nm o d e lo f t o w e r s h a p e dd e r r i c k 2 1 2a 形井架計(jì)算模型 a 形井架由兩個(gè)等截面的空間桿件結(jié)構(gòu) 格構(gòu)式 大腿靠天車臺(tái)與井架上部的連結(jié) 6 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文 架和二層臺(tái)連接成 a 字形空間結(jié)構(gòu) 如圖2 2 a 所示 對(duì)于井架正面 即井架兩大 腿所構(gòu)成的主平面 因井架頂部天車梁和附加桿件的連接剛性較大 而中部的 二層臺(tái) 對(duì)井架大腿的變形存在約束作用 由試驗(yàn)研究表明 在軸向載荷作用下 井架項(xiàng)部在井 架正面的側(cè)移很小 可忽略 而整個(gè)井架的變形狀態(tài)為反對(duì)稱形式 即兩大腿都朝同一 個(gè)方向發(fā)生變形 如圖2 2 b 所示 因而可取出一個(gè)大腿 把它看作是一個(gè)獨(dú)立的兩端 鉸支的簡(jiǎn)支梁 如圖2 2 c 所示 a b c j 圖2 2a 形井架計(jì)算簡(jiǎn)圖 f i g2 2t h ec o m p u t a t i o nm o d e lo f a s h a p e d d e r r i c k 通過對(duì)以上井架結(jié)構(gòu)的分析 井架總體特征基本上可歸納為以下三方面 1 井架結(jié)構(gòu)的基本形式是中心受壓的空腹組合桿 2 并架結(jié)構(gòu)橫截面的剛度沿軸向不變或按指數(shù)規(guī)律連續(xù)變化 3 井架支座形式簡(jiǎn)化為兩端鉸支的簡(jiǎn)支梁 對(duì)于上述井架結(jié)構(gòu)總體特征 可根據(jù)穩(wěn)定等效的原理 引入折算長(zhǎng)度如的概念 即將變剛度 鉸支座及空腹組合桿的井架結(jié)構(gòu)折算成一根沿長(zhǎng)度上質(zhì)量均勻分布 剮度 恒定的簡(jiǎn)支梁 l 2 如 f 2 1 式中l(wèi) z 折算長(zhǎng)度 如 折算長(zhǎng)細(xì)比 f 回轉(zhuǎn)半徑 2 2 振動(dòng)分析理論 如果簡(jiǎn)支梁在兩端軸向力p 作用下作自由振動(dòng) 則微段d x 上所受的力有剪切力 q 彎矩呱置f 和軸向力p 的作用 如圖2 3 所示 于是微段在y 方向的運(yùn)動(dòng)方程 為 1 第二章石油井架振動(dòng)分析 象一 e l 窘 p 窘 硝摯 2 2 8 梁 b 微元 圖2 3 受軸向力的粱及微段受力分析圖 f i g 2 3t h el o a da n a l y s i sd i a g r a mo f b e a ma n de l e m e n t 設(shè)式 2 2 的解為 y x f j 功s i n c o d 妒 2 3 將式 2 3 代入式 2 2 得 c l x 2 e 1 割 p 警一磚 沼a 對(duì)于等截面粱 e i 為常數(shù) 并設(shè) j 茜 i 4 t o n 2 囂 代入式 2 4 得 l l 設(shè)式 2 5 的解為 將式 2 6 代式 2 5 入 窘 器卅 y z e 得特征方程為 凳 8 2 聹一k 4 0 2 5 2 6 2 7 式 2 7 的解為 矛一譬 j 等彬一面p f fp 簪 池s 于是 式 2 5 的解為 y x a s i n 厶x b c o s x c s i n h 2 2 x d c o s h 如工 2 9 式中 卜償 j 等 k 掙 j 等彬 2 1 0 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文 根據(jù)簡(jiǎn)支梁的邊界條件 隹嬲i嵩赫 2 11 lv l 0 石 z z o y l z 將式 2 1 1 代入式 2 9 及其二次導(dǎo)數(shù)后 代入式 2 1 1 邊界條件 得 b d 0 加i n 2 h l z c s i 曲五 z 枷 2 1 2 l 一4 s i n 五z c 如2s i n h h e z 0 若求a c 的非零解 式 2 1 2 中a 和c 的系數(shù)行列式應(yīng)等于零 即頻率方程為 2 如2 s i n l zs i n h 也三z 0 2 1 3 因 五和s h 2 h l 均不為零 故 s i n 三z 0 2 1 4 或 r 石 2 l z 由式 2 1 0 和 2 1 5 可解出簡(jiǎn)支梁圓頻率為 2 3 井架臨界載荷與其動(dòng)態(tài)參數(shù)的關(guān)系 1 2 3 2 1 6 由于井架一階固有頻率易于識(shí)別 精度也較高 因此本文主要以一階固有頻率為研 究對(duì)象 來分析井架結(jié)構(gòu)承載能力與其動(dòng)態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系 由式 2 1 6 可得到井架結(jié)構(gòu)的一階固有頻率為 驀 吾鼯 式 2 1 7 經(jīng)過變換 可得到 2 1 7 尸 粵一 l z2 廣r a 吼z 2 1 8 l 2 萬 分析式 2 1 7 和式 2 1 8 得到以下幾點(diǎn)結(jié)論 1 當(dāng)軸向力p 為零時(shí) 則式 2 1 7 簡(jiǎn)化為無軸向力作用的井架結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì) 算式 即 曠7 薏j 若 協(xié) 2 乜j 彤 屺 1 2 當(dāng)有軸向力p 作用時(shí) 井架結(jié)構(gòu)的固有頻率要發(fā)生變化 隨軸向力p 增大固有 厝塹芝 第二章石油井架振動(dòng)分析 頻率減小 且軸向力與固有頻率的平方呈線性關(guān)系 如圖2 4 所示 椒 g 褂 聰 忙 固 pp e 軸向載荷 n 圖2 4 軸向載荷與回有頻率的平方關(guān)系 f i g 2 4r e l a t i o n s h i po f a x i a ll o a d sa n dt h es q u a r e so f f r e q u e n c y 3 當(dāng)軸向力p 趨近于臨界值時(shí) 井架結(jié)構(gòu)的固有頻率趨近于零 此時(shí)體系處于不 穩(wěn)定的平衡狀態(tài) 井架臨界載荷為 名 7 2 酬l z 2 2 2 0 式 2 2 0 與工程上用壓桿穩(wěn)定原理所計(jì)算出來的井架臨界載荷是一致的 4 將式 2 1 9 2 2 0 代入式 2 1 8 則得到下式 2 屹 丟p 2 2 1 口 一鞏 式中 p 一井架試驗(yàn)載荷 k n 只一井架臨界載荷 k n 礬一無載荷時(shí)井架固有圓頻率 萬 2 礬 田 一有載荷時(shí)井架固有圓頻率 吼 2 n f 廠一井架固有頻率 b 可見 在井架試驗(yàn)時(shí) 只需分別測(cè)出井架在無載穗和有載荷作用下的固有頻率 按 照式 2 2 1 即可計(jì)算出井架臨界載荷 這就為用動(dòng)態(tài)參數(shù)評(píng)定方法 3 4 1 評(píng)定井架承載性 能提供科學(xué)依據(jù) 1 研究井架結(jié)構(gòu)計(jì)算模裂 引入折算長(zhǎng)度的概念 將變剛度 鉸支座及空腹組合 桿的井架結(jié)構(gòu)折算成一根沿長(zhǎng)度上質(zhì)量均勻分布 剛度恒定的簡(jiǎn)支梁 2 井架結(jié)構(gòu)作用載荷與井架結(jié)構(gòu)固有頻率有關(guān)系 當(dāng)作用載荷增大時(shí) 井架結(jié)構(gòu) 固有頻率降低 當(dāng)井架達(dá)到臨界載荷時(shí) 井架結(jié)構(gòu)固有頻率趨于零 3 根據(jù)井架結(jié)構(gòu)作用載荷與井架結(jié)構(gòu)固有頻率平方之間的線性關(guān)系 可以測(cè)量無 載荷和較小載荷作用下井架結(jié)構(gòu)固有頻率來計(jì)算井架臨界載荷 4 以往比較常用的方法是根據(jù)應(yīng)力的大小來評(píng)定井架結(jié)構(gòu)承載能力 本章的論述 揭示了井架結(jié)構(gòu)作用載荷與井架結(jié)構(gòu)固有頻率之間的關(guān)系 從而為井架結(jié)構(gòu)承載能力的 測(cè)試與評(píng)定提供了新的方法 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文 第三章石油井架有限元分析 在工程技術(shù)領(lǐng)域中有許多力學(xué)問題和場(chǎng)問題 如固體學(xué)中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)分 析 傳熱學(xué)中的溫度場(chǎng)分析 振動(dòng)模態(tài)分析等 都可以看作是在一定邊界條件下求解其 基本微分方程的問題 雖然人們已經(jīng)建立 它們的基本方程和邊界條件 但只有少數(shù)簡(jiǎn) 單的問題才能求出其解析解 對(duì)于那些數(shù)學(xué)方程復(fù)雜 物理邊界形狀又不規(guī)則的問題 采用解析法求解在數(shù)學(xué)上往往會(huì)遇到難以克服的困難 通常對(duì)這類問題 往往需要借助 于各種行之有效的數(shù)值計(jì)算方法來獲得滿足工程需要的數(shù)值解 目前在工程實(shí)際應(yīng)用中 最常用的數(shù)值求解方法 3 5 1 有 有限單元法 青限差分法 邊界單元法和加權(quán)殘數(shù)法等 但是從實(shí)用性和使用范圍來說 有限單元法則是隨著計(jì)算 機(jī)的發(fā)展而被廣泛應(yīng)用的一種有效的數(shù)值計(jì)算方法 3 i 井架結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析 井架結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析是井架設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題 過去對(duì)于井架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析是 很困難的 現(xiàn)在應(yīng)用有限單元法和高速電子計(jì)算機(jī) 已經(jīng)可以比較正確地進(jìn)行各種類型 井架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算 3 1 i 運(yùn)動(dòng)方程 結(jié)構(gòu)離散化以后 在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中各結(jié)點(diǎn)的動(dòng)力平衡方程 1 如下 只 易 p f 乒 3 一1 式中 e 乃 j p f 分別為慣性力 阻尼力和動(dòng)力荷載 均為向量 c 為彈性 力 彈性力向量可用結(jié)點(diǎn)位移 田和兩h 度矩陣 表示如一f e k 3 2 式中 剛度矩陣瞄 元素世 為結(jié)點(diǎn) 的單位位移在結(jié)點(diǎn)i 引起的彈性力 根據(jù)達(dá)朗貝爾原理 可利用質(zhì)量矩陣 k 和結(jié)點(diǎn)加速度鬈筍表示慣性力如下 堋摯 3 3 式中 質(zhì)量矩陣的元素m 為結(jié)點(diǎn) 的單位加速度在結(jié)點(diǎn)j 引起的慣性力 設(shè)結(jié)構(gòu)具有粘滯阻尼 g i n n g j 眶n c n n a n n 望嬰表示阻尼力如卜 優(yōu) 刪警 3 4 式中 阻尼矩陣的元素q 為結(jié)點(diǎn) 的單位速度在結(jié)點(diǎn)f 引起的阻尼力 一 第三章石油井架有限元分析 將式 3 2 式 3 3 式 3 4 代入式 3 1 得到運(yùn)動(dòng)方程如下 瞰 邶 警堆伽 刪 記 警 學(xué) 則運(yùn)動(dòng)方程可寫成 彳 舀 c 0 量 甜 尸 f 3 5 3 6 3 1 2 系統(tǒng)模態(tài)分析 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)從數(shù)學(xué)概念出發(fā)是振動(dòng)系統(tǒng)特性的一種表征 它是由系統(tǒng)的特征值 和特征向量所確定的 而從物理方面看 模態(tài)表示其無阻尼自由振動(dòng)時(shí)的各階固有振動(dòng) 頻率及其相應(yīng)的固有振型 根據(jù)井架的實(shí)際工作狀態(tài) 其無阻尼自由振動(dòng)的動(dòng)力平衡方程為 m 暖 o 阻 k 是單元的i m r 防r 進(jìn)行組集轉(zhuǎn)化為整體坐標(biāo)系中的參數(shù) 度矩陣 k 8 單元質(zhì)量矩陣 m 分剮為 脹j i r b j 7 7 d j b l d v 于 產(chǎn) g i 7 p l f n d v 在局部坐標(biāo)系中空間梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃噁 3 7 1 具體形式為 k r 3 7 其中 單元?jiǎng)?器 而6 e l 一器 i 務(wù) 器 一品 一器一器 一g j ooo oo 一堡1 oo 等 器 器 6 y i y 1u 4 y 器一品 黼i b y 1 也y 1 屯礦 竺0 000 z 上墜00 0 o t 妒 對(duì)稱 器 品 型 o 塑 生墼 o 0 6 8 1 o 十t 礦 0 0 0 4 t 噬 o 屯 3 8 3 9 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文 其中 滬面1 2 k e l 鼉半 2 小學(xué) 學(xué)c z j 其中 z 2 d a i d a 式中 i 分別為橫剖面繞y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 匕為回轉(zhuǎn)半徑 當(dāng)o f 很小時(shí) 可令b 也 0 即得到忽略剪切變形的空間梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃?a a 分別為 梁在y z 方向承受剪力的面積 單元質(zhì)量矩陣可利用梁?jiǎn)卧男螤詈瘮?shù)由式 3 8 求得 對(duì)于彈性體其自由振動(dòng)可以分解成一系列的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加 設(shè)這種簡(jiǎn)諧振動(dòng)的形 式為 h 8 s i n t 0 3 1 1 1 式中 剛是節(jié)點(diǎn)位移 的節(jié)點(diǎn)振幅列陣 或稱振動(dòng)模態(tài) c o 是頻率 t 是時(shí)間 將式 3 一i1 代入式 3 7 得 c o m j l k 6 o 3 1 2 按自由振動(dòng)理論 n 階自由度系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程式應(yīng)有1 1 個(gè)固有頻率織 i l 2 n 并且可以由頻率行列式?jīng)Q定 即是 l k 一 02 廠吖 0 3 1 3 求得 后 再把國(guó)代入式 3 1 2 即可求出特征向量 振動(dòng)模態(tài) 巧 由于式 3 1 3 的模態(tài)解 占 乘以任一常數(shù)仍是解 同一頻率緲的不同解 4 的線性組 合也仍是解 所以約定采用規(guī)格化的模態(tài) 占 即令它們與廠m 7 正交 滿足 眠p f m i b m 3 1 3 系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng) 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng) 主要是解系統(tǒng)的動(dòng)力方程式 肼 足 尸 3 1 5 以求得系統(tǒng)產(chǎn)生的位移 速度和加速度的值 目前有兩種求解方法 一種是振型疊加法 一種是逐步積分法 這里主要采用振型 疊加法 將n 階自由度系統(tǒng)的動(dòng)力方程經(jīng)振型模態(tài)矩陣變換 化為互不耦合的n 個(gè)單自 f i 度問題 進(jìn)行逐個(gè)求解后 然后再疊加得到動(dòng)力響應(yīng)的結(jié)果 振型疊加法是摹于一個(gè) 第三章石油井架有限元分析 n 個(gè)自由度的結(jié)構(gòu) 在激振力p t 的作用下的動(dòng)力響應(yīng)可以表示為各階主振型的線性 疊加 即 秘j i 嵩l g z 2 q 2 工 g q 并 3 1 6 式中 x 稱為參與因子 表示各階主振型在相應(yīng)位移中所占的比例 p t 通常激起的主要是相對(duì)激振頻率較低的部分振型 較高的部分參與因子可略 去 即 l x i 9 1 x 2 口2 x q q l x i m 1 4 0 1 4 型鋼 黑 橫粱t 1 2 5 x 1 2 5 l o 型鋼 綠 斜桿l 1 0 0 i o o 8 型鋼 紅 h o 8 0 6 型鋼 黃 圖3 4 t j r 4 1 塔形井皋鮚構(gòu)簡(jiǎn)困 單位毫米 f i g3 4t j 2 4 1t o w e v s h a p e dd e r r k e kd i a g r a m u n i t m 對(duì)t j 2 4 1 塔型井架自振特性進(jìn)行了計(jì)算 對(duì)t j 2 4 1 塔型井架自振特性進(jìn)行了計(jì)算 得到自振頻率和固有振型 表3 列出了 得到自振頻率和固有振型 表3 1 列出廠 口 查墨蘭塑蘭墮堡主竺莖竺蘭些蘭蘭 井架的前六階自振頻率 相應(yīng)的振型如圖3 5 所示 表3 1t j 2 4 1 塔型井架自振頻率計(jì)算值 l 模態(tài)序號(hào) 1234 56 頻率 h z 3 5 437 l6 4 968 2 69 985 0 經(jīng)振型分析知 t j 2 4 1 塔型井架一階振型主要表現(xiàn)為x z 平面內(nèi)的一階彎曲振動(dòng) 二階振型主要表現(xiàn)為y z 平面內(nèi)的一階彎曲振動(dòng) 頂部振動(dòng)最為明顯 三 四 五階振 型反映r 井架的局部振動(dòng) 主要表現(xiàn)為底部大門處的扭振 而第四階振型伴有y z 平面 內(nèi)的彎曲振動(dòng) 第六階振型則反映了整體的扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 圖3 5 t j 2 4 1 塔型井架固有頻率振型圖 f i g3 5t h 4 1t o w e r s h a p e dd e r r i c ks t r u c t u r eo s c i l l a t i o ns h a p e so f t h eb a s i cf r e q u e n c y k 面所分析的是井架在無鉤載作用時(shí)的自振頻率 下面分析不同鉤載作用對(duì)井架結(jié) 構(gòu)模態(tài)參數(shù)的影響 考慮四種載荷工況 以一階頻率作為研究對(duì)象 計(jì)算結(jié)果如表3 2 所示 圖3 6 反映了一階固有頻率與大鉤載荷的關(guān)系曲線 1 7 第三章石油井架有限元分析 表3 2 不同鉤載作用下的一階固有頻率值 l 鉤載 k n o4 9 09 8 0 1 4 7 01 9 6 0 i 頻率 h z 35 435 3 3 5 2 3 5 1 l 3 5 0 分析知 井架結(jié)構(gòu)作用載荷對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率有影響 隨載荷增加固有頻率降低 且 與固有頻率的平方呈線性關(guān)系 由此推算出來的井架臨界載荷為2 8 0 9 噸 這說明塔形 井架的失穩(wěn)形式不屬于井架整體失穩(wěn)而是局部桿件失穩(wěn) 所以由結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù) 固有頻 率 推算出來的井架臨界載荷遠(yuǎn)大于實(shí)際井架承載能力 不符合實(shí)際井架承載性能 圖3 6 一階固有頻率與大鉤栽荷的關(guān)系曲線 f i 9 3 4 5 r e l a l i c a s h i p o f t h e b a s i c 舶印 c y a n d t h e h o o k l o a d s 3 32j j 3 1 5 4 3 a 型井架動(dòng)力分析 j j 3 1 5 4 3 a 型井架總高4 6 2 5 m 井架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3 7 所示 單位 m 井架 左右大腿分別由四段格構(gòu)式構(gòu)架用銷子和聯(lián)接架連接而成一整體結(jié)構(gòu) 上部有兩副 型架 中部有一根橫梁連接 井架大腿主弦桿采用士1 6 8 x 8 m m 鋼管 橫桿與斜桿焊為 中9 5 3 5 m m 鋼管 材料均為1 6 m n 鋼 將井架各桿件簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧M(jìn)行有限元離散 圖3 7j j 3 1 5 4 3 a 型井架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖 f i g3 7j j 31 5 4 3 ad e r r i c ks t r u c t u r ed i a g r a m 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文 共2 1 2 個(gè)節(jié)點(diǎn) 5 7 7 個(gè)單元 且井架的最大設(shè)計(jì)鉤載為2 9 4 0 k n 3 3 2 1 動(dòng)力分析 對(duì)j j 3 1 5 4 3 a 型井架的自振特性進(jìn)行分析 得到自振頻率和固有振型 表3 3 列出 了前6 階頻率值 相應(yīng)的振型如圖3 8 所示 表3 3j j 3 1 5 4 3 a 型井架自振頻率計(jì)算值 t a b l e3 3f r e q u e n c yc a l c u l a t i o n so f j j 3 1 5 4 3 一a m a s ts t r u c t u r e 模態(tài)序號(hào) 123 45 6 l 頻率 h z 10 9 l3 0 34 8 36 739 055 1 經(jīng)振型分析知 j j 3 1 5 4 3 a 型井架第一階振型表現(xiàn)為井架主體的左右 x z 平面 一階彎曲振動(dòng) 二層臺(tái)處振動(dòng)較明顯 第二階振型表現(xiàn)為井架主體的前后 y z 平面 一階彎曲振動(dòng) 頂部振動(dòng)較明顯 第三階振型主要是彎扭的耦合振動(dòng) 頂部扭振較為明 顯 第四階振型主要表現(xiàn)為井架大腿在x z 平面內(nèi)的局部彎曲振動(dòng) 第五階振型主要表 現(xiàn)為井架主體的左右 x z 平面 二階彎曲振動(dòng) 頂部伴有輕微扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 第六階振型 主要是井架大腿的扭振 可以知道低階振型反映了井架整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式 這說明井 架的失穩(wěn)形式為x z 平面整體失穩(wěn) 圖3 8j 1 3 1 5 4 3 a 型井架固有頻率振型圖 f i g3 8j j 3 1 5 4 3 a m a s ts t r u c t u r eo s c i l l a t i o ns h a p e so f t h eb a s i cf r e q u e n c y 上面所分析的是井架在無鉤載作用時(shí)的自振頻率 下面分析不同鉤載作用對(duì)井架結(jié) 構(gòu)振動(dòng)參數(shù)的影響 考慮以下幾種載荷工況 以一階頻率作為研究對(duì)象 計(jì)算結(jié)果如 1 9 第三章石油并架有限元分析 表3 4 所示 圖3 9 反映了一階固有頻率與大鉤載荷的關(guān)系曲線 表3 4 不同鉤栽作用下的一階固有頻率值 鉤載 k n 04 9 09 8 01 4 7 01 9 6 02 4 5 02 9 4 0 l 頻率 n z l0 910 51 0 20 9 909 609 3o 8 9 分析知 井架結(jié)構(gòu)作用載荷對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率有影響 隨載荷增加固有頻率降低 且 與固有頻率的平方呈良好的線性關(guān)系 圖3 9 一階固有頻率與大鉤裁荷的關(guān)系曲線 f i 9 3 9 r e l a t i o n s h i p o f t h e b a s i c f r e q u e n c a n d t h e h o o k l o a d s 3 32 2 考慮初始缺陷的井架結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析 現(xiàn)場(chǎng)井架不可避免地存在著各種各樣的損傷和缺陷 現(xiàn)以立柱銹蝕為例對(duì) j j 3 1 5 4 3 a 型井架進(jìn)行動(dòng)力特性分析 銹蝕的結(jié)果使井架構(gòu)件的截面尺寸變小 截面尺 寸的變化必將引起節(jié)點(diǎn)位移和單元應(yīng)力的變化 進(jìn)而影響井架動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化 由于立 柱是主要承載構(gòu)件 因而我們考慮立柱截面減薄量l m m 工況下的井架動(dòng)態(tài)參數(shù)變化 根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析得到理想井架與有初始缺陷井架的自振特性相似 載荷隨頻率的 平方呈線性下降趨勢(shì)且二二者幾乎平行 圖3 1 0 顯示r 理想井架與有初始缺陷井架結(jié)構(gòu) 動(dòng)態(tài)參數(shù)隨鉤載變化關(guān)系曲線 圈3 1 0 井架鉤栽與頻率的平方關(guān)系 f 遮3 1 0 r e l a t i o n s h l p b c t h e h o o k l o a d sa n d