大腿應(yīng)力集中損傷井架承載能力研究

1、2010年第39卷第11期第8頁(yè)石油礦場(chǎng)機(jī)械OIL FIELD EQUIPMENT2010,39(11):810文章編號(hào):1001 3482(2010)11 0008 03大腿應(yīng)力集中損傷井架承載能力研究吳文秀,王孟法(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023)摘要:目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)損傷井架承載能力的研究局限于宏觀損傷。通過(guò)等效處理坑蝕引起的應(yīng)力集中損傷,借助有限元軟件ANSYS計(jì)算含有應(yīng)力集中損傷井架的承載能力。與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)定的結(jié)果比較,數(shù)值相差1%,證明ANSYS軟件的計(jì)算精度可以滿足應(yīng)力集中損傷井架的承載能力評(píng)定需要。關(guān)鍵詞:井架;坑蝕;應(yīng)力集中;承載能力中圖分類號(hào):TE923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

2、碼:AStudyofBearingAbilityofStructureDamagedDerricktoStressConcentrationWUWen xiu,WANGMeng fa(SchoolofMechanicalEngineering,YangtzeUniversity,Jinzhou434023,China)Abstract:presently,thestudyonbearingcapacityofdamagedderrickstructurewasdefinedtomacroscopicinjure.Throughequivalentlydisposingstressconstru

3、ctioncausedbypitcorrosion,ai dingbyfinitesoftwareANSYS,thebearingcapacityofstressconcentrationderrickiscalculated.Comparingtheresultstestedonfield,numberdifferencewaswithin1%,provingthatthecalculat edprecisionofsoftwareANSYScanmeettherequirementofcarryingcapacityassessmentofstressconstructionderrick

4、structure.Keywords:derrick;pitcorrosion;stressconcentration;bearingcapacityference,OTC20489,2010:1 11.7 鄭 慧.大連船務(wù)FPDSO船體成功滑移下水N.中國(guó)船舶報(bào),2008 10 08(5).8 劉杰鳴,王世圣,馮 瑋,等.深水油氣開發(fā)工程模式及其在我國(guó)南海的適應(yīng)探討J.中國(guó)海上油氣,2006,18(6):413 418.9 LafitteJL,PerrotM,LesgentJ,etal.DaliaSubseaProductionSystem:PresentationandChallenges

5、C/Off shoreTechnologyConference,OTC18541,2007:1 10.10 王 懿,段夢(mèng)蘭,李麗娜,等.深水立管安裝技術(shù)進(jìn)展J.石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(6):4 8.11 李 颯,李忠剛,韓志強(qiáng),等.TLP平臺(tái)錨泊系統(tǒng)和錨固基礎(chǔ)的發(fā)展?fàn)顩rJ.海洋科學(xué),2009,33(3):80 83.12 謝 彬,張愛霞,段夢(mèng)蘭.中國(guó)南海深水油氣田開發(fā)工程模式及平臺(tái)選型J.石油學(xué)報(bào),2006,28(1):115 118.13 NetResourcesInternational.Petronius,GulfofMexico,USADB/OL.2010 05 10.http:

6、/www.offshore 14 ClaudeCahuzac,FranciBourcier.MohoBilondoTheFirstDeepWaterDevelopmentOffshoretheRe publicofCongoC/OffshoreTechnologyConfer ence,OTC20277,2009:1 8.收稿日期:2010 06 23基金項(xiàng)目: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)定方法研究(03B209000)作者簡(jiǎn)介:吳文秀(1965 ),男,湖北天門人,教授,碩士,主要從事機(jī)械測(cè)試控制與材料成型技術(shù)的教學(xué)與研究工作,E第39卷 第11期 吳文秀,等

7、:大腿應(yīng)力集中損傷井架承載能力研究%9%鉆機(jī)井架在野外惡劣的環(huán)境下作業(yè),結(jié)構(gòu)上不可避免地會(huì)產(chǎn)生局部或整體損傷缺陷。損傷缺陷使井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與原設(shè)計(jì)差別較大,導(dǎo)致井架承載能力降低。國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)集中在宏觀損傷井架承載能力的研究,而對(duì)隱形損傷鉆機(jī)井架承載能力的研究還未見報(bào)道或文獻(xiàn)資料。為彌補(bǔ)目前損傷井架承載能力研究的不足,本文對(duì)坑蝕引起的應(yīng)力集中隱形損傷井架承載能力進(jìn)行了研究。的受力狀態(tài)、承載能力極限及井架的破壞形式,即,明確載荷作用下井架的內(nèi)力、變形響應(yīng)。井架是由連接件構(gòu)成的大型空間鋼結(jié)構(gòu),其應(yīng)力、變形都比較復(fù)雜,計(jì)算工作量大。大量研究表明4 6,數(shù)值模擬法中的有限元法是研究井架結(jié)構(gòu)最可取的一種

8、方法。本文利用參考應(yīng)力修正法修正結(jié)構(gòu)損傷,修正井架有限元模型,對(duì)損傷井架進(jìn)行有限元分析。2.1 無(wú)損傷井架承載能力分析以常見的JJ225/43 K型井架為例,在載荷為1 應(yīng)力集中損傷分析坑蝕是井架大腿常見腐蝕損傷形態(tài)之一1,其4000kN時(shí),靜力計(jì)算最大應(yīng)力為142.06MPa(如圖1)。根據(jù)應(yīng)力值及鉤載的關(guān)系,線性外推可得井架靜態(tài)最大承載能力為5816kN,井架結(jié)構(gòu)屈服極限345MPa,安全系數(shù)為1.67(經(jīng)驗(yàn)值),許用極限應(yīng)力為206.6MPa。最大的危害是引起應(yīng)力集中。對(duì)于井架,由于應(yīng)力集中處的材料進(jìn)入塑性階段會(huì)引起應(yīng)力重新分布,靜載作用下的應(yīng)力集中損傷不使井架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,但是應(yīng)力集中

9、會(huì)對(duì)疲勞強(qiáng)度有較大的影響。井架在鉆井服役過(guò)程中,其承載特點(diǎn)是:不是單一載荷,而是復(fù)雜載荷的聯(lián)合作用;不是恒載,而是不斷變化的載荷;載荷是反復(fù)作用在服役井架上的。通常,含有應(yīng)力集中損傷的構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度比除以應(yīng)力集中的!普通桿件疲勞強(qiáng)度高2。為研究坑蝕損傷桿件,引入有效應(yīng)力集中系數(shù),定義為K =P#(1)式中,P為無(wú)損傷桿件疲勞極限;P#為損傷桿件疲勞極限。有效應(yīng)力集中系數(shù)K 可以通過(guò)試驗(yàn)獲得,也可以由式(2)的理論公式3圖1 無(wú)損傷井架的應(yīng)力分布計(jì)算得(2)K =q( -1)+1力集中系數(shù)。井架正面開檔值(在底部)與其高度比為1/5,其側(cè)向形狀尺寸最大值與其高度比僅為1/18,是一種容易失穩(wěn)的高

10、聳結(jié)構(gòu),因此,穩(wěn)定性分析在井架承載能力分析中是必要的。在2250kN鉤載作用下,對(duì)井架屈曲分析取其最優(yōu)值為2.5799,根據(jù)公式cr,可求得大鉤臨界載荷為5804Pcr=P!式中,q為敏感系數(shù); 為材料損傷缺陷處的理論應(yīng)敏感系數(shù)q與材料、坑蝕形態(tài)、大小有關(guān),利用式(3)計(jì)算得q=1+ /(3)kN。綜合井架靜力、屈曲分析,得無(wú)損傷井架承載能力為5804kN。2.2 大腿應(yīng)力集中隱形損傷井架承載能力分析大腿下段含有有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.280、1.286、1.300的3種應(yīng)力集中損傷。在2250kN鉤載時(shí),計(jì)算得3種損傷井架靜態(tài)最大應(yīng)力值為90.89、91.228、92.077MPa,如圖24。

11、可推知靜態(tài)最大承載能力為5114、5095、5048kN。式中, 為材料常數(shù),利用非線性回歸法求得,材料Q345的 =0.466; 為損傷處切口的曲率半徑。求得損傷桿件的有效應(yīng)力集中系數(shù)就可對(duì)應(yīng)力集中損傷井架進(jìn)行承載能力計(jì)算。2 大腿應(yīng)力集中損傷井架承載能力計(jì)算力3,首先%10% 石油礦場(chǎng)機(jī)械 2010年11月果表明,井架下前大腿下段存在有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.287的應(yīng)力集中隱形損傷。根據(jù)本文的分析方法可評(píng)定井架的承載能力為4301kN。對(duì)此鉆機(jī)井架進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試,并利用式(4)計(jì)算該井架的承載能力,即0PE=2f0-f2ikN;f圖2 有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.280的損傷井架應(yīng)力等值分布2(4)

12、式中,P為井架試驗(yàn)載荷,kN;PE為井架臨界載荷,0為無(wú)載荷作用時(shí)的井架結(jié)構(gòu)固有頻率,Hz;fi為有載荷作用時(shí)的井架結(jié)構(gòu)固有頻率,Hz。在空載時(shí)測(cè)得f0=1.2012Hz,鉤載在740kN時(shí)測(cè)得fi=1.3003Hz。由式(4)計(jì)算得該井架的承載能力為4257kN。2種方法評(píng)定的井架承載能力值相差1%,完全符合工程上誤差<5%的要求。文中井架評(píng)估結(jié)果是沒有考慮安全系數(shù)或載荷折減系數(shù)的理論承載能力。4 結(jié)論1) 通過(guò)分析應(yīng)力集中損傷桿件與完整桿件的強(qiáng)度,證明利用有效應(yīng)力集中系數(shù)分析應(yīng)力集中損圖3 有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.286的損傷井架應(yīng)力等值分布傷是正確的。2) 通過(guò)等效方法處理?yè)p傷,借助

13、有限元軟件ANSYS分析損傷井架承載能力,證明利用有限元軟件ANSYS分析井架承載能力,方便、合理。3) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,證明了本課題研究方法正確、科學(xué),為分析隱形損傷井架承載能力提供新方法。參考文獻(xiàn):1 王孟法.含結(jié)構(gòu)損傷K型井架承載能力研究D.荊圖4 有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.300的損傷井架應(yīng)力等值分布州:長(zhǎng)江大學(xué),2010:23.2 呂勝利,張有宏,呂國(guó)志.鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷研究與評(píng)價(jià)M.西安:西北大學(xué)出版社,2009:4.3 梁會(huì)高,陳國(guó)明,惠富春.海洋平臺(tái)損傷構(gòu)件等效剛度分析及應(yīng)用J.石油礦場(chǎng)機(jī)械,2004,33(2):30 33.4 范家齊.實(shí)用有限元法M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994:99 108.5 符大良,張曉東,周思柱.石油機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與方法M