考虑半刚性节点塔型井架结构有限元分析

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1、考虑半刚性节点塔型井架结构有限元分析-->第1章绪论1.1课题研究的意义钢结构是以钢板和型钢等钢材为主制作的结构。这一结构与其他材料的结构相比有以下优点：自重轻、强度高、材质均匀、拆迁方便、韧性、塑性好。人们一直青睐此结构，在本世纪广泛应用于各领域。石油钻机井架是钻机系统起升设备中重要组成部分，用于放置天车和悬挂游车、大钩及专用工具，它的安全性能是整套钻机系统能否安全生产的关键，已成为评价钻机体系安全运行的重要参数之一。据统计，近些年来，各油田均发生过塔形井架倒塌破坏事故。这样的事故，一般会对井架及其他设备造成伤害，严重的甚

2、至破坏整个油井和造成人员伤亡。在以往钢结构的设计和分析中，为了方便计算，人们常把梁柱连接当成刚度为零的理想铰接或刚度无穷大的完全刚接。事实上，所有铰接都具有一定的刚性，刚性连接都具有一定的柔性。工程中的梁柱连接既有刚性又有柔性，属半刚性连接。近年来国内外学者在半刚性连接方面取得了很多成就，主要集中在对平面框架的初步分析和讨论及梁柱节点的M-q曲线（即弯矩-转角曲线），但很少对半刚接的空间框架进行分析。作为钢结构之一的钻机井架结构形式比较复杂，它主要的失效型式有:1)大风刮倒井架，造成整体刚性倾倒；2)井架整体丧失稳定性呈扭曲

3、形倾倒；3)井架局部丧失稳定性引起井架倒塌。造成井架倒塌的因素众多，但归根结底井架使用年限过长是其主要失效原因。又由于钻井是野外作业，环境极其恶劣，加上在使用过程中，塔架不断的拆卸、运输和安装，很可能对其结构的整体或局部造成损伤，尤其是井架立柱与横拉筋、斜拉筋之间的螺栓连接节点的损伤缺陷将直接影响井架原设计时的承载能力，可能会引起生产事故。我们在对其结构进行分析时应按结构的实际工作性能的计算模型来进行，其中立柱与横拉筋、斜拉筋之间节点连接性能的确定直接影响计算模型的准确性。通常在对石油井架结构进行有限元分析时，往往将井架各杆

4、件间的连接考虑成完全刚接的形式，忽略了实际工况下立柱与横拉筋、斜拉筋之间焊接节点连接性能对井架结构各方面性能的影响。1.2国内外研究现状国内外井架按结构形式可分为塔形井架、K形(前开口)井架、A形井架和桅形井架。一般而言，塔形井架是一种是由单根杆件用螺栓连接而成的可拆的空间桁架结构。直至40年代，这种井架被广泛使用于各大油田，占据了世界石油井架总数的巨大比例。但是这种井架安装和搬迁繁琐，需要大量的人员，而且高空作业不安全，所以使用逐渐被减少。从70年代开始，各国逐步发展海洋钻采工程，塔形井架由于其较好的承载性能和稳定性能被绝

5、大多数海洋钻机采用。塔形井架，国内50年代开始制造，到目前为止，多数3200m钻机仍在使用此类井架。但此类井架安装和拆卸需高空作业，十分危险，急需改进。数据显示，自升式井架为低位水平且整体起升，将代替这种井架。现在已研发出双作业塔形井架。它在钻井作业的中起着重大作用，在作业过程中用以放置天车、悬挂游吊系统、靠放钻杆及处理井下事故。陆地和海洋两用的双作业塔形井架在海洋平台上更占据优势。该井架是具有两个顶塔和栓装封闭式钢结构，井架体由两个塔形井架连合而成，分为上、下段两部分，其横截面为矩形。与其它塔架一样，也可拆卸，承载性能好和

6、整体稳定性能好。六根立柱和许多横斜腹杆通过高强度螺栓连接在一起便形成了其整体结构。井架主体材料选用宽翼缘工字钢，井架三边成锥形，一边垂直到31m的高度，然后斜向天车。这一结构使井架在受力状态，结构重量和钻机成本三方面得到了进步。两套钻井系统（主起升系统和辅起升系统），都能安装在该井架上。井架腹杆呈菱形桁格，此布置风阻小，有利于减轻风载荷的影响。第2章井架结构分析的理论基础2.1静强度概念根据静强度规定，静强度安全系数等于井架结构中各个构件应力的最大值与该构件材料规定的屈服强度ds的比值。井架及底座的静强度认为结构中某一部位的

7、应力达到ds，它是结构所能承载的临界状态，这时结构已经破坏。API(美国石油学会标准）规定井架静强度安全系数在达到1.67以上才符合安全要求。为了安全起见，我们必须对井架和底座进行安全校核。该校核是利用对井架及底座进行静力仿真计算所得结果来完成的。2.2井架静态有限元仿真方法2.2.1数值模拟技术在工程技术领域中有很多场问题和力学问题，均可简化为是在一定边界条件下求解其基本微分方程。利用上述方法，只能解决少数简单问题，最终获得解析解。采用解析法对井架、底座静力问题进行分析在数学上往往会遇到极大的困难，其原因是这类问题的数学方

8、程较为复杂且物理边界形状不规则。通常对于这类问题，我们往往需要借助各种有效的数值计算方法来求得满足工程需求的数值解，这就是数值模拟技术。实际工程中常用的数值求解方法有以下几种：a.有限差分法b.有限单元法c.加权残数法d.边界单元法。随着计算机技术的迅猛发展，有限单元法由于实用性强，使用范