应用振动理论测评石油井架承载能力的方法研究

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1、应用振动理论测评石油井架承载能力的方法研究(摘要关键词引言应用振动理论测评石油井架承载能力的方法研究萧凡1周俐俐1徐友钜2西南科技大学土木工程学院绵阳621002；2中国工程物理研究院绵阳621900)应用振动理论测评石油井架承载能力的方法是一种动态的测评方法，它较目前使用的静态测评方法具有简便、易行的优点。石油井架的固有频率随所受荷栽的变化而变化这一特性，是建立石油井架承栽能力动态刹评方法的理论依据。在研究中发现简支梁模型所存在的问题，值得注意。应用振动特性来评估结构抗力下降的方法在许多相关领域具有广阔的应用前景。振动理论；剩余刚度；井架；承栽能

2、力石油井架承载能力的测量，安全等级评估是石油行业安全生产的重要技术措施。为此，中国石油天然气行业根据《钢结构设计规范)(GBJ17—88)制定出石油井架承载能力测评的标准《石油钻机用井架承载能力检测评定方法》(SY／T6326—1997)。由于该标准是根据钢结构设计规范制定出来的，它的主要理论基础是强度判据和稳定判据，都是以结构在静载条件下的强度破坏和稳定失效作为判据准则，因此，在确定井架承载能力时，必须采用对井架施加大小不等的载荷、测定井架结构内许多测点在这些载荷作用下产生的应力应变，才能比较准确地判定该井架的安全承载能力。然而，在生产现场的恶劣

3、条件下进行多个载荷、许多测点作精密测量是一项十分困难的工作，且因环境干扰难以获取准确、精密的测量结果。如果运用钢结构在不同载荷作用下其固有频率会发生相应改变的振动特性，我们就可以采用测量钢结构固有频率变化的方法来测评石油井架承载能力，还可以运用井架结构的模态改变诊断井架结构局部损伤部位的确定。结合其他诊断技术，可以整治修复井架，使其承载能力得到提高，使用等级上升，确保安全生产。因此，这项研究成果具有十分显著的经济效益和安全生产的社会效益。作为技术开发合作项目，根据《石油钻机用井架承载能力检测评定方法》，运用振动理论，《在役石油井架的承载能力试验测定

4、方法》已在长庆油田得到成功的运用。但是振动测评方法，由于缺乏大量的试验实践和工程应用成果鉴定等程序，尚未在工程实际中推广使用。1井架承载麓力涓评静力学爿据1．1强度判据按照标准《石油钻机用井架承载能力检测评定方法》(以下简称“标准”)中7．22评定条件：yo(托“+7bl口一)≤，(1)·】89·标准分享网www.bzfxw.com免费下载振动利用技术的若干研究与进展作为强度判据，公式中的各分项系数，在“标准”中都已作了详细的说明和取值的明确规定。1．2稳定判据根据井架的高耸结构特征，井架的承载能力不仅由强度条件决定，更重要的是由结构稳定条件来决定

5、。“标准”明确规定，井架结构的整体(大腿)稳定应按照GBJl7—88中第五章有关规定进行。稳定判据为：“l"q≤f(2)甜、、72承载结构的振动特性21轴向力作用下筒支粱的固有频率在工程计算中，有人把石油井架简化成简支梁模型，经过计算、实验与经验处理，采用等效的惯性矩L，折算长度L。，运用欧拉临界力公式，确定简支梁模型的l临界荷载为：一2FrR=兰≠导(3)。L：运用动力学方法，从简支梁弯曲振动微分方程出发：茅[E1豢]一P象+酗煎3t2=0(4)可以求得简支梁的固有频率与所承受的轴向荷载P的关系式为：￡L2擂√-一焉EI～烈～1z2(5)4-o,

6、o=刊’r2蕊El为无轴向压力下简支梁的固有频率，由(3)式，可将(5)式改写为：(盖)2=1一PEP(6)从(6)式可以看出，如果已知P、。、mo的值，PE便可求出。简支梁轴向受压时，其一阶固有频率m与轴向压力P的函数关系，如图1、2所示。尸玮0山n埘图1简支梁P一甜关系图图简支梁磊P2一(盖)2关系图图简支梁再一I盖)关系图如果能将石油井架简化成梁模型，就可以利用上述关系曲线确定井架失稳l临界荷载。2．2轴向力作用下井架的固有频率图3所示为某型号石油井架结构示意图。它是由四根工字钢立柱与斜撑构成的高耸·190·www.bzfxw.com应用振动

7、理论测评石油井架承载能力的方法研究桁架。为计算确定该井架结构失稳的临界荷载我们使用了ANSYS通用结构分析程序。ANSYS的屈服分析所使用的方程：([K]+^，[S])}缈}。=}0}(7)式中[K]——井架结构的刚度矩阵；[S]——井架结构的应力刚度矩阵；,li——第i阶本征值(用来乘以产生[5]的荷载)；{尘}：——第i阶位移本征矢量。由公式(7)可见，ANSYS屈服分析的含义是：荷载引起的应力刚度矩阵对结构刚度产生“弱化”效应，其“弱化”极限即为屈服的临界荷载。每月图3×××型号石油井架结构简图桁架结构的～阶固有频率随所受荷载的变化而发生变化

8、。应用ANSYS计算分析程序，考虑结构的几何变形影响，计算得到×××型号井架在不同轴向荷载作用下一阶固有频率变化的P一严曲