專利名稱：一種石油井架承載能力的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油化工設(shè)備安全評定技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于石油井架承載能力的評定方法，具體涉及一種針對存在不同損傷或變形石油井架承載能力的評定，即一種石油井架承載能力的測試方法。
背景技術(shù)：
石油井架是石油鉆機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要功能是起升和下放鉆桿，同時兼有安放天車、懸掛游車、大鉤、水龍頭等功能。在起升鉆桿時石油井架要承受巨大的沖擊載荷，石油井架能否經(jīng)得住沖擊載荷的作用，直接關(guān)系著鉆機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行和職工的人身安全。 石油井架在拆裝、搬運(yùn)過程中受諸多因素的影響，井架各構(gòu)件間會出現(xiàn)不同程度的變形、損傷、銹蝕等缺陷。另外石油井架在長期的拆裝過程中，構(gòu)件各連接部位會出現(xiàn)較大的間隙及錯位變形，使其承載能力低于原設(shè)計載荷，上述諸多缺陷導(dǎo)致在用井架的安全負(fù)載成為未知數(shù)，給鉆井作業(yè)的安全生產(chǎn)埋下重大隱患。因此，及時檢測出在役石油井架的結(jié)構(gòu)損傷， 準(zhǔn)確預(yù)測出在役石油井架的承載能力，對于制定科學(xué)合理的井架檢測周期、消除石油井架的安全隱患具有重要的意義。目前，通常采用電阻應(yīng)變片法對在用石油井架承載能力進(jìn)行預(yù)測，即在井架表面粘貼應(yīng)變片，通過施加載荷、測量電流的變化來確定其工作應(yīng)力。然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6326 《石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架、底座承載能力檢測評定方法》評定其承載性能。由于石油井架長年暴露在野外，工作環(huán)境惡劣，電阻應(yīng)變片法受雨雪、風(fēng)沙的影響較大。尤其是在嚴(yán)寒季節(jié)受氣溫的影響，應(yīng)變片粘貼不牢固給應(yīng)力測試帶來極大的誤差和不確定性。另外，這種測試方法的抗干擾能力較差，容易受周圍工作電機(jī)放電和工頻交流磁場的干擾等，當(dāng)干擾信號比被測信號強(qiáng)時，測試工作就會徹底失敗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種石油井架承載能力的測試方法，以解決現(xiàn)有的石油井架承載能力的測試方法存在的抗干擾能力較差，承載能力測試準(zhǔn)確性差和易受外界因素的影響等技術(shù)問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案，具體按以下步驟進(jìn)行步驟1 建立構(gòu)成石油井架主體的結(jié)構(gòu)的材料性能數(shù)據(jù)庫；步驟2 建立構(gòu)成石油井架主體的結(jié)構(gòu)的截面數(shù)據(jù)庫；步驟3 以需測試的石油井架的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖為藍(lán)本，建立該石油井架主體結(jié)構(gòu)的3D模型；步驟4 對步驟3中需測試的石油井架進(jìn)行宏觀檢驗；步驟5 對步驟4宏觀檢查后的石油井架進(jìn)行精確測量；步驟6 在對需測試的石油井架進(jìn)行步驟4宏觀檢驗和步驟5精確測量的基礎(chǔ)上， 對步驟3建立的需測試的石油井架的3D模型進(jìn)行修正，修正后的3D模型即為基于原形的石油井架模型；步驟7:基于步驟6得到的石油井架模型，采用有限元軟件ANSYS對石油井架的承載能力進(jìn)行評定。所述步驟3中石油井架主體結(jié)構(gòu)的3D模型的建立首先，根據(jù)石油井架端點(diǎn)坐標(biāo)建立節(jié)點(diǎn)，再從步驟2建立的石油井架主體的結(jié)構(gòu)的截面數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)的截面，然后通過對節(jié)點(diǎn)連線的方法建立相應(yīng)結(jié)構(gòu)的拉伸路徑，完成對石油井架主體的結(jié)構(gòu)的3D模型
的建立。所述步驟5中精確測量時，首先在任一水平面上、以石油井架在該水平面上的截面形心為坐標(biāo)原點(diǎn)0，在該坐標(biāo)原點(diǎn)0所在的平行于石油井架待測側(cè)面的平面內(nèi)建立水平設(shè)置的Y軸，在該Y軸所處的水平面內(nèi)建立過坐標(biāo)原點(diǎn)0并垂直于該Y軸的X軸；坐標(biāo)原點(diǎn)0、Y軸和X軸形成XOY平面，過坐標(biāo)原點(diǎn)0建立垂直于該XOY平面的Z軸，建立全局三維坐標(biāo)系ΧΥΖ，然后，在垂直于待測側(cè)面的X軸上取點(diǎn)F作為測量點(diǎn)，則點(diǎn)F在全局三維坐標(biāo)系CTZ中的坐標(biāo)為()(F，0，0)；以點(diǎn)F為原點(diǎn)，建立以F點(diǎn)為原點(diǎn)的三個坐標(biāo)軸分別與全局三維坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸相平行的局部坐標(biāo)系XfYfZf，測得待測面上的待測點(diǎn)在該局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，通過該待測點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)求得該待測點(diǎn)在在全局三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。所述待測點(diǎn)的確定原則在待測側(cè)面上選取的待測點(diǎn)至少應(yīng)選石油井架的上端點(diǎn)、下端點(diǎn)、立柱與斜拉筋相匯點(diǎn)、彎曲變形明顯的部位，在相鄰兩個待測側(cè)面上相應(yīng)部位選取的待測點(diǎn)應(yīng)位于同一水平面內(nèi)。所述步驟7采用有限元軟件ANSYS對石油井架進(jìn)行穩(wěn)定性分析，屈曲分析的基本步驟1)定義材料的屬性，在步驟1已建立材料數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，只需輸入材料數(shù)據(jù)庫即可；2)定義單元實(shí)常數(shù)，在步驟2已建立型鋼截面數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，只需輸入型鋼截面數(shù)據(jù)庫即可；3)建立幾何模型，導(dǎo)入步驟6所重構(gòu)的3D石油井架模型完成分析所需的幾何模型；4)選擇單元類型及單元號、劃分網(wǎng)格，在線模型基礎(chǔ)上，根據(jù)構(gòu)件的性質(zhì)選用合適的單元，大腿、立柱、橫梁、選用梁單元，斜拉筋選用桿單元，單元選擇完畢即可對構(gòu)件劃分網(wǎng)格；5)邊界條件約束，首先約束大腿腳部所有方向的自由度，其次約束人字架連接點(diǎn)水平方向的自由度，激活預(yù)應(yīng)力影響PSTRES，然后在井架頂部施加單位載荷，通過屈曲分析即可計算出特征值；6)進(jìn)入ANSYS求解器求解靜力解；7)選擇屈曲分析的類型和分析選項；8)再次進(jìn)入ANSYS求解器，獲得特征值屈曲解，由于靜態(tài)分析中施加的載荷為單位載荷，因而其結(jié)果即為屈曲載荷；9)打開大變形效應(yīng)開關(guān)；10)施加載荷增量，非線性屈曲分析的基本方法是逐步地施加一個恒定的載荷增量.一直到求解開始發(fā)散為止，當(dāng)?shù)竭_(dá)期望的臨界屈曲載荷值時，應(yīng)該確保使用足夠精細(xì)的載荷增量；如果載荷增量太大，將不能得到精確的屈曲載荷預(yù)測值；11)自動時間步長，當(dāng)自動時間步長選項打開時，程序?qū)⒆詣拥貙ふ页銮d荷；12)施加初始擾動，在上述8)步驟預(yù)先進(jìn)行了特征值分析，該特征值屈曲載荷為預(yù)期的線性載荷的上限；另外特征矢量屈曲形狀可以作為施加初始缺陷或擾動載荷的根據(jù)；13)再次進(jìn)入ANSYS求解器求解，然后進(jìn)入后處理查看結(jié)果，該結(jié)果包含了石油井架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)；14)通過上述分析即可預(yù)測出石油井架的承載能力。本發(fā)明所述的測試方法基于有限元模擬，以結(jié)構(gòu)力學(xué)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性為理論基礎(chǔ)，采用基于石油井架原形為藍(lán)圖的3D模型，對在役石油井架的承載能力進(jìn)行測試，不影響石油鉆采作業(yè)，并不受氣候、周圍設(shè)備的影響，能實(shí)時準(zhǔn)確地預(yù)測在用石油井架的承載能力。該測試方法擺脫了自然環(huán)境條件的制約，是一種全天候的、對現(xiàn)場作業(yè)無影響的、快速可靠的石油井架承載能力的測試方法。


圖1是石油井架的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1所示石油井架中所用H型鋼截面形狀示意圖。圖3是圖1所示石油井架中所用L型角鋼截面形狀示意圖。圖4是3D石油井架模型。圖5是待測點(diǎn)坐標(biāo)定位原理圖。圖6是H型鋼截面形心的測量示意圖。附圖編號圖1中，1.第一段后大腿，2.第一段前大腿，3.第二段立柱，4.前立柱， 5.后立柱，6.第三段立柱，7.第四段立柱，8. L型角鋼橫梁，9.斜拉筋，10. L型角鋼橫梁， 11.斜拉筋，12. H型鋼橫梁，13.斜拉筋，14. L型角鋼橫梁，15.斜拉筋，16. H型鋼橫梁。圖5 中，101和102均為待測面，D點(diǎn)和E點(diǎn)為待測點(diǎn)，點(diǎn)F和點(diǎn)G為測量點(diǎn)。圖6中，0為H型鋼截面的形心，D點(diǎn)和E點(diǎn)為待測點(diǎn)，H為H型鋼的高，B為H型鋼的寬，t為型鋼翼板厚度。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明提供了一種全天候、對現(xiàn)場作業(yè)無影響、快速可靠的石油井架承載能力的測試方法，首先建立材料性能數(shù)據(jù)庫，其次建立型鋼構(gòu)件橫截面數(shù)據(jù)庫，再次對在用石油井架主要承載部位進(jìn)行宏觀檢驗和精準(zhǔn)測量，然后建立基于該在用石油井架原形的3D模型， 最后應(yīng)用有限元技術(shù)模擬石油井架承載性能。該測試方法具體按以下步驟進(jìn)行步驟1 建立構(gòu)成石油井架主體的結(jié)構(gòu)的材料性能數(shù)據(jù)庫構(gòu)成石油井架主體的結(jié)構(gòu)主要有立柱、橫梁、斜拉筋等，為了預(yù)測石油井架整體的力學(xué)性能須建立這些結(jié)構(gòu)的材料數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫應(yīng)包括上述結(jié)構(gòu)材料的各種物理、化學(xué)及機(jī)械性能數(shù)據(jù)，如材料牌號、國內(nèi)外材料牌號對照表、材料等級、化學(xué)成分、密度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊功、斷面收縮率、延伸率、彈性模量、切變模量、線脹脹系數(shù)和泊松比等； 為保證這些數(shù)據(jù)的可靠性，材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫需從現(xiàn)行的國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中采集，譬如中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11263-2005《熱軋H型鋼和部分T型鋼》、GBT/699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》、GBJ17-1988《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、美國機(jī)械工程師協(xié)會(American Society of Mechanical Engineers)的 ASME 規(guī)范 II 卷 A 篇鐵基材料 2007 等；例如以圖1所示的ZJ40/2250K型石油井架為例，該石油井架的額定最大鉤載為 2250KN。該石油井架的第一段前大腿2由型鋼H300 X 300組成，材料為15Mn ；第一段后大腿 1、第二段立柱3 (前立柱4、后立柱幻、第三段立柱6和第四段立柱7均由型鋼H300X200 組成，材料為15Mn ；各段的主橫梁，如H型鋼橫梁12、H型鋼橫梁16均由型鋼H200X200組成，材料為15Mn ；上述H型鋼的截面形狀如圖2所示；各段的次橫梁，如L型角鋼橫梁8、L 型角鋼橫梁10、L型角鋼橫梁14由型鋼L90X65組成，材料為15Mn。各段的斜拉筋，如斜拉筋9、斜拉筋11、斜拉筋13、斜拉筋15由型鋼L90X56組成，材料為Q235。斜拉筋截面形狀如圖3所示。建立ZJ40/2250K型石油井架的材料數(shù)據(jù)庫表1為構(gòu)成該石油井架結(jié)構(gòu)的材料化學(xué)成分表；表2為構(gòu)成該石油井架的結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性能表；表3是根據(jù)GBJ17-1988確定的構(gòu)成該石油井架結(jié)構(gòu)材料的物理性能數(shù)據(jù)。表1構(gòu)成ZJ40/2250K型石油井架結(jié)構(gòu)的材料化學(xué)成分
權(quán)利要求
1.一種石油井架承載能力的測試方法，其特征在于，該測試方法具體按以下步驟進(jìn)行步驟1 建立構(gòu)成石油井架主體的結(jié)構(gòu)的材料性能數(shù)據(jù)庫；步驟2 建立構(gòu)成石油井架主體的結(jié)構(gòu)的截面數(shù)據(jù)庫；步驟3 以需測試的石油井架的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖為藍(lán)本，建立該石油井架主體結(jié)構(gòu)的 3D模型；步驟4 對步驟3中需測試的石油井架進(jìn)行宏觀檢驗；步驟5 對步驟4宏觀檢查后的石油井架進(jìn)行精確測量；步驟6 在對需測試的石油井架進(jìn)行步驟4宏觀檢驗和步驟5精確測量的基礎(chǔ)上，對步驟3建立的需測試的石油井架的3D模型進(jìn)行修正，修正后的3D模型即為基于原形的石油井架模型；步驟7 基于步驟6得到的石油井架模型，采用有限元軟件ANSYS對石油井架的承載能力進(jìn)行評定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油井架承載能力的測試方法，，其特征在于，所述步驟 3中石油井架主體結(jié)構(gòu)的3D模型的建立首先，根據(jù)石油井架端點(diǎn)坐標(biāo)建立節(jié)點(diǎn)，再從步驟 2建立的石油井架主體的結(jié)構(gòu)的截面數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)的截面，然后通過對節(jié)點(diǎn)連線的方法建立相應(yīng)結(jié)構(gòu)的拉伸路徑，完成對石油井架主體的結(jié)構(gòu)的3D模型的建立。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油井架承載能力的測試方法，其特征在于，所述步驟5 中精確測量時，首先在任一水平面上、以石油井架在該水平面上的截面形心為坐標(biāo)原點(diǎn)0， 在該坐標(biāo)原點(diǎn)0所在的平行于石油井架待測側(cè)面的平面內(nèi)建立水平設(shè)置的Y軸，在該Y軸所處的水平面內(nèi)建立過坐標(biāo)原點(diǎn)0并垂直于該Y軸的X軸；坐標(biāo)原點(diǎn)0、Y軸和X軸形成XOY 平面，過坐標(biāo)原點(diǎn)0建立垂直于該XOY平面的Z軸，建立全局三維坐標(biāo)系XYZ，然后，在垂直于待測側(cè)面的X軸上取點(diǎn)F作為測量點(diǎn)，則點(diǎn)F在全局三維坐標(biāo)系XYZ中的坐標(biāo)為0(F，0， 0)；以點(diǎn)F為原點(diǎn)，建立以F點(diǎn)為原點(diǎn)的三個坐標(biāo)軸分別與全局三維坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸相平行的局部坐標(biāo)系XfYJf,測得待測面上的待測點(diǎn)在該局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，通過該待測點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)求得該待測點(diǎn)在在全局三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種石油井架承載能力的測試方法，其特征在于，所述待測點(diǎn)的確定原則在待測側(cè)面上選取的待測點(diǎn)至少應(yīng)選石油井架的上端點(diǎn)、下端點(diǎn)、立柱與斜拉筋相匯點(diǎn)、彎曲變形明顯的部位，在相鄰兩個待測側(cè)面上相應(yīng)部位選取的待測點(diǎn)應(yīng)位于同一水平面內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油井架承載能力的測試方法，其特征在于，所述步驟7 采用有限元軟件ANSYS對石油井架進(jìn)行穩(wěn)定性分析，屈曲分析的基本步驟1)定義材料的屬性，在步驟1已建立材料數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，只需輸入材料數(shù)據(jù)庫即可；2)定義單元實(shí)常數(shù)，在步驟2已建立型鋼截面數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，只需輸入型鋼截面數(shù)據(jù)庫即可；3)建立幾何模型，導(dǎo)入步驟6所重構(gòu)的3D石油井架模型完成分析所需的幾何模型；4)選擇單元類型及單元號、劃分網(wǎng)格，在線模型基礎(chǔ)上，根據(jù)構(gòu)件的性質(zhì)選用合適的單元，大腿、立柱、橫梁、選用梁單元，斜拉筋選用桿單元，單元選擇完畢即可對構(gòu)件劃分網(wǎng)格；5)邊界條件約束，首先約束大腿腳部所有方向的自由度，其次約束人字架連接點(diǎn)水平方向的自由度，激活預(yù)應(yīng)力影響PSTRES，然后在井架頂部施加單位載荷，通過屈曲分析即可計算出特征值；6)進(jìn)入ANSYS求解器求解靜力解；7)選擇屈曲分析的類型和分析選項；8)再次進(jìn)入ANSYS求解器，獲得特征值屈曲解，由于靜態(tài)分析中施加的載荷為單位載荷，因而其結(jié)果即為屈曲載荷；9)打開大變形效應(yīng)開關(guān)；10)施加載荷增量，非線性屈曲分析的基本方法是逐步地施加一個恒定的載荷增量.一直到求解開始發(fā)散為止，當(dāng)?shù)竭_(dá)期望的臨界屈曲載荷值時，應(yīng)該確保使用足夠精細(xì)的載荷增量；如果載荷增量太大，將不能得到精確的屈曲載荷預(yù)測值；11)自動時間步長，當(dāng)自動時間步長選項打開時，程序?qū)⒆詣拥貙ふ页銮d荷；12)施加初始擾動，在上述8)步驟預(yù)先進(jìn)行了特征值分析，該特征值屈曲載荷為預(yù)期的線性載荷的上限；另外特征矢量屈曲形狀可以作為施加初始缺陷或擾動載荷的根據(jù)；13)再次進(jìn)入ANSYS求解器求解，然后進(jìn)入后處理查看結(jié)果，該結(jié)果包含了石油井架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)；14)通過上述分析即可預(yù)測出石油井架的承載能力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石油井架承載能力的測試方法，首先建立構(gòu)成石油井架主體的結(jié)構(gòu)的材料性能數(shù)據(jù)庫；建立構(gòu)成石油井架主體的結(jié)構(gòu)的截面數(shù)據(jù)庫；以需測試的石油井架的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖為藍(lán)本，建立該石油井架主體結(jié)構(gòu)的3D模型；然后對需測試的石油井架先后進(jìn)行宏觀檢驗和精確測量；根據(jù)測試結(jié)果對建立3D模型進(jìn)行修正；基于修正后的石油井架模型，采用有限元軟件ANSYS對石油井架的承載能力進(jìn)行評定。本測試方法不影響石油鉆采作業(yè)，并不受氣候、周圍設(shè)備的影響，能實(shí)時準(zhǔn)確地預(yù)測在用石油井架的承載能力，擺脫了自然環(huán)境條件的制約，是一種全天候的、對現(xiàn)場作業(yè)無影響的、快速可靠的石油井架承載能力的測試方法。
文檔編號G01B21/00GK102288401SQ20111018204
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者張玉福, 朱國新, 王紀(jì)兵, 胡國棟, 胡建啟 申請人:上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司, 蘭州藍(lán)亞石油化工裝備工程有限公司, 機(jī)械工業(yè)蘭州石油鉆采煉油化工設(shè)備質(zhì)量檢測所有限公司, 甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司