专利名称：一种石油井架承载能力的测试方法
技术领域：
本发明属于石油化工设备安全评定技术领域，涉及一种用于石油井架承载能力的评定方法，具体涉及一种针对存在不同损伤或变形石油井架承载能力的评定，即一种石油井架承载能力的测试方法。
背景技术：
石油井架是石油钻机系统的关键设备，主要功能是起升和下放钻杆，同时兼有安放天车、悬挂游车、大钩、水龙头等功能。在起升钻杆时石油井架要承受巨大的冲击载荷，石油井架能否经得住冲击载荷的作用，直接关系着钻机系统的安全运行和职工的人身安全。 石油井架在拆装、搬运过程中受诸多因素的影响，井架各构件间会出现不同程度的变形、损伤、锈蚀等缺陷。另外石油井架在长期的拆装过程中，构件各连接部位会出现较大的间隙及错位变形，使其承载能力低于原设计载荷，上述诸多缺陷导致在用井架的安全负载成为未知数，给钻井作业的安全生产埋下重大隐患。因此，及时检测出在役石油井架的结构损伤， 准确预测出在役石油井架的承载能力，对于制定科学合理的井架检测周期、消除石油井架的安全隐患具有重要的意义。目前，通常采用电阻应变片法对在用石油井架承载能力进行预测，即在井架表面粘贴应变片，通过施加载荷、测量电流的变化来确定其工作应力。然后依据标准SY/T 6326 《石油钻机和修井机井架、底座承载能力检测评定方法》评定其承载性能。由于石油井架长年暴露在野外，工作环境恶劣，电阻应变片法受雨雪、风沙的影响较大。尤其是在严寒季节受气温的影响，应变片粘贴不牢固给应力测试带来极大的误差和不确定性。另外，这种测试方法的抗干扰能力较差，容易受周围工作电机放电和工频交流磁场的干扰等，当干扰信号比被测信号强时，测试工作就会彻底失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种石油井架承载能力的测试方法，以解决现有的石油井架承载能力的测试方法存在的抗干扰能力较差，承载能力测试准确性差和易受外界因素的影响等技术问题。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案，具体按以下步骤进行步骤1 建立构成石油井架主体的结构的材料性能数据库；步骤2 建立构成石油井架主体的结构的截面数据库；步骤3 以需测试的石油井架的主体结构设计图为蓝本，建立该石油井架主体结构的3D模型；步骤4 对步骤3中需测试的石油井架进行宏观检验；步骤5 对步骤4宏观检查后的石油井架进行精确测量；步骤6 在对需测试的石油井架进行步骤4宏观检验和步骤5精确测量的基础上， 对步骤3建立的需测试的石油井架的3D模型进行修正，修正后的3D模型即为基于原形的石油井架模型；步骤7:基于步骤6得到的石油井架模型，采用有限元软件ANSYS对石油井架的承载能力进行评定。所述步骤3中石油井架主体结构的3D模型的建立首先，根据石油井架端点坐标建立节点，再从步骤2建立的石油井架主体的结构的截面数据库中选择相应的截面，然后通过对节点连线的方法建立相应结构的拉伸路径，完成对石油井架主体的结构的3D模型
的建立。所述步骤5中精确测量时，首先在任一水平面上、以石油井架在该水平面上的截面形心为坐标原点0，在该坐标原点0所在的平行于石油井架待测侧面的平面内建立水平设置的Y轴，在该Y轴所处的水平面内建立过坐标原点0并垂直于该Y轴的X轴；坐标原点0、Y轴和X轴形成XOY平面，过坐标原点0建立垂直于该XOY平面的Z轴，建立全局三维坐标系ΧΥΖ，然后，在垂直于待测侧面的X轴上取点F作为测量点，则点F在全局三维坐标系CTZ中的坐标为()(F，0，0)；以点F为原点，建立以F点为原点的三个坐标轴分别与全局三维坐标系三个坐标轴相平行的局部坐标系XfYfZf，测得待测面上的待测点在该局部坐标系中的坐标，通过该待测点在局部坐标系中的坐标求得该待测点在在全局三维坐标系中的坐标。所述待测点的确定原则在待测侧面上选取的待测点至少应选石油井架的上端点、下端点、立柱与斜拉筋相汇点、弯曲变形明显的部位，在相邻两个待测侧面上相应部位选取的待测点应位于同一水平面内。所述步骤7采用有限元软件ANSYS对石油井架进行稳定性分析，屈曲分析的基本步骤1)定义材料的属性，在步骤1已建立材料数据库基础上，只需输入材料数据库即可；2)定义单元实常数，在步骤2已建立型钢截面数据库基础上，只需输入型钢截面数据库即可；3)建立几何模型，导入步骤6所重构的3D石油井架模型完成分析所需的几何模型；4)选择单元类型及单元号、划分网格，在线模型基础上，根据构件的性质选用合适的单元，大腿、立柱、横梁、选用梁单元，斜拉筋选用杆单元，单元选择完毕即可对构件划分网格；5)边界条件约束，首先约束大腿脚部所有方向的自由度，其次约束人字架连接点水平方向的自由度，激活预应力影响PSTRES，然后在井架顶部施加单位载荷，通过屈曲分析即可计算出特征值；6)进入ANSYS求解器求解静力解；7)选择屈曲分析的类型和分析选项；8)再次进入ANSYS求解器，获得特征值屈曲解，由于静态分析中施加的载荷为单位载荷，因而其结果即为屈曲载荷；9)打开大变形效应开关；10)施加载荷增量，非线性屈曲分析的基本方法是逐步地施加一个恒定的载荷增量.一直到求解开始发散为止，当到达期望的临界屈曲载荷值时，应该确保使用足够精细的载荷增量；如果载荷增量太大，将不能得到精确的屈曲载荷预测值；11)自动时间步长，当自动时间步长选项打开时，程序将自动地寻找出屈曲载荷；12)施加初始扰动，在上述8)步骤预先进行了特征值分析，该特征值屈曲载荷为预期的线性载荷的上限；另外特征矢量屈曲形状可以作为施加初始缺陷或扰动载荷的根据；13)再次进入ANSYS求解器求解，然后进入后处理查看结果，该结果包含了石油井架的强度、刚度及稳定性分析数据；14)通过上述分析即可预测出石油井架的承载能力。本发明所述的测试方法基于有限元模拟，以结构力学的强度、刚度、稳定性为理论基础，采用基于石油井架原形为蓝图的3D模型，对在役石油井架的承载能力进行测试，不影响石油钻采作业，并不受气候、周围设备的影响，能实时准确地预测在用石油井架的承载能力。该测试方法摆脱了自然环境条件的制约，是一种全天候的、对现场作业无影响的、快速可靠的石油井架承载能力的测试方法。
图1是石油井架的结构示意图。图2是图1所示石油井架中所用H型钢截面形状示意图。图3是图1所示石油井架中所用L型角钢截面形状示意图。图4是3D石油井架模型。图5是待测点坐标定位原理图。图6是H型钢截面形心的测量示意图。附图编号图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型角钢横梁，9.斜拉筋，10. L型角钢横梁， 11.斜拉筋，12. H型钢横梁，13.斜拉筋，14. L型角钢横梁，15.斜拉筋，16. H型钢横梁。图5 中，101和102均为待测面，D点和E点为待测点，点F和点G为测量点。图6中，0为H型钢截面的形心，D点和E点为待测点，H为H型钢的高，B为H型钢的宽，t为型钢翼板厚度。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明提供了一种全天候、对现场作业无影响、快速可靠的石油井架承载能力的测试方法，首先建立材料性能数据库，其次建立型钢构件横截面数据库，再次对在用石油井架主要承载部位进行宏观检验和精准测量，然后建立基于该在用石油井架原形的3D模型， 最后应用有限元技术模拟石油井架承载性能。该测试方法具体按以下步骤进行步骤1 建立构成石油井架主体的结构的材料性能数据库构成石油井架主体的结构主要有立柱、横梁、斜拉筋等，为了预测石油井架整体的力学性能须建立这些结构的材料数据库，该数据库应包括上述结构材料的各种物理、化学及机械性能数据，如材料牌号、国内外材料牌号对照表、材料等级、化学成分、密度、屈服强度、抗拉强度、冲击功、断面收缩率、延伸率、弹性模量、切变模量、线胀胀系数和泊松比等； 为保证这些数据的可靠性，材料参数数据库需从现行的国内外相关标准中采集，譬如中华人民共和国国家标准GB/T 11263-2005《热轧H型钢和部分T型钢》、GBT/699-1999《优质碳素结构钢》、GBJ17-1988《钢结构设计规范》、美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers)的 ASME 规范 II 卷 A 篇铁基材料 2007 等；例如以图1所示的ZJ40/2250K型石油井架为例，该石油井架的额定最大钩载为 2250KN。该石油井架的第一段前大腿2由型钢H300 X 300组成，材料为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均由型钢H300X200 组成，材料为15Mn ；各段的主横梁，如H型钢横梁12、H型钢横梁16均由型钢H200X200组成，材料为15Mn ；上述H型钢的截面形状如图2所示；各段的次横梁，如L型角钢横梁8、L 型角钢横梁10、L型角钢横梁14由型钢L90X65组成，材料为15Mn。各段的斜拉筋，如斜拉筋9、斜拉筋11、斜拉筋13、斜拉筋15由型钢L90X56组成，材料为Q235。斜拉筋截面形状如图3所示。建立ZJ40/2250K型石油井架的材料数据库表1为构成该石油井架结构的材料化学成分表；表2为构成该石油井架的结构的材料力学性能表；表3是根据GBJ17-1988确定的构成该石油井架结构材料的物理性能数据。表1构成ZJ40/2250K型石油井架结构的材料化学成分
权利要求
1.一种石油井架承载能力的测试方法，其特征在于，该测试方法具体按以下步骤进行步骤1 建立构成石油井架主体的结构的材料性能数据库；步骤2 建立构成石油井架主体的结构的截面数据库；步骤3 以需测试的石油井架的主体结构设计图为蓝本，建立该石油井架主体结构的 3D模型；步骤4 对步骤3中需测试的石油井架进行宏观检验；步骤5 对步骤4宏观检查后的石油井架进行精确测量；步骤6 在对需测试的石油井架进行步骤4宏观检验和步骤5精确测量的基础上，对步骤3建立的需测试的石油井架的3D模型进行修正，修正后的3D模型即为基于原形的石油井架模型；步骤7 基于步骤6得到的石油井架模型，采用有限元软件ANSYS对石油井架的承载能力进行评定。
2.根据权利要求1所述的一种石油井架承载能力的测试方法，，其特征在于，所述步骤 3中石油井架主体结构的3D模型的建立首先，根据石油井架端点坐标建立节点，再从步骤 2建立的石油井架主体的结构的截面数据库中选择相应的截面，然后通过对节点连线的方法建立相应结构的拉伸路径，完成对石油井架主体的结构的3D模型的建立。
3.根据权利要求1所述的一种石油井架承载能力的测试方法，其特征在于，所述步骤5 中精确测量时，首先在任一水平面上、以石油井架在该水平面上的截面形心为坐标原点0， 在该坐标原点0所在的平行于石油井架待测侧面的平面内建立水平设置的Y轴，在该Y轴所处的水平面内建立过坐标原点0并垂直于该Y轴的X轴；坐标原点0、Y轴和X轴形成XOY 平面，过坐标原点0建立垂直于该XOY平面的Z轴，建立全局三维坐标系XYZ，然后，在垂直于待测侧面的X轴上取点F作为测量点，则点F在全局三维坐标系XYZ中的坐标为0(F，0， 0)；以点F为原点，建立以F点为原点的三个坐标轴分别与全局三维坐标系三个坐标轴相平行的局部坐标系XfYJf,测得待测面上的待测点在该局部坐标系中的坐标，通过该待测点在局部坐标系中的坐标求得该待测点在在全局三维坐标系中的坐标。
4.根据权利要求3所述的一种石油井架承载能力的测试方法，其特征在于，所述待测点的确定原则在待测侧面上选取的待测点至少应选石油井架的上端点、下端点、立柱与斜拉筋相汇点、弯曲变形明显的部位，在相邻两个待测侧面上相应部位选取的待测点应位于同一水平面内。
5.根据权利要求1所述的一种石油井架承载能力的测试方法，其特征在于，所述步骤7 采用有限元软件ANSYS对石油井架进行稳定性分析，屈曲分析的基本步骤1)定义材料的属性，在步骤1已建立材料数据库基础上，只需输入材料数据库即可；2)定义单元实常数，在步骤2已建立型钢截面数据库基础上，只需输入型钢截面数据库即可；3)建立几何模型，导入步骤6所重构的3D石油井架模型完成分析所需的几何模型；4)选择单元类型及单元号、划分网格，在线模型基础上，根据构件的性质选用合适的单元，大腿、立柱、横梁、选用梁单元，斜拉筋选用杆单元，单元选择完毕即可对构件划分网格；5)边界条件约束，首先约束大腿脚部所有方向的自由度，其次约束人字架连接点水平方向的自由度，激活预应力影响PSTRES，然后在井架顶部施加单位载荷，通过屈曲分析即可计算出特征值；6)进入ANSYS求解器求解静力解；7)选择屈曲分析的类型和分析选项；8)再次进入ANSYS求解器，获得特征值屈曲解，由于静态分析中施加的载荷为单位载荷，因而其结果即为屈曲载荷；9)打开大变形效应开关；10)施加载荷增量，非线性屈曲分析的基本方法是逐步地施加一个恒定的载荷增量.一直到求解开始发散为止，当到达期望的临界屈曲载荷值时，应该确保使用足够精细的载荷增量；如果载荷增量太大，将不能得到精确的屈曲载荷预测值；11)自动时间步长，当自动时间步长选项打开时，程序将自动地寻找出屈曲载荷；12)施加初始扰动，在上述8)步骤预先进行了特征值分析，该特征值屈曲载荷为预期的线性载荷的上限；另外特征矢量屈曲形状可以作为施加初始缺陷或扰动载荷的根据；13)再次进入ANSYS求解器求解，然后进入后处理查看结果，该结果包含了石油井架的强度、刚度及稳定性分析数据；14)通过上述分析即可预测出石油井架的承载能力。
全文摘要
本发明公开了一种石油井架承载能力的测试方法，首先建立构成石油井架主体的结构的材料性能数据库；建立构成石油井架主体的结构的截面数据库；以需测试的石油井架的主体结构设计图为蓝本，建立该石油井架主体结构的3D模型；然后对需测试的石油井架先后进行宏观检验和精确测量；根据测试结果对建立3D模型进行修正；基于修正后的石油井架模型，采用有限元软件ANSYS对石油井架的承载能力进行评定。本测试方法不影响石油钻采作业，并不受气候、周围设备的影响，能实时准确地预测在用石油井架的承载能力，摆脱了自然环境条件的制约，是一种全天候的、对现场作业无影响的、快速可靠的石油井架承载能力的测试方法。
文档编号G01B21/00GK102288401SQ20111018204
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者张玉福, 朱国新, 王纪兵, 胡国栋, 胡建启 申请人:上海蓝滨石化设备有限责任公司, 兰州蓝亚石油化工装备工程有限公司, 机械工业兰州石油钻采炼油化工设备质量检测所有限公司, 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司