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摘要：为了提高石油深井钻机井架抵御自然灾害的能力，通过实验和仿真技术明确其结构在地质灾害下的破坏形式很有必要。借助动力学仿真分析软件ABAQUS对ZJ70D深井钻机K型井架在不同地震载荷下的动态响应进行分析研究，包括建立其仿真模型及相关模态分析和地震时程分析。最后对该井架缩尺比为1:10的相似模型进行了模态试验，通过对比试验与仿真结果，发现前5阶频率的最大偏差为9.66%，说明井架仿真模型能准确反映原型的动力特性，采用该模型进行地震时程分析的结果具有一定的参考价值。
关键词：井架；地震激励；动力学仿真；相似模型；模态试验
Dynamic Simulation Analysis of K-type Derrick of Deep Well Drilling Rig Subjected to Seismic Load
Li Zhe1，Wu Shiying1※，Xu Chang2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Guangzhou Railway Vocational and Technical College,Guangzhou 510430,China; 2.School of Art and Design,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)
Abstract:In order to improve the ability of the derrick of oil deep well drilling rig to resist natural disasters,it is necessary to clarify the damage form of its structure under geological disasters through experiments and simulation technology.The dynamic response of K-type derrick of deep well drilling rig(ZJ70D)under different seismic loads was analyzed and studied by means of dynamic simulation analysis software ABAQUS,including the establishment of its simulation model,relevant modal analysis and seismic time history analysis.Finally,a modal test was carried out on a similar model with a scale ratio of 1:10.Through comparing the test results with the simulation results,it was found that the maximum deviation of the first 6 frequencies was 9.66%,indicating that the derrick simulation model can accurately reflect the dynamic characteristics of the prototype.The results of seismic time history analysis using this model have certain reference value.
Key words:derrick;seismic;dynamic simulation;similar model;modal test
0引言
随着社会对油气资源需求的高速增长，勘探开采工作范围日益扩展至环境恶劣的区域，这使得石油装备遭受各种地质灾害的概率大幅增加[1]。井架是石油钻机的重要组成部分之一，现代油田对钻井机械的效率要求越来越高，致使用于石油钻采作业的井架无论其承载能力、立根容量、有效高度和空间都有了显著提高，在受到外部载荷时更容易被损坏。对大型井架结构进行地震研究，提高井架结构抗震能力，是当前石油装备领域急需解决的问题[2]。
对石油钻机井架这类大型油田设备进行相关地震研究，直接在井架原型上进行试验结果最为准确，但在原型上进行相关试验不仅要受到测试仪器、地震不确定性等客观条件的限制，还会影响正常的钻探、增加科研成本，造成测试数据单一、对比性不强，同时还会出现因所加载荷不适而对井架造成损坏，造成不必要的经济损失[3]。实验室进行模拟仿真及采用相似模型进行试验是目前大型结构动力学研究的重要手段，近年来各大高校及科研机构的学者在模型试验研究方面已经取得了较大的进展，Li Zhe等[4-5]针对大型岸桥结构不同的地震破坏形式，建立了其结构仿真计算模型并制作了多款1:20的缩尺模型进行了相关试验，并验证了其相似关系的准确性。同时国内外学者针对石油钻井井架的动力学、结构地震等也开展了深入的研究。其中，华剑等[6]依据相似理论设计了井架缩尺模型的相似比系数，以此建立了其动力学模型；胡磊等[7]建立了K型井架的相似模型并在此基础上进行了一系列动态试验；李哲等[8-9]设计了岸边集装箱起重机的缩尺模型并进行了相关的地震研究；杨慧[10]制作了井架的相似缩小模型并进行了钻柱的动态试验；赵庆梅[11]采用有机材料制作了简化的井架模型，分析了钩载对井架频率的影响；费洪海[12]制作了JJ160/41-K井架的相似模型，对结构的承载能力进行了试验分析。
目前针对井架地震研究的资料较少，本文以ZJ70D深井石油钻机K型井架为对象，通过仿真和试验相结合的方法研究其相关地震激励下的动力学特性，试验结果为石油设备的地震动力学研究提供了一定的参考。
1井架动力学仿真分析
1.1井架仿真模型
研究对象原型为型号ZJ70D的深井石油钻机K型井架，高54 m、下部宽9 m、上部宽2.65 m、前后长6 m，井架结构分为5层，主要组成构件为梁、杆、板，材料为Q345高强度钢材，屈服极限为345 MPa，弹性模量E=2.06×1 011 N/m2，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3。与其他空间钢架结构相似，井架中各构件在地震载荷下的变形大致可分为拉伸、压缩、弯曲。对结构进行简化处理后，利用ABAQUS建立井架的分析模型，由下至上依次选取8个测点布置如图1所示。
1.2井架结构模态分析
采用ABAQUS对仿真模型进行模态分析，所得前5阶频率及对应的振型如表1与图2所示。
图2所列为井架前5阶振型图，可见第1、5阶振型表现为井架整体沿z方向的弯曲摆动；第2、3、4阶则为x方向上的弯曲摆动。说明井架类结构易受到来自水平方向的激励而产生弯曲振动，故地震对井架结构的危害较大。
1.3井架结构地震时程分析
选取EL-Centro、Taft、Northridge波地震加速度记录作为输入，加速度峰值调整如表2，取有效持续时20 s，间隔时间Δt=0.02 s，设置后的地震波加速度时程曲线如图3所示。
加速度响应反映了结构对地震激励的缩放作用，位移(相对位移)响应反映了结构变形情况，在时程分析结果中提取井架测试点的加速度及位移响应能直观了解井架在地震激励下的动态特性。
在有限元软件ABAQUS中分别向井架模型底部输入调整后的3组地震加速度记录进行时程计算，输入地震波最大峰值统一调整为0.22g，结构加速度峰值见表3所示。由表中数据可见：井架由下至上依次分布测点A1、A2、A4、A5、A7、A8，不同激励下结构上加速度峰值均出现在A8点，最大值为2 474.5 mm/s2，出现在EL-Centro地震波下的A8；最小值为885.0 mm/s2，出现在Northridge地震波下的A4。
不同地震波下测点最大位移响应值如表4，最大值均出现在顶部测点A8，其中EL-Centro波下A8为所测最大值75.6 mm。
2井架相似模型模态试验
2.1试验模型
在结构振动问题中，结构的弹塑性力学性能是表征结构变形、位移和破坏的重要指标。故在相似模型试验中，结构相关参量可选为弹性模量E、几何尺寸l、密度ρ、时间t、动应力σ、位移u、速度v、加速度a、重力加速度g、固有频率ω。通过量纲分析法来确定各参量之间的关系，在线弹性范围内，这些物理量的一般函数形式为：
f(σ,l,E,ρ,t,u,v,a,g,ω)=0(1)
用C代表原形与模型之间参量的相似比，取几何比尺Cl=15，制作模型的材料和原形相同采用Q345钢，所以将几何比尺、密度比尺Cρ=1和弹性模量比尺CE=1作为基本比尺。井架的主要构件是角钢梁，试验研究主要是其主要构件的弯曲，故本文基于Euler梁的弯曲理论对其他相似比尺进行推导，如时间比尺Ct、频率比尺Cω、质量比尺Cm、位移比尺Cu、速度比尺Cv、加速度比尺Ca、应变比尺Cε和应力比尺Cσ等。
梁弯曲平衡条件为：
式中：CA为截面面积比尺；CI为截面惯性矩比尺。可得：
式中：CA为截面面积比尺；CI为截面惯性矩比尺。
可得：
频率为时间的倒数，可得到频率比尺
质量比尺Cm=CρCA Cl，位移比尺Cu=Cl，速度与加速度为位移对时间的1阶、2阶微分，所以速度比尺Cv和加速度比尺Ca可以表示如下：
根据梁弯曲应变计算公式(距离中性层为y处Cy≈Cl=15)及胡克定律可得到在弹性阶段应力与应变的相似关系：
采用与原型采用相同的材料Q345制作了尺寸相似比为1∶10的井架相似模型，通过量纲计算法得到了井架原型结构和尺寸比1∶10相似模型之间的详细比尺，如表5所示。
2.2试验结果
在相似模型上布置了多组加速度传感器，进行模态试验，通过动态数据采集仪(图5)得到各测点数据，在模态软件分析后得到井架模型的前5阶有效频率，如表6所.示。
2.3试验结果分析
将井架仿真模型频率计算结果与模型试验结果进行比较(试验值经相似转换)，可见仿真计算与试验所得频率最大误差出现在第2阶，为9.66%，试验值与仿真值有较高的相似性。
经过模态软件处理，得到井架相似模型的振型图，将前2阶振型图进行比较如图6所示(仿真与试验)，左侧(仿真)振型图与右侧(试验)基本吻合。结合以上试验结果和仿真分析结果可知，简化处理后的动力学仿真模型的低阶有效频率、振型能有效地反映真实结构的动态特性。
3结束语
按照ZJ70D型深井石油钻机K型井架实际结构建立了其动力学仿真模型，并进行了一系列地震时程计算，最后采用相似模型试验对其进行了频率振型动力学特性验证，得到以下结论。
(1)有限元模态分析结果显示该井架的主要振型为水平方向的弯曲，结构在受到地震激励时容易产生水平方向较大幅度的摆动。
(2)在不同的地震激励下，井架结构中加速度及位移最大值均出现在顶部，且结构上测点的响应值呈现依下至上递增的形式；井架相邻测点之间未出现较大位移，说明其抗震性能满足一般场地要求。
(3)相似模型模态试验结果与仿真值偏差不高，且振型轮廓大致相同，说明井架相似模型设计正确，能用于地震研究。
参考文献：
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