K型井架悬挂机械手二层台结构设计与测试.pdf

引用格式：引用格式：周兆明,刘睿,杨忠祖,等.K 型井架悬挂机械手二层台结构设计与测试J.中国测试，2024,50(2):85-90.ZHOUZhaoming,LIU Rui,YANG Zhongzu,et al.Structural design and test of the secondary platform of K-type derrick suspensionmanipulatorJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(2):85-90.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022040024K 型井架悬挂机械手二层台结构设计与测试周兆明1，刘睿1，杨忠祖2，刘梦3，李岩4(1.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500;2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，天津300450;3.东营胜利石油技术服务有限责任公司，山东东营257000;4.胜利新大新材料股份有限公司，山东东营257000)摘要:钻机井架上的二层台增加悬挂式机械手可以提高钻采效率，但会导致二层台整体受力增大，而传统井架二层台结构设计时未考虑增加悬挂式机械手，需要改进其结构，提高二层台承载能力以满足加装二层台机械手后的井架整体承载要求。在现有二层台结构基础上，对普通井架二层台改进结构设计，优化力学结构，强化二层台承载性能，用 Ansys 软件对该设计模型进行了数值计算和结构分析。利用 STS-WiFi 无线结构测试系统对优化结构后的二层台进行现场应变测试，通过砝码施加阶梯载荷并实时监测二层台关键测试点的应力变化。整理分析测试数据并将现场测试结果与理论计算结果比较，研究表明现场测试结果与理论计算结果相吻合，该增加悬挂式机械手的二层台结构设计满足强度要求，可用于钻采作业。关键词:井架二层台;结构优化;有限元分析;应力测试中图分类号:TB9;TE923文献标志码:A文章编号:16745124(2024)02008506Structural design and test of the secondary platform of K-typederrick suspension manipulatorZHOUZhaoming1,LIURui1,YANGZhongzu2,LIUMeng3,LIYan4(1.SchoolofMechatronicEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;2.EngineeringTechnologyResearchInstituteofCNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLimited,Tianjin300450,China;3.DongyingShengliPetroleumTechnologyServiceCompanyLimited,Dongying257000,China;4.ShengliXindaNewMaterialCompanyLimited,Dongying257000,China)Abstract:Inordertoimprovetheefficiencyofdrillingandproduction,thehangingmanipulatorisaddedtothesecondaryplatformontherigderrick,whichwillleadtotheincreaseoftheoverallforceofthesecondaryplatform.However,thehangingmanipulatorisnotconsideredinthestructuraldesignofthetraditionalderricksecondaryplatform.Itisnecessarytoimproveitsstructureandimprovethebearingcapacityofthesecondaryplatformtomeetthebearingrequirementsofthederrickafteraddingthesecondaryplatformmanipulator.Basedontheexistingsecondaryplatformstructure,thestructuredesignoftheordinaryderricksecondaryplatformisimproved,themechanicalstructureisoptimized,andthebearingcapacityofthesecondaryplatformisstrengthened.NumericalcalculationandstructuralanalysisofthedesignedstructurebyAnsyssoftware.The收稿日期:2022-04-06；收到修改稿日期:2022-08-25基金项目:国家自然科学基金项目（51974271）作者简介:周兆明（1983-），男，河南南阳市人，副教授，博士，研究方向为油气生产过程安全工程与油气计量、无损检测技术。第50卷第2期中国测试Vol.50No.22024年2月CHINAMEASUREMENT&TESTFebruary,2024STS-WiFiwirelessstructuretestsystemwasusedtoconducton-sitestraintestontheoptimizedstructureofthesecondaryplatform.Theloadofthesecondaryplatformwasgraduallyincreasedbyincreasingtheload,andthestresschangeoftherelevanttestpointsofthesecondaryplatformwasmonitoredinrealtime.Thetestdatawerecollatedandcomparedwiththesimulationresults.Researchshowsthatthefieldtestresultsareconsistentwith the theoretical calculation results.The structural design of the secondary platform of the suspendedmanipulatormeetsthestrengthrequirements,andcanbeusedfordrillingandminingoperations.Keywords:secondaryplatformofderrick;structuraloptimization;finiteelementanalysis;stresstest0 引言井架二层台具有取放钻杆，承受作业载荷的功能，常规陆地井架通常采用传统的起钻方式，由井架工在井架的二层台上进行大量重复的人工起钻工作，这种工作方式既存在极大的生命安全隐患，也会阻碍石油钻井的效率。随着生产需求的增大和钻井工艺的不断发展，人工起钻作业已不足以满足现代石油开采的要求1，石油井架的二层台开始陆续增加自动排管装置以代替传统的人工起钻。自动排管系统过去主要应用于海洋油气开采，陆地钻机应用较少，由于其包括铁架工及机械手等部件，具有相当的质量，传统陆地井架在进行结构设计时没有考虑自动排管系统承重问题，若直接悬挂机械手及铁架工，容易导致井架超过安全承重从而引发安全事故，影响能源开采甚至造成生命财产损失。因此需要设计合理的二层台悬挂结构使增加质量后的二层台能满足强度校核2，保证钻采安全。对于井架及二层台结构分析与设计，目前有许多学者进行了研究。鲍泽富等3设计了一种悬挂在井架二层台上的自动排管机械手，可一定程度上实现自动取放钻杆；Rohde 等4研究了一种二层台自动排管系统，完成了软硬件设计和现场测试，该系统可实现钻杆的自动取放；刘金梅等5基于有限元动力模型，以一种在役井架为研究对象，优化修正函数，总结出一套用于石油井架承载力评估的计算方法；Zheng 等6针对石油井架的结构失效问题，用蒙特卡罗有限元法计算井架各构件的静态破坏概率，得到了系统的时变可靠度；刘冬等7对在役井架开展仿真计算和载荷测试，评估了 JJ113/32 型井架的疲劳寿命；Liao 等8运用数值模拟的方法分析了井架在风载荷下的稳定性，发现井架受力后最先发生屈曲的位置是井架与平臂的连接处；Jian 等9运用Ansys 软件建立有限元模型，对钻机井架的模态及谐响应进行了理论研究和数值计算；Xu 等10对井架进行了静态分析和载荷工况分析，导出了井架的动力平衡方程及相应的质量和刚度矩阵。综上，目前对井架整体结构的理论分析和测试较多，在自动排管系统的研究上也更关注机械手结构的设计，少有人针对二层台进行结构优化，强化其力学性能，使其承载能力达到自动排管系统的要求。主流自动排管系统分为推扶式和夹持式11。推扶式系统利用两套机械手完全模拟人工起钻，不需要二层台承受钻杆质量，适合陆地钻采工艺，但该结构需装配两套机械手配合工作，且取放立柱功能需由天车吊卡承担，工作效率较低。夹持式系统将机械手直接悬挂在二层台上，只靠一个机械臂进行钻杆取送，工作人员在控制室就可完成起钻工作，操作便捷，安全性高，目前夹持式系统在国内具有一定市场。但由于夹持式结构中二层台需承受机械手及钻杆的质量，对二层台的承载能力要求较高。本文针对夹持式结构对二层台承载能力要求高的特点，以 5000mK 型井架的二层台作为研究对象，设计了一种优化的二层台结构，提高二层台承载能力，用有限元软件对该结构进行了仿真计算，并利用 STS-WiFi 无线结构测试系统对改进结构后的井架样机进行现场应力测试，将理论计算结果与实测数据进行分析对比，判定该结构是否符合现场钻采作业的强度要求。1 结构设计及仿真分析1.1 结构设计传统 K 型井架广泛运用于钻采作业，在对该款井架进行二层台结构优化时，应尽量不改变太多的原有井架结构，以避免由于二层台结构的较大变化对井架整体结构造成影响，也能减小施工难度。桁架结构强度高、质量轻、抗变形能力强，在工程中应用广泛，才琪12提出一种不需设置体积约束的双向渐进桁架拓扑优化方法，并以平面简支桁架作为算例优化，计算结果显示该方法可有效优化桁86中国测试2024年2月架拓扑结构，减少材料用量。本文基于这种优化理念，结合 K 型井架及二层台的实际作业需求，在原有二层台结构上增加一种等高简支桁架结构，这种桁架结构简单，用钢量少，能减少由于井架施工或自重增加对井架原有结构的影响，且桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，结构内部受剪力影响较小，能充分利用材料强度13，将作业时所受载荷分摊到二层台的葫芦吊梁及各个悬臂上，从而加固二层台，提高二层台的承受能力。设计模型如图 1 所示，蓝色部分为增加的桁架吊梁结构，其余部分为传统二层台结构。新增结构传统二层台结构图 1 悬挂机械手的二层台模型1.2 仿真分析为了验证改进结构后的井架二层台是否满足正常作业强度，对该钻机井架及二层台在 Ansys 软件中建立有限元模型并进行数值计算。5000mK 型石油钻机各部分质量参数：天车质量8500kg、游动系统质量15000kg、顶驱质量16000kg，因此井架天车整体承受质量约为 39500kg；二层台及安装装置质量为 7000kg。建立模型时，坐标系原点建立在井架的底部，X轴和 Y 轴的中心位于井架顶部中心，Z 轴的坐标零点位于井架底部。井架有限元模型的单元选用BEAM188 梁单元，模型基本结构由点和线组成。材料选择低碳钢，弹性模量 E=206000MPa，泊松比为0.3，主杆及二层台主杆等都采用 Q345B 钢，屈服应力为345MPa，辅助杆及斜支撑等都采用Q235B 钢，屈服应力为 235MPa，井架有限元模型如图 2 所示。二层台机械手在作业时主要工作内容为夹持排送钻杆，机械手及二层台自重约为 7000kg，5000mK 型井架在作业时可夹持的最大质量钻杆为钻铤，质量约 8000kg。利用有限元仿真软件分别计算二层台在自重下和夹持最大质量钻杆时所受的等效应力。根据仿真计算，二层台在自重下最大等效应力约为 48MPa，夹持钻挺后二层台最大等效应力约为 88.3MPa，等效应力云图见图 3 和图 4。根据第四强度准则，二层台结构满足最大承载状态的强度要求。0.2151095.310 8410.681 716.022 521.363 326.704 232.045 137.385 942.726 748.067 5压力/MPa图 3 二层台自重下等效应力云图0.29810119.817 2919.634 629.451 939.269 149.086 458.903 768.721 578.538 388.355 6压力/MPa图 4 二层台夹持钻挺等效应力云图ZYX图 2 5000 m K 型井架有限元模型第50卷第2期周兆明，等：K 型井架悬挂机械手二层台结构设计与测试87为了更好对比分析，在有限元软件中去掉新增的桁架结构，计算传统二层台结构在机械手夹持质量为 8000kg 的钻铤下的等效应力，结果如图 5 所示。根据有限元计算结果，传统二层台结构在最大载荷下等效应力为 185MPa，大于优化后的结构。该结果一定程度上可证明二层台结构优化后整体力学性能提升，承载能力加强。0.29710922.403 942.807 562.203 583.302 6103.211 0123.615 0144.019 0164.423 0185.826 0压力/MPa图 5 传统二层台结构夹持钻挺等效应力云图2 现场测试为了验证仿真计算结果的准确性及该二层台结构在真实环境下的可靠性，对已经优化二层台结构的井架样机进行现场测试，分析该二层台在不同质量下的参数变化情况。2.1 测试原理二层台机械手在作业时会夹持不同质量的钻杆，其中质量最大的钻杆为钻铤，质量约为 8000kg。在夹持排送钻杆的过程中，二层台由于钻杆质量产生应变，根据胡克定律可知：=E(1)式中：材料所受正向应力；E材料的弹性模量；材料的正向应变。测量二层台相关位置在排送钻杆过程中的应变情况，可以分析其应力变化情况。在样机测试中，通过悬挂砝码来模拟现场作业中夹持钻杆。由于钻杆质量不一，可采取逐级增加砝码来模拟不同质量的钻杆，当砝码质量增加到8000kg 时，可看作二层台机械手已夹持最大质量的钻杆，研究此时二层台相关位置所受应力情况，并与有限元计算结果对比，可以验证该结构是否能改善井架承载能力。在理想测试条件下，二层台所受应力随砝码质量的变化为线性关系，在逐级增加砝码的过程中，分析二层台所受应力随砝码质量的变化关系，如果变化曲线趋近于直线，则说明测量数据更具可靠性。2.2 测试仪器及步骤现场测试仪器使用美国 BDI 公司生产的 STS-WiFi 无线结构测试系统，该款测试系统配有高精度应变传感器，测试数据通过无线传输至上位机，减少传统应变测量过程中繁琐的导线安装布置。每一个无线传输节点都具有 4 个数据采集通道，支持重复使用及软件自动识别。在进行正常开采作业时，二层台机械手在夹持排送钻杆时主要受单向拉（压）应力，最大应变通常位于金属表面，结合钻机二层台有限元计算的应力分布规律，选择单向应变传感器在二层台的相应位置进行布点设置，选取不同的测试点进行测试，测点均布置于受力较大的部位，见图 6。M1、M2 选取在二层台桁架吊梁上受力较大的区域，可以反映出桁架吊梁的受力情况；M3、M4 选取在二层台的左悬臂上相应区域，反映出左悬臂的受力情况；M5、M6 选取在二层台右悬臂上，其选取理由同 M3、M4；M7 选取在铁架工悬挂吊耳上，其结构虽小，但受力较大。M1M2M4M3M7M5M6图 6 二层台结构示意图及测点位置布置井架现场测试时应有合适的测试环境,测试选用的井架工作环境为无雨、无雪、无风，检测温度20，相对湿度为 60%。测试中，通过在机械手上悬挂砝码模拟现场开采作业时机械手不断夹持排送钻杆的工作过程，每 250s 增加一级砝码，记录不同砝码质量下每个测点的应变测试数据，砝码最大增加到8000kg，现场测试图片如图 7 所示。88中国测试2024年2月图 7 现场测试图片3 数据分析3.1 数据处理完成现场测试后记录下各测点的应变数据，见表 1。本次测试前已对装置调零，所有测得结构的应变值不包含钻机铁架工及二层台自重产生的应变，所测应变值是所加载的载荷所产生的应变14，测试应变时悬持臂与旋转支座的中心距离保持 2850mm的距离。表 1 二层台测点应变值砝码质量/kg各测点应变值/M1M2M3M4M5M6M7200095.294.046.355.578.340.818.34000210.1196.6103.3114.0156.290.536.66000321.8296.5154.2171.1234.3142.648.57000377.3342.1181.6199.1269.8157.254.38000433.2392.9205.3227.8308.4177.462.3在测试数据中，二层台上面的葫芦吊梁受到载荷的拉力产生弯矩，吊梁的下表面受到拉伸，因此所测的应变值为正值；吊梁上表面受到挤压，因此所测得的应变值为负值15。对测得应变较大的测点 M1、M2、M5 进行数据分析，其应变与时间关系如图 8 所示。随着时间推移，载荷逐级增加，二层台在载荷的作用下发生形变，对应的测点应变值会上升一个台阶。3.2 结果分析二层台机械手在排送钻杆时主要受单向拉（压）应力，应变传感器所测数据为单向应变，井架二层台材料的弹性模量为 206000MPa，根据胡克定律可近似计算出该点所受应力。用砝码质量作横坐标，测点所受应力作纵坐标，建立测点 M1、M2、M5 所受应力随砝码质量变化的对应关系曲线，且开展相应的回归计算，见图 9。从实测数据看出：随着测试砝码逐级增加，二层台结构所受应力不断增大，不同砝码质量下测点数据大致位于一条线上，线性关系较好。当砝码质量增加至 8000kg 时，M1 测点在所有测点中应变值最大，为 433.2，材料弹性模量为 206000MPa，该点应力约为 89.2MPa。将测试数据与理论计算结果进行对比，发现对应测点所受的最大应力值接近，可互相验证结果的准确性。由于主杆及二层台主杆等都采用 Q345B 钢，其屈服强度为 345MPa，而二层台在悬挂机械手并进行夹持钻铤的作业时的最大应力不超过 90MPa，可判断该二层台优化结构后承载能力满足设计要求，可在现场作业时使用。目前生产研发自动机械手钻机的企业主要有瑞士的威福德公司，国内的宝石机械、杰瑞集团、中石050050100150200250300350400450500250500750 1 000时间/s(a)测点 M11 2501 5001 7502 000040035030025020015010050050100250500750 1 000时间/s(b)测点 M21 2501 5001 7502 000035030025020015010050050100250500750 1 000时间/s(c)测点 M51 2501 5001 7502 000应变/应变/应变/图 8 测点 M1、M2、M5 的应变-时间曲线第50卷第2期周兆明，等：K 型井架悬挂机械手二层台结构设计与测试89化机械四厂等。其中威福德公司与宝石机械均有生产夹持式自动排管机械手，但由于未对二层台结构进行优化，为保障安全通常采用更高强度的二层台金属材料，并对机械手进行轻量化设计11，会增加一定的生产及施工成本。本文采取优化二层台结构的方法，不需更换高强度的金属材料，具有一定市场优势。4 结束语1）针对 5000mK 型井架二层台建立有限元模型，研究了优化结构前后二层台的受力情况。结果表明，在施加相同质量时，增加桁架结构后二层台对应位置所受等效应力小于传统二层台结构，该二层台承载能力有一定提升。2）利用无线应变测试系统对井架样机进行现场测试，通过悬挂不同质量的砝码模拟二层台机械手夹持排送钻杆的作业过程并记录相关应变数据。分析测试数据可知，随着砝码不断增加，二层台各个测点所受应力逐渐增大，且具有良好的线性关系，当砝码增加到 8000kg 时，二层台所受最大应力仍处于该款井架的安全强度范围，证明这种增加桁架结构的二层台可悬挂机械手进行钻杆排放作业，具有一定生产价值。3）井架样机的现场测试环境干扰因素较少，而石油钻采现场环境相对复杂，风力大小、平台工人数量、附加设备质量及其他相关因素均会影响二层台受力情况，针对现场实际情况还可进一步研究。参考文献 宋云鹏.钻机二层台钻具自动排放系统设计 D.大庆:东北石油大学,2017.SONG Y P.Research on the monkey board automatic pipehandlingsystemD.Daqing:NortheastPetroleumUniversity,2017.1王婷,王明飞.多龄期锈蚀钢结构框架柱力学性能研究 J.中国测试,2021,47(6):118-123.WANGT,WANGMF.Researchonmechanicalpropertiesofframecolumnswithcorrosionsteelstructureinmulti-ageJ.ChinaMeasurementTest,2021,47(6):118-123.2鲍泽富,胡广珊.基于 PLC 的二层台自动排管机械手控制系统设计 J.制造业自动化,2019,41(12):86-89.BAOZF,HUGS.Designofcontrolsystemofanautomaticpip handing manipulator for second floor platform based onPLCJ.ManufacturingAutomation,2019,41(12):86-89.3ROHDE K,BERG T,YOST T,et al.Fully automatedpipehandling system on a 6th generation drilling vesselC/IADC/SPEDrillingConferenceandExhibition,2010.4刘金梅,周国强,韩国有.基于有限元动力模型的在役钻机井架仿真模型 J.石油学报,2009,30(5):788-792.LIUJM,ZHOUGQ,HANGY.Simulationmodelforin-service rig derrick based on finite dynamic modelJ.ActaPetroleiSinica,2009,30(5):788-792.5ZHENGY,HED,CHENGY,etal.Time-dependentreliabilityanalysisofoilderrickstructuresinmechanismfailuremodeJ.InternationalJournalofSteelStructures,2020,20(3):985-1002.6（下转第 116 页）01020304050607080901002 0004 000砝码质量/kg应力/MPa6 0008 00010 000(a)测点 M110090807060504030201002 0004 000砝码质量/kg应力/MPa6 0008 00010 000(b)测点 M210090807060504030201002 0004 000砝码质量/kg应力/MPa6 0008 00010 000(c)测点 M5图 9 测点 M1、M2、M5 的应力变化曲线90中国测试2024年2月王高平,李波,徐志勇,等.基于 ABAQUS 的 Lamb 波时间反转薄板损伤研究J.压电与声光,2021,43(3):346-351.WANGGP,LIB,XUZY,etal.StudyondamageofthinplateswithLambwavetimereversalbasedonABAQUSJ.PiezoelectricandAcoustooptic,2021,43(3):346-351.9李建,张斌,马锦程,等.Lamb 波电磁超声换能器三维仿真研究J.中国测试,2020,46(9):90-95.LIJ,ZHANGB,MAJC,etal.Researchon3Dsimulationofelectromagnetic ultrasonic transducer based on 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