1、修井机底座改造设计计算及结构应力测试研究摘要：修井机底座属于修井作业主要工作台面，主要应用于转盘安装，立根与工具存放等。因修井机底座是由梁与杆柱构成，其底部为四圈封闭框架结构，因结构限制，在修井作业过程中无法避让抽油机基础，进行大修作业必须需要拆除其基础方可进行。为提高大修效率，降低拆除基础工作量与费用，提出修井机底座改造设计计算与结构应力测试研究。应用有限元模型对改造后修井机底座结构进行仿真分析，通过结构应力测试，保证修井机底座改造设计的有效性及可行性，实现改造效益。关键字：修井机 底座 设计计算 结构应力 测试 Abstract：Workover rig base belongs to t
2、he workover operation main work table, mainly used in the installation, the vertical root and tool storage etc. Because of workover rig base is composed of beam and column, the bottom four ring closed frame structure, because of structural constraints, can not avoid the basis of pumping unit during
3、the workover job, overhaul operations must need to dismantle its bases can be. In order to improve the efficiency of removal of overhaul, reduce the workload and the cost basis, the stress testing of workover rig base to transform the design calculation and structure. Application of the finite eleme
4、nt model simulation analysis after the transformation of workover rig base structure, the structure stress testing, to ensure that the design base for retrofit of workover effectiveness and feasibility, realize the transformation efficiency Keyword：Calculation of workover rig base design structure s
5、tress test 中图分类号：TE249 文献标识码：A 一、修井机底座改造设计的必要性 修井机底座属于修井作业重要的工作台面，由梁与杆柱构成底部封闭式框架结构，以焊接形式构为整体。抽油机基础距井口距离让修井机底座无法正常摆放时，只有拆除抽油机基础方可进行大修作业。相对而言，一般大型抽油机井距井口距离超过 2m 时，可以在不拆除抽油机与基础的基础上进行检修作业，但这种形式下修井机底座只能采取横向摆放方式。进行抽油机基础拆除，可能会损伤一部分基础，且基础拆除费用较高。不能及时拆除基础无法修复故障问题，对油田生产活动造成影响。为此，提出修井机在不拆除抽油机基础的前提下进行抽油机井大修作业研究，
6、具有着重要的现实意义。 二、修井机底座结构改造 在研究修井机底座结构改造设计中，选择 ZT135 修井机底座进行改造研究。ZT135 修井机底座立根台与钻台属于分体式结构，通过销将两部分连接构成工作平台。在结构改造之前，修井机底部八个立柱是焊接于底层横梁之上，底座相对抽油机基础摆放示意图如下： 图 1：修井机底座与抽油机基础摆放示意图 从上图中可以看出，修井机底要避让抽油机基础，需要将图中所标注的 1-5 根横梁进行调整，为此，将 1、2 横梁改造为活动可拆卸横梁，3、4、5 横梁可以直接去掉，通过横梁调整，改变修井机底部封闭结构。在去除部分横梁的同时，需要保证底部结构稳定性，决定在底座减压钢
7、板中立柱焊，在两立柱之间进行底部横梁焊。通过对修井机底座接结构改造，部分框架支撑位置出现变化，减少了底座与地面接触面积，为保证改造后修井机底座满足力学性能要求，采取有限元分析法进行研究。 三、修井机底座改造结构有限元分析 （一）构建有限元分析模型 在采取有限元分析修井机底座时，将修井机底座附属结构如支撑台面、护栏与梯子结构去除，主要对修井机底座主要承载构件进行有限元分析。通过 ANSYS 有限元软件将底座结构划分单元，应用 PIPE16 管单元模拟底座立柱无缝钢管，底座除立柱外其他梁多采取不同型号工字梁，应用 BEAM189 梁单元模拟不同型号工字钢。为增加修井机底座与地面接触面积，焊接钢板于
8、底座立柱及横梁之下，由钢板将修井机底座荷载及重量传递给地基，地基受荷载变化提供足够反力支撑，有学者将地地基作为弹簧支撑结构，然而这种研究无法对地基整体变形进行描述，只能对底座部分节点地基下沉量进行计算。为研究地基下沉对修井机底座结构影响，采取底座 60cm 厚度地基土壤并研究地基整体变形问题。在有限元模型应用 SOLID185 实体单元代替钢板及地基土。通过 TARGE170 模拟钢板目标面，CONTA174 模拟地籍土接触面。构建有限元模型如下图所示：图 2：修井机底座改造有限元分析模型 底座荷载计算包括立柱荷载、自重荷载与额定荷载等，在计算过程中取各种荷载组合最大值。其中立柱荷载为 826
9、KN，底座最大额定荷载值为 1350KN，底座自重可以通过软件进行计算。粘土弹性模量值在 1.6-5.9MPa 范围内，泊松比取值 0.4。 （二）模型计算结果 考虑到修井机底座材料为 16Mn，按照相关规定，获取构件最小设计安全系数值为 1.67，计算获得材料许用应力值为 207MPa。为满足修井机底座结构强度等方面的要求，对改造后修井机结构进行计算，获得底座钻台立柱可以承受最大应力值为 200MPa，立根台立柱部分最大应力值计算后为 67.6MPa，底部结构立柱与横梁连接位置其应力值最大，计算结果为 185MPa，由此可以看出，修井机底座在完成结构改造后其强度满足实际需求。在有限元研究中发
10、现，地基土强度对修井机底座整体强度不会产生较大影响，但地基土强度直接影响着结构沉陷量，为此，在作业过程中应根据实际情况，保证地基强度符合作业要求。 四、修井机底座改造结构应力测试研究 （一）修井机底座改造结构应力测试方法 按照修井机底座实际结构形式，在底座主要的立柱、承载梁等构件中设置应变片，通过人工操作对底座结构施工一定工作荷载，应用动态应变仪获取一定荷载下修井机底部结构各个构件应变值，根据测量结果，获取构件相对应的应力值，实现应力测试。 （二）应力测试侧点布置 为保证应力测试效果，需要制定科学合理的应力测试测点布置方案。在测试中要做到以尽量少的布点对修井机底座各构件受力状况全面而真实的表现
11、出来。最终确定在底座立柱与转盘梁测点共布置 32 个测点。 （三）应力测试测点结构 在布置测点后，缓慢施加荷载，根据测试曲线可以获取各个测点中对应的应力值。当施加荷载值为 107.8KN 时，修井机底座转盘梁最大静应变值为-69.64，换算后可以获取其对应最大静应力值为-14.35MPa；在施工荷载的过程中，立柱相对最大静应变值为-47.77，换算后获得立柱对应最大静应力值为-9.84MPa；在测试中发现其测试所获得最大应力较之计算结果最大应力偏小，出现这种问题的主要原因为应变片设置位置有关，因修井机底座结构限制，无法将应变片设置于修井机结构应力最大位置。在测试中结合有限元仿真，通过综合分析与
12、研究发现结构应力低于许用应力值，证明修井机底座改造后其结构安全性符合要求。 五、结语 修井机底座属于修井作业主要的工作基础面，其底座设计为四圈封闭框架结构，这种结构设计形式在检修作业过程无法避让抽油机基础，需要将抽油机基础拆除后方可进行大修作业，然而抽油机基础拆除作业成本较高，工作量较大，提出进行修井机底座改造，实现在不拆除抽油机基础的前提下进行抽油机井大修作业。在本文中，对修井机底座结构进行改造，并应用有限元模型分析法及结构应力测试，对修井机底座改造结构的强度及安全性进行研究，综合证明了该改造设计方案的可行性及有效性。 参考文献： 1祝娟,邹龙庆,付海龙等.修井机底座改造设计计算及结构应力测试J.科学技术与工程,2012,12(36):9953-9956. 2管锋,黄丽红,郑立伟等.海洋修井机底座有限元分析及优化设计J.石油机械,2009,37(9):38-41. 3张超.海洋模块钻机、修井机上下底座移动闭环控制技术J.石油天然气学报,2013,35(7):155-156. 4司念亭,于雷,丁辉等.HXJ112 修井机的设计改造及现场应用J.天津科技,2013,40(4):14-16. 5关双会,周洪军,边作森等.海洋修井机下座跨距调整技术研究J.科技资讯,2012,(16):45-45,47.
