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[摘 要]为了充分发挥闲置设备的利用率，满足渤海油田无修井机平台的正常修井作业。中海油天津分公司计划将HXJ112修井机升级改造并安装于BZ34-1B平台，满足该平台的修井作业，同时合理利用陆地暂存的修井机下底座进行适应性的改造，以满足HXJ112修井机在BZ34-1B平台安装的要求。本文以HXJ112修井机下底座改造为研究对象，通过对其整体结构有限元分析进行研究，掌握满足修井机不同平台搬迁适应性改造下底座强度计算技术。
[关键词]修井机；适应性改造；有限元；计算分析
[Abstract]In order to give full play to the utilization of the idle equipments， satisfy the bohai oil field workover rig without normal workover operation platform。Cnooc Tianjin branch plans to upgraded and installed the HXJ112 workover rig on the BZ34-1 B platform， to satisfy the workover operations on the platform， and then rational utilization of land under the staging of workover rig base adaptable renovation， in order to satisfy the HXJ112 workover rig in BZ34-1 B platform installation requirements. Taking HXJ112 workover rig base under the transformation as the research object， through the study of the research of its overall structure finite element analysis， master meet the workover rig base strength calculation under different platform adaptability reform technology.
[Key Words]Workover； The Adaptation； FEM； Calculation
中图分类号：TE935 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0115-02
0 引言
近年来，随着渤海采油平台不断增加以及对原有平台的二期开发，修井机升级改造和修井机搬迁项目不断增加，在搬迁过程中由于每个平台的轨道焊接形式及井场布置不同，每次搬迁都需要对修井机做适应性改造，以适应满足相应平台正常修井作业，这就需要设计出合理且满足要求的修井机下底座，本文基于CAE技术对修井机下底座结构强度计算及稳定性计算对改造过修井机下底座进行稳定性分析，以防止下底座结构发生破坏或失稳情况发生。
1 修井机下底座改造设计
QK18-1平台HXJ112修井机是2001年由南阳石油机械厂建造的。该套修井机设计额定载荷为800kN（即80t），最大作业载荷可满足112kN，但从作业安全性角度考虑，作业时载荷要求不超过额定载荷（即800kN），HXJ112修井机的下底座导轨跨距7.5m，HXJ112修井机搬迁至BZ34-1B平台，此平台根据井口布置原有跨距为11m轨道，需要重新制作一套下底座，并且对修井机的稳定性计算。
1.1 下底座改造
利用陆地闲置修井机下底座，考虑下底座布置情况、支腿支点满足情况、移动方式及导轨跨距情况选择暂存于港区供应公司的SZ36-1B修井机下底座进行改造 改造内容如图一所示：
> 将上架总成连接的9根横撑及4根斜撑由端部全部切割掉。
> 将切割下来的所有横撑及斜撑由两端各切割250mm。
> 重新组对焊接上架总成，使上架导轨中心距由4100mm改为3600mm。
1.2 上底座改造
> 为HXJ112上底座预制4个总高为500mm新支撑腿，2个总高为500mm带步行器耳板的支撑腿。
原支腿已经满足稳定性要求，本次改造又新增新支腿及带步行器耳板新支腿，所以上底座改造过程中已不需要稳定性计算，本文不再赘述。
2 对改造后下底座建模
基于solidworks对修井机下底座进行建模，由于下底座由各种型钢组成，利用焊接件模式抽取材料库及零件库相对应各种型钢，画出下底座结构框架并生成结构梁形式。非标钢型采用自建模方式画出，做出标准焊缝，建模如图三所示：
下底座是一个空间结构件，承载能力较一般工况下其他结构形式要强，模型必须按实际尺寸、实际材料建模。以便在分析状态时承载多种载荷状况下发生失稳状况。所有横梁和中间支撑梁焊接形式必须为全融透焊接方式。保证满载荷工况下下底座强度。在海洋环境（强风、强腐蚀、强冲击）情况下选择钢结构材料为Q345。Q345--综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，满足海洋环境工作要求。
3 计算载荷和工况
海洋修井机下底座载荷包括：恒载荷（上、下底座自重、钻台自重、井架及其他附属设备重等）、环境载荷（地震载荷及强风载荷）、工作载荷（满立根满负载载荷）。
表1计算载荷包括不可控制因素，下底座承载能以上载荷要求视为满足稳定性要求。
4 基于simulation对下底座分析 设定下底座型材材料为Q345，设定夹具及与支腿连接方式，并按照表1载荷在静态状态下对下底座施加载荷。在支腿处采取全约束方式，分割受力方式施加以上载荷。如图四所示，由于下底座支腿在以前的工作中已经校核过，结果合格并通过船级社审查，在此不再赘述。
生成有限元网格，网格类型为实体网格，最大单元格大小为201.577 mm，网格品质设定为高品质，网格信息如表2：
网格采用高品质提高计算精度，约束下底座与支腿连接部分，显示所有网格控制符号及节点位置，参考材料属性及模型类型；
模型类型：
线性弹性同向性
默认失败准则：
最大 von Mises 应力
屈服强度：
2.20594e+008 N/m^2
张力强度：
3.99826e+008 N/m^2
弹性模量：
2.1e+011 N/m^2
泊松比：
0.28
质量密度：
7800 kg/m^3
抗剪模量：
7.9e+010 N/m^2
热扩张系数：
1.3e-005 /Kelvin
网格模型如下：
5 计算结果分析
下底座主要材料为Q345， 参考标准GB/T1591-2008 《低合金高强度结构钢》刚才拉伸性能参考表3
Q/HS2007.2-2002海上石油平台标准规定材料最低屈服强度与承受最大钩载时构件的最大应力之比不得小于1.67，故其许用应力[σ]为约为206.5MP，下底座许用应力及合位移参考分析结果，以下为下底座受力云图，从图中我们可以看出下底座主要受力分布情况及位移情况。
6 结论
根据以上应力云图与计算结果分析，下底座合位移约为1.26mm，位移变形很小，应力满足Q345材料屈服极限要求，应变基本可以忽略不计，显然从稳定性角度看此下底座是绝对安全稳定的。根据Q345刚才拉伸性能与计算结果表的对比也能确定本下底座不会出现失稳现象。以上加载载荷已比正常工作载荷大许多（包括作业工况，非预期工况，预期工况、地震工况以及井架起升工况），已经超过环境载荷在内的其他不确定因素载荷，由此得出下底座稳定安全系数高，确定本下底座的稳定性。
参考文献
[1] 周传喜，张延水，南丽华。海洋修井机井架有限元分析与结构优化【J】石油机械，2008，36（9）：54-57.
[2] 王世圣，张宏，董守平，等.DZ450/9-S钻机底座的非线性稳定分析【J】.机械强度，2003，25（1）39-42.
[3] 文洪莉，高学仕，杨东平，等。ZJ70DB型钻机底座承载能力的有限元分析[J].石油矿场机械，2007，36（11）：36-38.
[4] 王荣修.LD27-2-HXJ180MB海洋平台钻修井机的结构分析[J].江汉石油科技，2010，20（3）：53-56.
[5] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2003：295-305.
[6] 赵志超，张辉，赵黎黎，等.SOLIDWORKS2012中文版从入门到精通.
[关键词]修井机；适应性改造；有限元；计算分析
[Abstract]In order to give full play to the utilization of the idle equipments， satisfy the bohai oil field workover rig without normal workover operation platform。Cnooc Tianjin branch plans to upgraded and installed the HXJ112 workover rig on the BZ34-1 B platform， to satisfy the workover operations on the platform， and then rational utilization of land under the staging of workover rig base adaptable renovation， in order to satisfy the HXJ112 workover rig in BZ34-1 B platform installation requirements. Taking HXJ112 workover rig base under the transformation as the research object， through the study of the research of its overall structure finite element analysis， master meet the workover rig base strength calculation under different platform adaptability reform technology.
[Key Words]Workover； The Adaptation； FEM； Calculation
中图分类号：TE935 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0115-02
0 引言
近年来，随着渤海采油平台不断增加以及对原有平台的二期开发，修井机升级改造和修井机搬迁项目不断增加，在搬迁过程中由于每个平台的轨道焊接形式及井场布置不同，每次搬迁都需要对修井机做适应性改造，以适应满足相应平台正常修井作业，这就需要设计出合理且满足要求的修井机下底座，本文基于CAE技术对修井机下底座结构强度计算及稳定性计算对改造过修井机下底座进行稳定性分析，以防止下底座结构发生破坏或失稳情况发生。
1 修井机下底座改造设计
QK18-1平台HXJ112修井机是2001年由南阳石油机械厂建造的。该套修井机设计额定载荷为800kN（即80t），最大作业载荷可满足112kN，但从作业安全性角度考虑，作业时载荷要求不超过额定载荷（即800kN），HXJ112修井机的下底座导轨跨距7.5m，HXJ112修井机搬迁至BZ34-1B平台，此平台根据井口布置原有跨距为11m轨道，需要重新制作一套下底座，并且对修井机的稳定性计算。
1.1 下底座改造
利用陆地闲置修井机下底座，考虑下底座布置情况、支腿支点满足情况、移动方式及导轨跨距情况选择暂存于港区供应公司的SZ36-1B修井机下底座进行改造 改造内容如图一所示：
> 将上架总成连接的9根横撑及4根斜撑由端部全部切割掉。
> 将切割下来的所有横撑及斜撑由两端各切割250mm。
> 重新组对焊接上架总成，使上架导轨中心距由4100mm改为3600mm。
1.2 上底座改造
> 为HXJ112上底座预制4个总高为500mm新支撑腿，2个总高为500mm带步行器耳板的支撑腿。
原支腿已经满足稳定性要求，本次改造又新增新支腿及带步行器耳板新支腿，所以上底座改造过程中已不需要稳定性计算，本文不再赘述。
2 对改造后下底座建模
基于solidworks对修井机下底座进行建模，由于下底座由各种型钢组成，利用焊接件模式抽取材料库及零件库相对应各种型钢，画出下底座结构框架并生成结构梁形式。非标钢型采用自建模方式画出，做出标准焊缝，建模如图三所示：
下底座是一个空间结构件，承载能力较一般工况下其他结构形式要强，模型必须按实际尺寸、实际材料建模。以便在分析状态时承载多种载荷状况下发生失稳状况。所有横梁和中间支撑梁焊接形式必须为全融透焊接方式。保证满载荷工况下下底座强度。在海洋环境（强风、强腐蚀、强冲击）情况下选择钢结构材料为Q345。Q345--综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，满足海洋环境工作要求。
3 计算载荷和工况
海洋修井机下底座载荷包括：恒载荷（上、下底座自重、钻台自重、井架及其他附属设备重等）、环境载荷（地震载荷及强风载荷）、工作载荷（满立根满负载载荷）。
表1计算载荷包括不可控制因素，下底座承载能以上载荷要求视为满足稳定性要求。
4 基于simulation对下底座分析 设定下底座型材材料为Q345，设定夹具及与支腿连接方式，并按照表1载荷在静态状态下对下底座施加载荷。在支腿处采取全约束方式，分割受力方式施加以上载荷。如图四所示，由于下底座支腿在以前的工作中已经校核过，结果合格并通过船级社审查，在此不再赘述。
生成有限元网格，网格类型为实体网格，最大单元格大小为201.577 mm，网格品质设定为高品质，网格信息如表2：
网格采用高品质提高计算精度，约束下底座与支腿连接部分，显示所有网格控制符号及节点位置，参考材料属性及模型类型；
模型类型：
线性弹性同向性
默认失败准则：
最大 von Mises 应力
屈服强度：
2.20594e+008 N/m^2
张力强度：
3.99826e+008 N/m^2
弹性模量：
2.1e+011 N/m^2
泊松比：
0.28
质量密度：
7800 kg/m^3
抗剪模量：
7.9e+010 N/m^2
热扩张系数：
1.3e-005 /Kelvin
网格模型如下：
5 计算结果分析
下底座主要材料为Q345， 参考标准GB/T1591-2008 《低合金高强度结构钢》刚才拉伸性能参考表3
Q/HS2007.2-2002海上石油平台标准规定材料最低屈服强度与承受最大钩载时构件的最大应力之比不得小于1.67，故其许用应力[σ]为约为206.5MP，下底座许用应力及合位移参考分析结果，以下为下底座受力云图，从图中我们可以看出下底座主要受力分布情况及位移情况。
6 结论
根据以上应力云图与计算结果分析，下底座合位移约为1.26mm，位移变形很小，应力满足Q345材料屈服极限要求，应变基本可以忽略不计，显然从稳定性角度看此下底座是绝对安全稳定的。根据Q345刚才拉伸性能与计算结果表的对比也能确定本下底座不会出现失稳现象。以上加载载荷已比正常工作载荷大许多（包括作业工况，非预期工况，预期工况、地震工况以及井架起升工况），已经超过环境载荷在内的其他不确定因素载荷，由此得出下底座稳定安全系数高，确定本下底座的稳定性。
参考文献
[1] 周传喜，张延水，南丽华。海洋修井机井架有限元分析与结构优化【J】石油机械，2008，36（9）：54-57.
[2] 王世圣，张宏，董守平，等.DZ450/9-S钻机底座的非线性稳定分析【J】.机械强度，2003，25（1）39-42.
[3] 文洪莉，高学仕，杨东平，等。ZJ70DB型钻机底座承载能力的有限元分析[J].石油矿场机械，2007，36（11）：36-38.
[4] 王荣修.LD27-2-HXJ180MB海洋平台钻修井机的结构分析[J].江汉石油科技，2010，20（3）：53-56.
[5] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2003：295-305.
[6] 赵志超，张辉，赵黎黎，等.SOLIDWORKS2012中文版从入门到精通.