18、钻井井架动力测试与综合性能评价.docVIP

钻井井架动力测试与综合性能评价* 韩东颖1 李子丰1 周国强2 (1. 燕山大学机械工程学院, 秦皇岛 066004；2. 大庆石油学院秦皇岛分院井架检测国家计量认证重点实验室, 秦皇岛 066004 ) 摘 要：提出了根据动力特性试验识别井架的模态参数，运用优化算法修改动力有限元模型，进而评价钻井井架综合性能的方法。针对井架结构特点和激振形式，推导了模态参数识别公式，介绍了有限元模型动力修正的一阶有哪些信誉好的足球投注网站优化算法。利用瞬态刹车激励，对井架进行了现场动力测试，识别出前三阶固有频率和前二阶振型，分析了井架的实际运行状况。仅依据前二阶固有频率，应用一阶有哪些信誉好的足球投注网站的优化算法，对有限元模型进行了修正，该修正模型实现了对前三阶固有频率和应力特征的精确反演，能够用于进一步的静、动力分析和综合性能评价。为钻井过程中整套钻机系统的安全平稳运行提供了新的评价方法。 关键词：钻井井架；动力测试；有限元模型；修正；优化；评价 中图分类号：TE923 文献标识码：A 一、引言 勘查油气储藏，开采石油、天然气，广泛应用钻机打勘测井、深孔取心井、生产井和注水井，钻井过程中钻机系统的安全运行十分重要。井架作为钻机系统设备中的关键部分，其安全性能直接关系到整套钻机系统的安全生产，现已被纳入评价钻机体系安全运行的项目之中。以往对钻井井架的评价主要以应力应变测试为主，辅以结构变形测量、腐蚀测厚、焊缝探伤等一套综合测试方法。这种方法的测量结果直接且较为可靠，但由于井架杆件多，测试工作量大，其中一些隐蔽部分无法进行量测，而且还需多方面协作，因此，这种检测方法存在应用条件限制和工作效率相对较低的缺点。近年来，国内一些学者在井架动力测试方面[1~3]做了探讨，在实际的应用中取得了一定的进展。结构动力检测方法不受结构规模和隐蔽的限制，只要在可达到的结构位置安装动力响应传感器即可。高效模块化、数字化的结构动力响应量测技术和日益成熟的有限元分析软件给大型复杂结构动力检测方法提供了坚实有效的技术支持。建立一个满足工程精度要求，反映结构力学特征的有限元模型是进行井架结构分析的关键一步。但由于问题的复杂性，可利用的试验信息量少，有限元模型自由度数远远多于试验可测的自由度数等原因，尽管国内外发表了大量的有关有限元模型修正的文章[4~5]，但离实际应用尚有差距。 本文采用一阶有哪些信誉好的足球投注网站优化方法[6~7]，利用结构试验测得的部分固有频率，对有限元模型进行修正，并应用该模型对高阶频率和应力反应进行了预测，预测结果取得了令人满意的效果，说明了该方法的可行性和有效性，能够用于井架综合性能的预测。为钻井过程中整套钻机系统的安全平稳运行提供了新的评价方法。 二、井架动力特性识别 钻井井架属于典型的多自由度结构体系，该体系的强迫振动方程[8]为： (1) 式中 、、分别为井架的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；为激振力向量；、、分别为井架的位移、速度和加速度反应向量。 1. 频响函数识别 (1) 随机激振频响函数识别 当激励为随机激振时，结构反应也为随机振动。则由随机振动理论可知，频响函数可按下列公式计算： (2) (3) (4) 式中 ，分别为，的自功率谱；分别为与，与的互功率谱。 (2) 无输入量测的频响函数识别 当无法测量输入或输出记录时，可利用式(4)估计频响函数。此时要求输入源的频谱平坦，可近似为有限带宽白噪声，其功率谱为一常数C，由此： (5) 实际应用中可假定脉动风或海洋波浪激励为有限带宽白噪声，可见，由于输入功率谱为常数，结构频响函数的频谱特征与结构反应的频谱特征一致。 2. 频率的识别 当无法测量输入或无输入记录时，可利用式(5)估计频响函数。此时要求输入源的频谱平坦，可近似为有限带宽白噪声，则其功率谱为一常数C0。 可见，实际应用中井架结构自振频率的识别常依据结构反应的自功率谱。但由于测量噪声和激励谱的影响，结构反应自功率谱的峰值处不一定是模态频率。可依据下列原则由结构反应频谱特征差别确定结构模态频率：①结构反应各测点的自功率谱峰值位于同一频率处；②模态频率处各测点间的相干函数较大；③各测点在模态频率处具有近似同相位或反相位的特点。 3. 振型的识别 (1) 在随机力激励下振型识别 由随机振动理论可知，当一个n自由度系统在m个自由度上作用，并有平稳随机激励时，所产生的位移响应和随机激励的功率谱密度的矩阵关系式如下： (6) 矩阵在第p行和第k列上的元素就是系统的第p个自由度和k个自由度的响应之间的互谱密度函数，它的计算公式为： (7) 当k=p时，就得到系统在第p个自由度上响应的自谱密度函数，也就是矩阵中的对角元素。它的计算公式可表示为： (8) 当时，结构阻尼比较小，则近似有： (9)