（機械工程專業(yè)論文）zj503150ldb鉆機井架的設計和有限元仿真分析.pdf

摘要 井架作為石油鉆機的重要組成部分，用于安放天車、游車等起升設備，承受著各種 作業(yè)載荷，因此，有關井架的設計和結構分析一直是石油機械研究的重要課題。 首先對國內外鉆機井架進行了研究，對同類產品進行了比較分析，對產品設計要求 進行了全面分析，完成了z j 5 0 3 1 5 0 l d b 鉆機井架的設計方案，確定了井架的基本參數(shù)、 材料、整體結構型式、井架的主要結構以及井架的制造工藝要求。 其次，基于a n s y s 軟件，研究了有限元仿真方法在z j 5 0 3 1 5 0 l d b 鉆機井架結構分 析中的應用。通過對井架載荷和受力的研究分析，建立了井架有限元分析模型，對井架 靜態(tài)狀況下的四種典型工況進行了有限元仿真，并根據仿真分析結果進行了強度校核和 優(yōu)化設計；對井架起升過程進行了有限元仿真分析，研究了井架不同起升角位置以及起 升用人字架的起升強度，進行了強度校核和優(yōu)化設計；建立了井架穩(wěn)定計算模型，進行 了有限元仿真分析，研究了保持井架穩(wěn)定的臨界載荷。 最后，根據井架的設計分析和有限元仿真分析得出了z j 5 0 3 1 5 0 l d b 鉆機井架設計 合理、安全可靠的結論。 關鍵詞：井架，設計，有限元，a n s y s ，結構分析 d e s i g no ft h ez j 5 0 3 1 5 0 l d bd e r r i c ka n d f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nc o m p u t a t i o na n a l y s i s g a or o n g x i a ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g a ox u e s h i a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fp e t r o l e u md r i l l i n gm a c h i n e ，d e r r i c ki su s e dt op l a c i n gt h e l i f te q u i p m e n ts u c ha sc r o w nb l o c k ，t r a v e l i n gb l o c ka n ds oo n ，a n dh o l d i n gd i f f e r e n t l o a d i n g s s o ，t h ed e s i g n i n ga n ds t r u c t u r a la n a l y s i sa b o u td e r r i c ki sa l w a y sa l li m p o r t a n tt h e m e o ft h ep e t r o l e u mm i n i n gm a c h i n e r yr e s e a r c h f i r s t ，t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd r i l l i n gm a c h i n ed e r r i c k , c a r r y i n g o nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sa b o u tt h es i m i l a rp r o d u c t sa n dt h eo v e r a l la n a l y s i st ot h ep r o d u c t d e s i g nr e q u e s t ，w ee o m pl e t e d t h ed e s i g no fd e r r i c kz j 5 0 3 15 0 l d b ，e s t a b l i s h e dt h eb a s i c p a r a m e t e r so ft h ed e r r i c k ，m a t e r i a l s ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r e ，t h em a i nd e r r i c ks t r u c t u r eo ft h e d e r r i c k , a sw e l la st h er e q u i r e m e n t so ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s s e c o n d ，b a s e do na n s y ss o f t ：、：v a r e ，w es t u d i e dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di ns i m u l a t i o n z j 5 0 315 0 l d bd e r r i c km a c h i n es t r u c t u r ea n a l y s i s t h r o u g ht h ea n a l y s i sa b o u tt h ed e r r i c k l o a da n ds t r e s s ，w eb u i l du pad e r r i c kf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，m a k eaf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o na b o u td e r r i c ko nt h es t a t i cc o n d i t i o n so ft h ef o u rt y p i c a lc o n d i t i o n s ，a n da n a l y s i s o fs i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nt h es t r e n g t ho fv e r i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g n ；s e t u p w e l lf o r t h ep r o c e s so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nt os t u d yt h ed e r r i c ko rf r o m d i f f e r e n ta n g l ea sw e l la st h el o c a t i o no ft h el i f t i n g a f r a m e 誦t l lt h el i f t i n gs t r e n g t h ，a n dt h e n c a r r yo u tt h es t r e n g t hv e r i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ed e s i g n ；a n ds e tu pas t a b l em o d e l f o rt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nt os t u d yt h ed e r r i c kt om a i n t a i nt h es t a b i l i t yo f t h ec r i t i c a ll o a d f i n a l l y ，w eo b t a i ns a f ea n dr e l i a b l ec o n c l u s i o n si na c c o r d a n c e 謝n 1t h ed e s i g no ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i so ft h e d r i l l i n gr i g d e r r i c kz j 5 0 315 0 l d b w e l l d e s i g n e d k e yw o r d s ：d e r r i c k ，d e s i g n ，f e m ，a n s y s ，s t r u c t u r a la n a l y s i s 中國石油大學( 華東) 工程碩士學位論文 第一章緒論 1 1 課題研究的意義 中油特種車輛有限公司是一個集科研開發(fā)制造為一體的石油裝備企業(yè)。主要產品為 石油專用特車、鉆采機械。近幾年來，隨著國內外石油勘探開發(fā)力度的加大，該公司在 研發(fā)車載鉆修機的成熟經驗基礎上，加快了石油鉆機產品的開發(fā)步伐，先后研制出了 2 5 k 、4 0 j 產品。2 0 0 7 年，為進一步滿足市場需要，該公司提出了開發(fā)z j 5 0 3 1 5 0 l d b 鉆機的任務，并提出了“先進、可靠、安全、方便、經濟 的設計原則，要求產品設計 制造符合功能要求和h s e 要求，達到國內同類產品領先水平。 井架作為石油鉆機的重要組成部分，用于安放天車、游車等起升設備，承受著各種 作業(yè)載荷，因此，有關井架的設計和結構分析一直是石油機械研究的重要課題。為完成 z j 5 0 315 0 l d b 鉆機設計任務，確保產品設計質量，特選定此課題，并通過本課題的研 究進一步提升公司產品設計水平，為公司的發(fā)展提供更加有力的技術支持。 1 2 國內外研究的現(xiàn)狀 1 2 1 鉆機井架的結構類型 目前國內外鉆機井架主要有塔型、前開口型、a 型、桅形等結構型式n 兒羽。其主要 特點如下： ( 1 ) 塔型井架 塔型井架主體為塔形鋼結構，采用螺栓連接，整體穩(wěn)定性好，承載能力大。由于塔 型井架多為單桿組裝結構，安裝拆卸所費時間多，且為高空作業(yè)，陸地中深井及深井鉆 機已趨向淘汰此種類型井架，但由于它具有很寬的底座基礎支持和很大的組合截面慣性 矩，因此其整體穩(wěn)定性最好。這一特點使塔型井架成為陸地超深井鉆機井架和海洋鉆機 井架的最主要的一種結構型式。 ( 2 ) 前開口型井架 前開口型井架主體為“k 型截面，大腿為片狀桁架結構，各段間采用銷子連接。 井架低位安裝，利用人字架依靠絞車動力整體起放。k 型井架拆裝方便，整體穩(wěn)定性強， 主體內部開檔大，為提升鉆具提升了較大空間，是目前國內外陸地中深井鉆機主要采用 的井架型式嘲。 ( 3 ) a 型井架 a 型井架大腿截面有矩形或三角形等形式，各段間采用銷子連接，井架低位安裝， 第一章緒論 利用人字架依靠絞車動力整體起放。a 型井架承載能力和局部穩(wěn)定性好，安裝運輸比較 方便，適用于中小型鉆機采用。 ( 4 ) 桅形井架 桅形井架主要作為車裝鉆機井架和修井機井架。工作時井架向井口方向傾斜，靠繃 繩保持井架的穩(wěn)定和承載能力。 1 2 2 鉆機井架的結構分析 石油鉆機井架是鉆機的重要承力部件之一，承受著主要的載荷，其鋼結構井架桿件 多、連接復雜，受力環(huán)境惡劣，使用工況復雜，因強度不夠、失穩(wěn)而破壞的情況在國內 外都曾發(fā)生過口3 。 為合理設計鉆機井架，需對井架進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析。靜態(tài)分析主要研究鉆機 井架在受外載荷作用后其變形、應力、應變的大小，從而判斷井架靜力強度是否滿足設 計要求；動態(tài)分析，主要是進行井架的模態(tài)分析，根據計算出的模態(tài)合理確定鉆機工作 轉速，使鉆機在工作中避免發(fā)生共振現(xiàn)象，為鉆機井架設計提供理論的依據。 隨著我國鉆機種類的不斷擴充和生產規(guī)模的不斷擴大，鉆機井架的分析計算越來越 成為一項重要的設計任務。傳統(tǒng)的計算方法相當繁瑣，并且計算時間長，計算誤差大。 當今，先進的c a d 軟件可實現(xiàn)三維實體設計，捕捉設計意識，快速得到產品幾何模型。 但是，真正能提高產品質量，改善產品性能，降低產品成本，縮短產品開發(fā)周期還要靠 計算機輔助工程技術，c a e 技術是c a d 技術向縱深方向發(fā)展的結果嫡兒6 1 。 目前，c a e 技術涉及工程和制造業(yè)信息化的所有方面，主要包含以下幾個模塊：工 程數(shù)值分析模塊，運動學動力學仿真模塊、結構優(yōu)化設計及強度評價模塊等口兒鍆。應用 c a e 技術對工程或產品進行性能分析和模擬時，一般經歷以下步驟( 如圖卜1 所示) ： 圖1 - 1c a e 技術應用步驟 f i g l 一1 c a e sa p p l i c a t i o ns t e p ( 1 ) 前處理：用圖形軟件先對工程或產品進行實體建模，進而建立有限元分析模型； ( 2 ) 有限元分析：提供豐富的單元庫、材料庫、載荷及邊界條件處理算法，具有有 2 中國石油大學( 華東) 工程碩士學位論文 限元系統(tǒng)組裝模塊以及靜力、動力、振動、線性與非線性等解法庫。通過對有限元模型 進行單元分析，進行有限元系統(tǒng)組裝，進而可以求解有限元方程，給出計算結果： ( 3 ) 后處理：根據工程或產品模型與設計要求，對有限元計算結果進行適當?shù)募庸ぁ?檢查，并以圖形方式提供給用戶，輔助用戶判定計算結果與設計方案的合理性。 c a e 軟件是迅速發(fā)展中的計算力學、計算數(shù)學、相關的工程學、工程管理學與現(xiàn)代 計算技術相結合，而形成的一種綜合性、知識密集型信息產品。所以它提供了強大的分 析功能，對模型進行有限元分析即可得到任意點的應力、應變情況，從而為優(yōu)化結構布 局提供可靠依據。a n s y s 軟件目前已成為c a e 和工程數(shù)值模擬的商品軟件，是目前 c a d i c a e c a m 的一個有效分析工具。因此，將有限元技術應用于鉆機井架的設計中， 不但能提高設計速度，而且使產品重量輕，滿足強度、剛度、受壓穩(wěn)定，是目前最有效 的一種結構分析方法陽兒1 們口。 在井架的計算分析上，針對修井機井架，高學仕等應用a n s y s 軟件進行了靜力分析 和可靠性計算，提出了修井機井架的承載分布規(guī)律n 羽：針對井架實腹式軸心壓桿的穩(wěn)定 性計算，楊雄提出了模糊可靠度的計算方法n 引；基于a n s y s 有限元分析軟件，結合在役 井架及新井架的實際承載工作情況，李夯等對z j 3 0 型石油鉆機k 形井架井架的靜態(tài)力學 性能、自振特性、穩(wěn)定性等進行綜合性能分析n 鍆；根據z j 4 0 2 2 5 0 d b 型鉆機井架及底座 的結構特點，鄒龍慶等應用有限元分析軟件對井架及底座進行了靜、動態(tài)特性分析口5 1 ； 趙慶梅等用振動理論研究了井架結構頻率與作用載荷的關系，對現(xiàn)場在用井架模型進行 了數(shù)位分析，得出了井架作用載荷與固有頻率平方之間的線性關系口引；薛繼軍等應用有 限元分析軟件分別對z j 3 0 1 7 0 0 c z 型鉆機井架在自然狀態(tài)下和有鉤載狀態(tài)下進行了模態(tài) 分析，計算得出了井架的前9 階模態(tài)頻率及相對應的主振型，通過對井架的固有頻率與 鉆機的設計工作轉速的比較，對各階模態(tài)主振型的分析，得出了該鉆機井架結構設計合 理的結論n 力；劉曉嘉等對f 3 2 0 鉆機人字架進行了仿真分析n 朗。 1 3 課題研究的主要內容 1 3 1 井架的設計 主要對產品設計要求進行全面分析，對同類產品進行比較分析，完成z j 5 0 3 1 5 0 l d b 鉆機井架的設計方案。包括：井架基本參數(shù)分析、井架材料選擇、整體結構形式選擇與 確定、井架主要結構選擇與確定、井架制造要求。 1 3 2 井架結構的理論分析 第一章緒論 重點研究分析井架設計計算的基本原則、有限元法的基本原理，建立井架的有限元 分析模型。 1 3 3 井架靜力的有限元仿真及技術分析 重點研究四種工況，包括： ( 1 ) 無風載、無立根、最大靜載荷下井架強度有限元仿真分析、強度校核和優(yōu)化 設計； ( 2 )最大風速不小于4 7 8m s 、無鉤載、無立根時井架強度的有限元仿真分析、 強度校核和優(yōu)化設計； ( 3 )最大風速不小于3 6m s 、滿立根、無鉤載時井架強度的有限元仿真分析、強 度校核和優(yōu)化設計； ( 4 ) 最大風速不小于2 0 7m s 、額定鉤載、無立根時井架強度的有限元仿真分析、 強度校核和優(yōu)化設計。 1 3 4 井架起升的有限元仿真及技術分析 重點研究井架原始結構起升角為6 。、1 0 。和1 5 。三個位置以及起升用人字架的 起升強度，進行強度校核和優(yōu)化設計。 1 3 5 井架整體穩(wěn)定的有限元仿真及技術分析 主要研究井架穩(wěn)定計算模型的建立，進行有限元仿真分析，研究保持井架穩(wěn)定的臨 界載荷，對井架穩(wěn)定性進行分析。 4 中國石油大學( 華東) 工程碩士學位論文 第二章鉆機井架的設計 2 1 設計原則 ( 1 ) 遵循“先進、可靠、安全、方便、經濟 的設計理念； ( 2 ) 產品設計制造符合功能要求和h s e 要求，達到國內同類產品領先水平； ( 3 ) 符合s y 廠r5 6 0 9 1 9 9 9 石油鉆機型式與基本參數(shù)規(guī)定； ( 4 ) 符合a p is p e c4 f 鉆井和修井井架、底座規(guī)范規(guī)定，通過a p i 認證。 2 2 設計要求 ( 1 ) 承載能力滿足50 0 0 m 鉆機能力要求； ( 2 ) 設計匹配井架的二層臺； ( 3 ) 井架低位安裝； ( 4 ) 抗風能力： 非工作狀態(tài)( 無鉤載，二層臺無立根)最大風速不小于4 7 8m s 非工作狀態(tài)( 無鉤載，二層臺滿立根)最大風速不小于3 6m s 額定鉤載、無立根 最大風速不小于2 0 7m s ( 5 ) h s e 設施齊全； ( 6 ) 符合a p is p e c4 f 要求； ( 7 ) 設計控制符合a p is p e cq 1 的規(guī)定。 2 3 基本參數(shù)分析 2 3 1 最大鉤載 井架的最大鉤載是指死繩固定在指定位置、用規(guī)定的鉆井繩數(shù)、沒有風載和立根載 荷的條件下大鉤的最大起重量。 根據s y t5 6 0 9 1 9 9 9 石油鉆機型式與基本參數(shù)規(guī)定，50 0 0m 鉆機的最大鉤載 為31 5 0k n 1 引。 2 3 2 井架高度 井架高度指的是井架大腿支腳底板底面到天車梁底面的垂直距離，但這個參數(shù)并不 能完全反映井架提供游動系統(tǒng)操作空間高度的指標。為了表明游動系統(tǒng)可上下運動的空 間，往往用井架有效工作高度這個指標，井架的有效高度定義為：鉆臺面到天車梁底面 的垂直距離。因此，井架高度可根據鉆臺上安裝的設備及起下鉆操作要求確定。 根據計算，井架有效高度定為4 4 5m 。 2 3 3 二層臺容量 二層臺容量是指在二層臺內所能靠放的鉆桿、油管的數(shù)量。通常用一定尺寸的鉆桿、 5 第二章鉆機井架的設計 油管的長度表示。 考慮到50 0 0m 鉆井深度的要求，二層臺立根容量設定為( 5 鉆桿2 8m ) 50 0 0 r n ( 1 8 0 柱) 。 2 3 4 最大抗風能力 井架的最大抗風能力是指井架在一定工況下抵抗最大風荷載的能力。 根據a p is p e c4 f 規(guī)定，無繃繩井架在無立根時的風載，最大風速不小于4 7 8m s ； 有立根時的風載，最大風速不小于3 6m s ，額定鉤載、無立根時最大風速不小于2 0 7m s 。 2 4 材料選擇 2 4 1 選擇原則 合理選用鋼材牌號是結構設計的首要任務。鋼材的牌號體現(xiàn)了材料的化學成分含量 和力學性能指標。其中，鋼材的抗拉強度是鋼材抵抗被拉斷的性能指標，同時還能反映 鋼材內部組織的優(yōu)劣，并與鋼材的疲勞強度大小密切相關；鋼材的伸長率是衡量其塑性 性能的一個指標，鋼材的塑性性能能使應力集中處的應力高峰平緩，使該截面處的應力 分布趨向均勻，能減少鋼材脆性斷裂的危險和易于冷加工；鋼材的屈服點是確定鋼材強 度設計值的主要指標；硫、磷含量超標可使鋼材脆性破壞，含碳量合格則是鋼材有良好 可焊性的重要保證別。 2 4 2 有關規(guī)定 根據g b5 0 0 1 7 鋼結構設計規(guī)范規(guī)定，為保證承重結構的承載能力和防止在一 定條件下出現(xiàn)脆性破壞，應根據結構的重要性、荷載特征、結構形式、應力狀態(tài)、連接 方法、鋼材厚度和工作環(huán)境等因素綜合考慮，選用合適的鋼材牌號和材性；承重結構的 鋼材宜選用q 2 3 5 鋼、q 3 4 5 鋼、q 3 9 0 鋼和q 4 2 0 鋼。承重結構選用的鋼材應具有抗拉 強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應有碳含量的合格保 證2 。 根據a p is p e c4 f 規(guī)定，用于井架產品的結構型材或板材的屈服強度應不小于2 5 3 m p a t 2 別。 2 4 3 井架主體材料確定 綜合考慮產品的使用工況，井架的主體材料選擇q 3 4 5 b 寬翼緣工字鋼。q 3 4 5 b 材 料為低合金結構鋼，執(zhí)行標準為g b t1 5 9 1 。該材料的主要力學性能指標如下髓3 l ： 抗拉強度= 4 7 0 - - - , 6 3 0m p a ； 6 中國石油大學( 華東) 工程碩士學位論文 屈服強度a 之3 4 5m p a ( 厚度不大于1 6l 砌) ； 伸長率6 5 2 1 ； 沖擊功a k v 3 4j ( + 2 0o c ) 化學成分( w t ) ： c ：郢2 m n - 1 0 - - - 1 6 p ：郢0 4 0 s ：郢0 4 0 n b ：o 0 15 o 0 6 0 t i ：0 0 2 - 0 2 0 s i - 0 5 5 v ：0 0 2 - - 0 15 2 5 整體結構型式選擇 2 5 1 鉆井工藝對井架的基本要求 ( 1 ) 要有足夠的承載能力，以保證起下一定深度的鉆桿柱和下方一定深度的套管 柱。 ( 2 ) 足夠的尺寸空間。井架高度越高，起下的立根長度越長，可節(jié)省時間；井架 的上下底應有必要的尺寸，以安裝天車并保證起下操作時游動系統(tǒng)設備暢行無阻；保證 鉆臺有足夠面積，以便于布置設備、安放工具，方便工人安全操作，使司鉆有良好的視 野。 ( 3 ) 應保證拆裝方便，移運迅速。世界上主要產油區(qū)大多集中于人煙稀少、交通 不便、自然條件較為惡劣的地區(qū)。而目前絕大多數(shù)的陸地鉆機鉆完一口井就需搬家、移 運到別處，再鉆下一口井。在鉆機的使用壽命期內，搬家、拆卸、運輸和安裝所耗費的 時間占了相當大的比例。因此，如何以最少的時間快速高效地移動、運送石油鉆井設備， 延長鉆機的使用壽命，使鉆井成本降為最低，成為擺在鉆井工程人員面前的關鍵問題 2 4 】【2 5 】 2 6 】 o 2 5 2 結構型式確定 目前國內外滿足50 0 0m 鉆機要求的井架多采用前開口型式。該型式結構具有拆裝 方便、移運迅速、穩(wěn)定性好的特點，因此本鉆機選用前開口結構型式。該井架主要由井 架主體、人字架、二層臺、梯子、立管操作臺、起升裝置和井架附件等組成。主要結構 見圖2 - 1 。 第二章鉆機井架的設計 ，嗣倒 傈州 蓐n 1彳 。x 爿。 。l r h m 一 僵r i 目i 俐 t 。i j 。 1 喃f 一 l d 黼 ( 骶 肩 煎j 試。 囪 骶確 。 吆 蹶 硼 | 。x 篚f h 廠j 0 | 戳r 岔弋 贏器蓬 l 一 蕾 j 瀨 _ - 圖2 - 1z j 5 0 3 1 5 0 l d b 鉆機井架結構簡圖 f i 9 2 - 1 z j 5 0 3 1 5 0 l d bd r i l l i n gr i gd e r h c k sd i a g r a mo fs t r u c t u r e 2 6 主要結構選擇與確定 2 6 1 井架主體結構 ( 1 ) 根據井架有效高度4 4 5m 的要求，考慮產品的運輸方便性、結構穩(wěn)定性和制作 工藝的復雜性，將井架主體分為五段。第1 段長度為7 5 3m ，第1 i 段長度為1 1 1 3 5m ， 、v 段長度均為1 1m 。 ( 2 ) 考慮連接強度、剛度及最大鉤載3 1 5 0 k n ，將第1 段分為左右片架，左、右片架 分為三個桁格；將第1 i 段背部設計為背扇鋼架，其左、右片架分為五個桁格；、 v 段同樣分為左、右片架，每個片架分為四個桁格，背部有鋼架和斜拉桿，采用銷子耳 板連接。 ( 3 ) 井架設計充分考慮了司鉆的視野及操作。頂跨正面2 1m ，側面2 0 5m 。 2 6 2 井架二層臺 ( 1 ) 井架二層臺設有三個安裝高度，即：2 6 5m ，2 5 5m ，2 4 5m ，可供用戶選擇。 8 中國石油大學( 華東) 工程碩士學位論文 二層臺容量為5 ”鉆桿50 0 0m ，4 柱1 0 ”鉆鋌，6 柱8 i 鉆鋌。 ( 2 ) 二層臺配帶o 5t 氣動絞車，用于起吊鉆桿。 ( 3 ) 井架靠近二層臺附近的主體及二層臺四周安裝擋風板，可減輕井架工操作時遭 受的風沙襲擊。 2 6 3 配套設施 ( 1 ) 死繩固定器固定在司鉆對面的井架右大腿內側，便于維護操作。 ( 2 ) 井架左側設有通往天車臺的梯子，右側設有通往二層臺的梯子，配防墜落裝置、 逃生裝置、登梯助升裝置。其中，梯子采用籠梯形式，更加安全可靠。 ( 3 ) 可滿足安裝頂部驅動裝置的要求。 ( 4 ) 井架配有死繩穩(wěn)繩器、快繩穩(wěn)繩器，可調套管扶正臺，起升緩沖裝置，起放井 架用可調式高支架、低支架和立管安裝座等。 2 6 4 井架主體安裝及起升 ( 1 ) 前大腿安裝在左右基座上，底跨9 m 。 ( 2 ) 井架與人字架用球鉸螺栓、螺紋頂絲和定位座連接。 ( 3 ) 人字架前支腿設計安裝在底座后基座上，形成穩(wěn)定的三角形結構。人字架( 距 臺面) 高度3 1 6 m 。 ( 4 ) 井架左右高度采用加墊片調節(jié)，井架前后用井架液壓緩沖液缸和人字架的螺紋 頂絲進行調節(jié)，以便使大鉤對中井眼。 ( 5 ) 井架進行低位水平安裝，通過人字架，整體起放井架。 ( 6 ) 底座與井架通過銷軸連接整體起升，動力采用鉆機自身動力。 ( 7 ) 在人字架上有一導向滑輪，在井架起升時快繩繞過該滑輪，對快繩起支撐和導 向作用。 ( 8 ) 當井架起升到位時，由固定在人字架上的緩沖液缸來完成緩沖作用，同時也由 它來完成井架下放初始頂推作用。 ( 9 ) 井架起升情況見圖2 2 。 2 7 制造工藝要求 2 7 。1 總體要求 制造企業(yè)應建立符合a p is p e cq 1 要求的質量管理體系。 9 第二章鉆機井架的設計 圖2 - 2z j 5 0 3 1 5 0 l d b 鉆機井架起升情況簡圖 f i 9 2 - 2 z j 5 0 3 1 5 0 l d bd r i l l i n gr i gd e r r i c kj a c ku pu n i t 2 7 2 主要質量控制內容 井架制造質量控制要求覆蓋a p is p e c4 f 要求，重點包括： 1 ) 關鍵原材料的力學性能、化學成分符合標準要求并經確認和控制； 2 ) 關鍵件的焊接人員、焊接規(guī)范、焊接材料應符合要求并經確認和控制； 3 ) 無損檢測人員、無損檢測規(guī)范應符合要求并經確任和控制。 2 8 有限元仿真分析要求 2 8 1 井架靜力分析 ( 1 ) 無風載、無立根、最大靜載荷下井架強度計算分析； ( 2 ) 最大風速不小于4 7 8m s 、無鉤載、無立根時井架的強度計算分析； ( 3 )最大風速不小于3 6m s 、滿立根、無鉤載時井架的強度計算分析； 1 0 中國石油大學( 華東) 工程碩士學位論文 ( 4 )最大風速不小于2 0 7r r g s 、額定鉤載、無立根時井架的強度計算分析。 2 8 2 井架的起升強度分析 主要分析起升角為6 0 、1 0 0 、1 5 0 時的起升強度和人字架的起升強度。 2 8 3 井架的穩(wěn)定性分析 主要分析井架的失穩(wěn)載荷。 第三章井架結構分析的理論基礎 第三章井架結構分析的理論基礎 3 1 井架設計計算的基本原則 3 1 1 靜強度規(guī)定 井架的靜強度規(guī)定是這樣的：結構中任何部位的應力如果達到材料標定的屈服強度 六，就必須認為結構已經破壞。 這個規(guī)定認為結構中某一部位的應力達到屈服強度，是結構承載的臨界狀態(tài)。按照 虎克定律，為保證結構在彈性范圍內工作，用概率統(tǒng)計分析方法，對結構材料抗力性能 進行統(tǒng)計分析，在一定的可靠度情況下，確定出一個實際應用的材料強度許用值，稱為 設計強度，。 設計強度低于材料的比例極限，當結構的計算應力低于設計強度時，結構就始終處 于彈性范圍內工作。因此，井架工作的靜強度條件為： 仃 ( 3 1 ) 式中仃一構件或結構中的計算應力； 廠一材料的設計強度。 3 1 2 穩(wěn)定性規(guī)定 井架的整體穩(wěn)定性計算的基礎是彈性穩(wěn)定理論。工程使用的計算方法有兩種，一種 是將格構式井架折算成實腹柱類構件進行穩(wěn)定計算的理論這算法，現(xiàn)行鋼結構設計規(guī) 范采用此方法；另一類是采用計算機計算技術進行井架結構整體有限元穩(wěn)定計算。 井架結構實際上是柱類構件結構。柱類構件結構是指結構中承受軸向載荷為柱的構 件。若載荷的作用線和構件兩端截面形心的連線重合為軸心受力桿柱：若載荷作用線和 構件兩端截面形心的連線平行則為偏心受力柱。另外一種情況是構件承受軸向壓力的同 時尚有橫向載荷作用，稱為壓彎柱。在井架中多數(shù)屬于柱類桿件。井架本身也可折算成 一個以承受壓力載荷為主的柱。在這些柱的工作過程中，可能發(fā)生單個柱的失穩(wěn)破壞， 也可能發(fā)生結構整體的失穩(wěn)破壞。柱的失穩(wěn)或稱壓桿穩(wěn)定問題，是指柱或柱類構件在壓 力載荷增加到某一數(shù)值時達到的一種狀態(tài)。此時，若載荷繼續(xù)增加，其承載能力將因變 形的繼續(xù)增加而降低，以至破壞，完全喪失承載能力。 圖3 - 1 ( a ) 表示一中心受壓柱。當壓力p 值不大時，若有測向力使柱發(fā)生輕微彎曲， 離開直線狀態(tài)，當側向力撤去之后，柱經過擺動，仍然回到原來的直線狀態(tài)。繼續(xù)增大 1 2 中國石油大學( 華東) 工程碩士學位論文 壓力p ，達到某一數(shù)值最時，如圖3 - 1 ( b ) 所示，柱仍保持為直線狀態(tài)，若有任何微小 的側向力使柱發(fā)生輕微彎曲，但當側向力撤去之后，彎曲變形仍保持不變，不再恢復到 原來的直線形狀，此時稱為柱的穩(wěn)定臨界狀態(tài)。當p 超過東時，柱的彎曲變形迅速增加 直至柱的破壞。圖3 1 ( c ) 的壓力一撓度曲線形式描述了柱的失穩(wěn)過程。 d p 。 i 日i 蠟 fl ( o )( b ) 圖3 - 1 中心受壓柱的失穩(wěn)過程 f i 9 3 - 1i n s t a b i l i t yp r o c e s so fc e n t e rs t r e s s p o 圖3 - 2 偏心受壓柱 f i 9 3 - 2e c c e n t r i cs t r e s s 偏心受壓柱的受力狀態(tài)如圖3 - 2 ( a ) 所示，作用載荷p 偏心距為e ，其失穩(wěn)過程的壓 力撓度曲線如圖2 - 2 ( b ) 所示。當載荷p 漸增大，柱的撓度也隨著逐漸增大。當壓力p 增 大到尼時，若想再增加壓力p ，則由于柱的撓度迅速增大而難以實現(xiàn)。弓表示偏心受 第三章井架結構分析的理論基礎 壓柱的最大承載能力，亦稱為偏心受壓柱的臨界載荷乓。 無論是中心受壓柱還是偏心受壓柱，在井架結構中是大量存在的，有時往往是它們 控制整個結構的設計。因此，穩(wěn)定性規(guī)定為： 0 w 0 ( 3 2 ) 式中 穩(wěn)定計算應力； 兀一穩(wěn)定計算的設計強度。 在實際計算中，當桿件的長細比超過一定值而進行穩(wěn)定計算時，厶 廠，常以一 折減系數(shù)矽和設計強度的乘積表示穩(wěn)定計算設計強度。所以穩(wěn)定條件為： gwspj(3-3、) 3 1 3 疲勞強度規(guī)定 構件在連續(xù)反復的載荷作用下，雖然應力低于構建材料的極限強度，甚至還低于設 計強度，也會發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞破壞是一種突然發(fā)生的破壞，疲 勞斷裂的主要特征是在即將破壞之前缺少塑性變形。由于構件破壞之前沒有明顯的變 形，致使及時發(fā)現(xiàn)這樣的斷裂成為一件很困難的事。 確定疲勞強度條件，主要目的是防止結構或構件在使用壽命期間產生疲勞斷裂。以 往的方法是采用驗算最大應力的方法，即： o m a x 0 時，失效概率可以寫成如下的各種形式： 弓= p ( z o ) = 尸【( r s ) o 】= 尸( ； 1 ) = p 1 n ( r ) o 】_ p 【( 1 n r l n s ) o 】( 3 - 1 9 ) 由概率論有： p f = 辯寸，曲捌s = 譬l 鬈，寸，s ) d r a s = 弋i 孓f r 肭) d r a s 7 心 ( 3 2 0 ) = j c o 兀( s ) 盯厶( ，) 咖協(xié)= f 厶( s ) 昧o ) a s 式中f ( r ，s ) 一( 尺，s ) 的聯(lián)合概率密度； 厶( ，) 一r 的概率密度； 2 1 第三章井架結構分析的理論基礎 石( s ) 一s 的概率密度； 最( s ) = p ( r 曰n o o o o o o o o o o o o o o f ) 荊瞞開口 圖4 - 2 二層臺立根排放示意圖 f i 9 4 - 2 t h r i b l ep u t t i n gd i a g r a mo fk e l l yb o a r d 立根對井架是水平力計算。 1 ，軸水平= 去g z r t c t g o = 4 6 5 9 3 k n 二 ( 4 ) 工作載荷分配 a ) 最大鉆柱重量或最大鉤載平均分配到頂端4 個節(jié)點上； b ) 工作繩作用也近似分配到頂端4 個節(jié)點上； c ) 立根載荷平均分配井架與二層臺相連的兩點和二層臺的下?lián)蝺牲c。 ( 5 ) 自然載荷 本井架不考慮地震和溫度作用的載荷，因此自然載荷只有風載。 風載計算式為： p ；后忌f 形( 4 1 ) 中國石油大學( 華東) 工程碩士學位論文 式中 七，一高度變化系數(shù)： 七一結構體型系數(shù)； f 一結構所有外露表面在垂直于風向的投影面上的投影面積，n 1 2 ； 形一計算風壓，k p a 。 a ) 風速 要求對四種風速對應的工況計算：2 0 7m s ，1 2 級風速：3 6m s ，4 7 8m s 。 轉換成2 分鐘時距的風速： ( v d l = 1 1 3 6 v l o 一0 9 0 9 = 1 1 3 6 2 0 7 0 9 0 9 = 2 2 6 1m s ( v 0 2 = 1 1 3 6 v l o - 0 9 0 9 = 1 1 3 6 3 6 0 9 0 9 = 4 0m s ( 1 ，2 ) 3 = 1 1 3 6 v l o 一0 9 0 9 = 1 1 3 6 x4 7 8 - 0 9 0 9 = 5 3 3 9m s b ) 風壓 彬：塵絲：0 3 1 9 5k p a 職= 壘芷：lk p a形：壘絲：1 7 8k p a 1 1 6 0 0 2 1 6 0 0 1 6 0 0 井架風載按結構分三段，上段高：1 6 5m ；中段高：1 6 5n l ；下段高： 1 8 5 0 5m 。 每段風載按均布計算。選擇背面來風和側面來風兩種風向。 c ) 背面來風載荷 背面來風時的風載 井架上段風載：( 依次風速為：2 0 7m s ，3 6m s ，4 7 8m s ) ， 鳳上正l = t 上正哆上正， 上正。彬= 11 2 5 8 11 k n & 上正2 = t 上正k 正丘正。= 3 5 6 3 8 2 k n 正3 = k 正七上正臣正嵫= 6 3 4 3 6 k n 井架中段風載：( 依次風速為：2 0 7m s ，3 6m s ，4 7 8m s ) & 中正】= 恕中正。錦正辟正。彤= 1 5 1 5 8 0 5k n ，l 風中正2 = 七：中正k 中正，中正形r 2 = 4 7 9 8 3 6 9 k n 最中正3 = 坼正正耳正= 8 5 4 1 0 9 7k n 井架下段風載：( 依次風速為：2 0 7m s ，3 6m s ，4 7 8m s ) & 下正l = 乞下正k 芷f t 正彬= 1 3 3 7 3 2 5 k n 尸贏下正2 = k ：下正k 下正f v 正w 2 = 4 2 3 3 3 8 k n & 下正3 = 屯下正七下正r t 正= 7 5 3 5 4 1 6 k n 2 7 第四章井架整體的靜力計算分析 d ) 風從側面吹時的風載 側面吹風時的風載 井架上段風載：( 依次風速為：2 0 7m s ，3 6r n s ，4 7 8m s ) 只 = 乞上一l吒吸= 8 7 2 8 8 4 8kn風_l=glll一 l - 1 1 1 0 0 斗0 o 一“：上一1 上7 7 2 一 只 = 恕堋k 側丘= 2 7 6 3 1 6 8kniid=m12 1 一“= 上飼“上側。上”2 一 & 上_ 3 = t 上_ k j = _ f 上= 4 9 1 8 4 3 9 k n 井架中段風載：( 依次風速為：2 0 7m s ，3 6m s ，4 7 8m s ) & 中飼l = 側。側耳形= 1 1 2 1 2 7 9 k n ，l 風中側= k ：中翻七中飼乓= 3 5 4 9 4 7 5 k n 尸鳳中飼3 = 側飼耳= 6 3 18 0 6 6 k n 井架下段風載：( 依次風速為：2 0 7r n s ，3 6r r d s ，4 7 8m s ) & 下= 七k 辟磁= 1 0 9 1 4 3 1kngill：- f i l lm l1 風下 一 下o 下”l 一 & 下奠2 = t 下爿k 辟翻職= 3 4 5 4 9 8 8 k n & 下= j k f t 形= 6 1 4 9 8 7 8kngll3 z - f t m l f g l l31 風下 一 “下 。7 7 一 。 e ) 側向后扇的風載 側向后扇吹風時的風載 井架上段風載：( 依次風速為：2 0 7m s ，3 6r n s ，4 7 8m s ) 尸風上_ l = kk 上側， 上彤= 2 7 6 0 1 2 4kns上tll1o 風上l 一上側1 上”一 弓甌上飼2 = 屯上側七上飼。，l 上= 8 7 4 0 1 0 2 k n & 州3 = t 上_ 厶 丘。形= 1 5 5 5 7 3 8k n r 。1 = g l l3 1 風上3 一“z 上。 1 上1 7 一 井架中段風載：( 依次風速為：2 0 7r n s ，3 6m s ，4 7 8m s ) ，風中飼l = t 中飼錦_ 。略= 5 4 0 6 0 5 9 k n & 中= 側側4 形= 1 7 1 1 3 2kntll221 風中一“神側“中側。1 中”一 1 & 中側3 = 側側乓形= 3 0 4 6 1 4 9kn3。風中側3 一“沖側“中側。中1 7 一 井架下段風載：( 依次風速為：2 0 7m s ，3 6m s ，4 7 8m s ) & 下_ l = t 下_ k f ；_ = 6 0 2 6 8 7 5 k n & 下側2 = t 下側k 咋奠= 1 9 0 7 8 4 3 k n 尸風下側3 = 乞下飼咋斥側磁= 3 3 9 5 9 6 k n 1 風下側3 一“門：飼。“下o 下側”，一 。 f ) 立根風載 中國石油大學( 華東) 工程碩士學位論文 背面來風立根風載：( 依次風速為：2 0 7m s ，3 6m s ，4 7 8m s ) 珞l = 4 1 8 3 k nk n & 2 = 1 3 2 4 1 5k n k n 珞3 = 2 3 5 6 6 9k nk n 側面來風立根風載：( 依次風速為：2 0 7m s ；3 6r n s ；4 7 8m s ) 咯l = 1 8 8 2k n珞2 = 5 9 5 8 k n 珞3 = 1 0 6 0 6 k n g ) 風載分配 井架各段風載平均分配到各段節(jié)點上。 立根風載施加于二層臺的指梁上。 4 3 井架靜力計算結果 4 3 1 無風載、無立根、最大靜載荷下井架的強度計算分析 ( 1 ) 加載 最大靜載荷2 q 嗍+ g 天車+ g 游+ 珞。= 3 8 6 8 5 7k n 需要施加如下載荷： a ) 最