钻机井架的可靠性分析

2010-10-18赵焕娟齐明侠

石油矿场机械 2010年3期

关键词：风载井架钻机

赵焕娟,齐明侠,赵娜

(中国石油大学(华东),山东东营 257061)

钻机井架的可靠性分析

赵焕娟,齐明侠,赵娜

(中国石油大学(华东),山东东营 257061)

对ZJ30/1700DB型钻机井架进行了静力结构分析,得到井架的应力和位移分布,由此分析该井架是否满足可靠性的基本要求。井架结构的可靠指标β能较好地反映出井架的承载能力,计算出井架的最小β值可判断井架的可靠性;井架整体失效概率采用失效函数计算,并分析出保护井架安全工作的措施。

钻机井架;可靠性分析;位移;应力;倒塌;安全

Abstract:Reliability analysis for it is very important.JJ170/43 derrick is the whole pre-k-type lifted derrick,its structure can be simplified into the various parts of space steel frame structure.The load capacity of derricks can be better reflected by reliability index-β for derrick structure,the reliability of derrick can be confirmed by finding minimum reliability index derrick.Failure function was used to calculate derrick overall failure probability in order to determine the derrick state.Based on reliability analysis and the actual survey on the derrick,safety analysis will be carried out.

Key words:drilling derrick;reliability analysis;displacement;stress;collapse;safety

井架因承受大钩载荷、风载而发生变形,因此其可靠性指标的高低非常重要。本文对JJ170/43型井架进行了静力结构分析,从理论上分析该井架是否满足可靠性的要求,以发现结构的薄弱部位,并以静力分析为基础,分析井架构件截面可靠性及整体失效概率,确定此井架状态[1]。

1 有限元分析

1.1 结构简化

JJ170/43型井架为 K形整体起升井架,据构成部分的几何尺寸可将其看成细长杆件,杆件之间以焊接方式连接,所有节点都可看成刚节点,井架各部分都简化成空间刚架结构。选取井架结构的自然节点作为有限元计算模型的节点,采用梁单元作为基本单元,可将人字架简化为2个弹性支座支撑在与井架接触处,井架底部与底座的连接节点采用定铰约束模型。

1.2 Ansys计算

选用BEAM4作为基本的单元,井架共离散为178个单元,82个节点。依据美国API Spec 4F《钻井和修井井架、底座规范》(第2版),结合井架的实际作业环境,参考国内外井架设计的经验,该井架计算工况组合如表1[2]。

1.3 位移分析

井架在无立根、无风载、最大钩载的工况下主要变形为前倾变形和下压变形,此时井架顶部的位移最大,其4个节点的位移值如表2。井架在该工况下最大线位移为62.588 mm,位于井架顶部的4号节点,方向为前倾方向;最大角位移为2.382 4×10-3rad,出现在井架中上部的8号节点,方向为绕y轴旋转。

其他几种工况数据如表3。在这几种工况下,当井架承受垂直向下钩载或背面风载时,其最大位移一般出现在顶部的4号节点,方向为x方向;当井架承受侧面大风时,其最大位移出现在其中部的54号节点,方向为y方向(沿风向)。

井架的最大位移为114.6 mm,方向为x方向,出现此最大值的工况为:满立根、额定钩载、16节风速(背面来风);最大转角为1.786 9×10-2rad,方向为绕z轴的转动,出现此最大值的工况为:无立根、无钩载、47.8 m/s风速(侧面来风)。该结果满足井架允许变形的要求。

1.4 应力分析

提取每个单元I、J节点的最大、最小应力值,得到此工况下井架模型所有单元的应力数据排序,如表4。井架在此工况下,最大应力出现在左大腿前主杠的中部,最大值为107.1 MPa。API标准规定该安全系数应大于1.67。该主支杆的材料为16Mn钢,屈服极限为345 MPa,根据静强度规定,其安全系数为n=345/107=3.22＞1.67,即,此种工况下井架符合静强度安全要求。其他工况下的数据如表5。

表2 井架顶部节点的位移

表3 各工况下井架的位移

表4 无立根、无风载、最大钩载下井架单元应力的排序 MPa

表5 各工况下井架的应力

由表5可知,当井架承受垂直向下钩载或背面风载时,其最大应力值出现在其大腿前主杆的中部或中下部。当井架承受大风载时(即47.8 m/s和36 m/s风速),相同工况下侧面受风的最大应力明显比背面受风时偏大,而承受较小风载时,相同工况下背面受风的最大应力较侧面受风时稍大。

最小的安全系数为1.79＞1.67,出现此最小安全系数的工况为:无立根、无钩载、47.8 m/s风速(侧面来风),该型井架符合静强度安全的要求。

2 井架构件截面可靠性分析

结构的极限状态方程为

式中,R为结构构件的抗力,MPa;S为荷载效应,MPa,均为随机变量。

2.1 井架结构抗力和荷载效应的确定

井架构件抗力的随机性是由材料机械性能、几何尺寸的变异及结构设计计算模式的不定性等引起的,一般表达式为

式中,RK为结构构件抗力的标准值,可由设计手册查得,MPa;M为材料强度与刚度的变异;F为截面几何特性的变异;P为计算模式的不定性。

结构构件材料性能的不确定性用随机变量表示为

结构构件的几何参数不确定性为

计算模式的不确定性可用随机变量表示为

式中,a、ak分别为构件几何参数实际值和标准值;R、Rj分别为结构构件的实际抗力值和按规范公式计算的结构构件抗力计算值,MPa。

钢材的屈服强度、弹性模量、截面尺寸、杆件初曲失度及残余应力等与抗力有关因素的不确定性均服从正态分布。即构成抗力的各随机变量均服从正态分布,因此,由概率论的中心极限定理可以推出井架结构抗力近似服从对数正态分布。

井架可靠性计算可选用无风载、无立根、最大静载荷组合工况和满立根、额定载荷下承受16节风组合2种工况。作用在井架上的载荷主要有钻机的工作载荷及作用于井架上的风载。钻机工作载荷引起的效应S服从正态分布,井架上的风载L服从对数极值I分布。变异系数应由当地实际资料统计得到[3-6]。

2.2 井架构件截面可靠性计算

建立的极限状态方程为

井架构件截面的可靠度分析如图1所示,选用JC法,采用的收敛准则是验算点收敛。将相关数据代入程序,得到井架在2种工况下各构件截面的可靠指标β。

图1 JC法程序框图

2.3 井架构件截面可靠性数据的分析

表6～7分别列出ZJ30/1700DB型钻机井架无风载、无立根、最大静荷载组合工况和满立根、额定荷载下承受16节风组合工况的可靠指标和失效概率数据,按可靠指标由小到大排序,截取前10行数据。其中,ms为井架承受垂直载荷时的计算应力值;mL为井架承受风载荷时的计算应力值。由此,可以得到井架在2种工况下的最小可靠性指标。

根据《钢结构设计规范》标准,井架的可靠性指标β0=3.7,按此标准,与所得到数据作比较,有井架最小可靠性指标7.383 1＞β0,表明:①ZJ30/1700DB型钻机井架各构件可靠度足够;②井架在16节风的工况下,构件危险截面的失效概率要高于最大钩载工况,可见风载的影响是不可轻视的。

3 井架结构体系可靠性研究

实际井架是由若干个串联系统和并联系统组成的混联系统,井架整体结构的失效准则可以用失效函数Zi来表达。当失效构件数大于某一个特定值n时,作为超静定结构的井架失效,则以失效函数Zi表达的整体结构失效准则为

表6 最大荷载时井架构件可靠指标

表7 16节风时井架构件可靠指标

井架整体可靠性分析可采用井架大腿立柱构件以串联形式的链环模型来描述,可以较好地反映实际情况。如图2,井架由左、右大腿连接而成,任意1根大腿的失效都将引起整个井架的失效,这样整个井架可看作是2个串联子系统,每根大腿19个单元桁架为串联形式,计算得整个大腿的体系结构可靠度为

表8～9分别给出了井架在最大钩载时的左、右大腿失效概率计算值。由以上分析可知,在最大钩载的工况下,ZJ30/1700DB型石油井架整体失效概率为0.99×10-18,符合《建筑结构可靠度设计统一标准》,因而该井架不会发生破坏。

图2 ZJ30/1700DB型井架模型节点和单元编号

4 安全分析

以上分析表明,井架在16节风的工况下,构件危险截面的失效概率要高于最大钩载工况,可见风载的影响是不可轻视的。井架在风载及其他载荷的作用下变形,会产生安全隐患。处理井下卡钻事故时,操作过猛或负荷过大,在井架质量及安装质量较差或井架基础松垮情况下,也都有可能造成井架失效。通过调研与相关资料查询可知,井架发生最多的是倒塌。井架一旦倒塌除设备损坏、人员伤亡外,还会导致井下复杂钻井事故。

由以上分析可找出井架薄弱环节,可见井架发生倒塌原因多属于失稳破坏。一旦载荷达到或超过井架丧失稳定的临界值时,井架就会突然失去稳定而倒塌,并会带来严重后果。