ZJ80/5850D钻机井架及底座静强度分析*

2013-06-28田丽

机械研究与应用 2013年3期

田丽

(兰州兰石石油装备工程有限公司，甘肃兰州 730050)

1 引言

石油钻机井架及底座结构复杂，受力特点及边界条件多变，通过计算软件建立模型是解决安全计算的必要途径，而模型的建立需要两个基础条件:①实际反映出井架及底座的主要结构特征;②从力学的角度出发，使建立的模型必须符合实际井架及底座自由度和受力特点。提高可靠性，降低成本，进行优化设计等方面也变得越来越重要［1］。笔者介绍了通过SAFI有限元分析软件的模型建立，以及结果分析过程。

2 井架及底座结构

2.1 井架及底座起升形式

ZJ80/5850D井架是无绷绳“K”形井架，以H型钢为主大腿的前开口式井架，在钻井过程中用以安放天车、悬挂游动系统、悬挂钻具进行升降钻杆、下套管处理井下事故等钻井作业，是钻机的重要组成部分。井架低位安装时，井架主腿支脚、人字架支脚通过高强度销轴分别销接于底座基座上，然后整体起升，如图1所示。底座采用旋升式结构，利用平行四边形原理整体起升，如图2所示。起升时先起井架，此时底座处于顶层与基座销连的低位叠放状态，待井架起升到位后，改变起升绳的连接方式，利用同一副起升绳，继续通过台面设备主绞车带动井架内部的游动系统将底座起升到位。

图1 井架底座低位图

图2 井架及底座起升图

2.2 井架及底座结构组成

ZJ80/5850D超深井钻机井架的主要由井架1至5段和人字架，以及井架附件二层台和天车组成。人字架其前后支腿座落于底座底层的左、右基座上，组成稳定的三角形结构。底座由基座、中层立柱、顶层三部分组成。底座基座包括左、右三角架、左基座、右基座、前后拉梁等。底座中层包括前立柱、后立柱、斜撑杆和斜立柱。底座顶层由左、右上座，立根盒梁、转盘梁、绞车前梁、拉梁及绞车后梁等部分组成。

3 井架及底座模型的建立

3.1 模型简化

井架及底座结构受力复杂，各杆件需承受轴向力和扭转作用，井架及底座选取自然焊接点、铰接点、变截面处为基本节点。建模主要承载构件，忽略次要部件，各部件的销子通过节点自由释放处理。

3.2 模型坐标系

全局坐标系遵循右手法则。+X为大门对侧;+Z为司钻侧;+Y为垂直地面向上方向;坐标原点为井眼中心。

3.3 相关规范要求

按照API 4F许用应力的要求，钢结构设计以“弹性设计法”为准则，须遵循AISC335-89的许用应力设计法［2］，并考虑次应力，即井架及底座结构在工作中受到各种载荷的作用，以及载荷偏心、焊接节点刚性的存在，使得井架及底座结构杆件的受力情况非常复杂，存在拉、压、弯、扭组合变形。建模选取及材料属性如表1所列。图3、4为作业、可预见、不可预见工况下井架与底座模型。

表1 井架及底座杆件材料特性

图3 井架、底座起升模型

3.4 设计载荷标准

按照API 4F《钻井与修井结构规范》(2008年，第3版)载荷设计的要求(如表2所列)，将实际井架及底座的复杂受力情况分为井架作业工况，底座作业工况，可预见工况，不可预见工况，井架起升工况，底座起升工况6种工况进行载荷加载，从而得到力学分析的各项数据。(由于有限元模型的重量肯定小于实际重量，所以通过增加负重系数予以解决。)

表2 各工况的设计载荷组合

3.5 井架及底座技术参数

井架工作高度为46 m;井架自重为1 380 kN;天车自重为50 kN;游动系统自重为130 kN;最大静钩载为5 850 kN;最大钻柱重量为2 880 kN;井架底部跨距为10 m;游动系统为7×8(游车滑轮数×天车滑轮数);钻台高度为10.5 m;二层台高度为24.5 m，25.5 m，26.5 m;二层台容量为5寸，28 m立根，280柱。

4 ZJ80/5850D钻机井架及底座静力计算

以受力的五种工况为例分析数据如下。

(1)井架作业工况满钩载、无转盘载荷、满立根载荷、风速16.5 m/s组合工况。最大钩载、井架及附件自重加载于天车梁的4个节点上，风载加载于井架主腿相应节点上。井架最大变形位于井架顶部天车梁处，最大位移38.9 mm。井架左、右前腿与左、右后腿的轴向应力同步变化，且前腿的轴向应力明显高于井架后腿，井架前腿为主要承载杆件。底座相对刚度较大，变形量小。井架及底座最大应力位于二层台与井架主腿连接处，最大应力值为152 MPa，井架主腿材料Q345-B，安全系数大于API规定的安全系数1.67的要求(满足紧凑型结构)。UC值均小于1，安全(UC值是美国ANSI/AISC《钢结构设计手册》针对钢结构物体承受压缩和弯曲等多种组合载荷联合作用时所采用的综合机械强度性能的量度指标。)。

(2)底座作业工况游动系统重量、满转盘载荷、满立根载荷、风速16.5 m/s组合工况。底座最大变形位于立根盒梁后梁处，最大位移为35.6 mm。最大应力发生在立根盒梁与转盘梁连接处，最大应力值为113.4 MPa，立根盒梁材料为Q345-B，安全系数为3大于API规定的安全系数1.67的要求(满足紧凑型结构)。UC值均小于1，安全(见图4)。

图4 井架底座作业组合工况下最大UC值

(3)可预见工况游动系统重量、满转盘载荷、风速38.6 m/s组合工况。在最大设计风速，满转盘载荷的联合作用下，底座最大变形位于转盘梁处，最大位移值为36.2 mm。最大应力发生在转盘梁主梁处，最大应力值为120.22 MPa，转盘梁材料Q345-B，安全系数大于API规定的安全系数1.67的要求(满足紧凑型结构)。转盘梁与立根盒梁主要应力均为弯曲应力，越接近井口位置位移越大，弯曲应力越大。UC值均小于1，安全。

(4)不可预见工况游动系统自重及部分钢丝绳总重、满转盘载荷、满立根载荷、风速30.7 m/s组合工况。该工况是底座承载最恶劣的工况，底座最大变形位于立根盒前梁处，最大位移值为-4.23 mm。最大应力出现在立根盒梁前梁处，最大应力值为138.6 MPa，立根盒前梁材料为Q345-B，安全系数大于API规定的安全系数1.67的要求。梁的应力以弯曲应力为主。UC值均小于1，安全。

(5)起升工况游动系统重量、无转盘载荷、无立根载荷、风速16.5 m/s组合工况。起升井架最大应力出现在井架二段起升绳导向轮附近后腿位置，最大应力值为162.3 MPa，井架材料为Q345-B，安全系数大于API规定的安全系数1.67的要求。UC值均小于1，安全。