井架设计.doc

借助于ANSYS软件对其JJ45045-K井架，根据技术图纸、相关参数及SYT56091999石油钻机基本参数标准，按照API SPEC 4F 62要求进行计算，整个井架模型共有255个节点，划分429个梁单元进行有限元分析。原始井架结构建模分析结果表明，61、62单元69、70、400、401、362、363单元杆件安全系数不符合API规定值，最大应力值为254MPa，安全系数136，均发生在起升起始角度450时(初始状态)，在不改变主体结构的情况下分别对这些杆件进行设计优化，优化后的结果为，最大静载下最小安全系数为177；风速478ms侧面来风时，最小安全系数为228；风速36ms、满立根、无钩载时，最小安全系数为271；井架在起升角Q=45。时，安全系数为172，满足工作安全要求。最大静载下的位移为17245mm，能够满足工作要求，风速为478ms背面来风时最大位移19715mm，此时不进行起下钻作业，风速36ms背面来风，满立根时，最大位移18587nflfn，此时不进行起下钻作业。另外按最优设计方案计算，JJ45045一K井架井架静力、疲劳、稳定指标全部满足设计要求，安全系数达到167以上，井架设计合理、安全可靠。关键词：井架有限元分析强度计算优化11课题研究的意义随着国内外石油勘探开发力度的加大，胜利油田高原石油装备有限责任公司在研发车载钻修机的成熟经验基础上，加快了石油钻机产品的开发步伐，先后研制出了ZJ30、ZJ40、ZJ50系列钻机产品。2007年，为进一步满足市场需要，该公司提出了开发ZJ704500D钻机的任务，并提出了“先进、可靠、安全、方便、经济”的设计原则，要求产品设计制造符合功能要求和HSE要求，达到国内同类产品领先水平。井架作为石油钻机的重要组成部分，用于安放天车，游车等起升设备，承受着各种作业载荷，因此，有关井架的设计和结构分析一直是石油机械研究的重要课题。为完成ZJ704500D钻机设计任务，确保产品设计质量，特选定此课题，并通过本课题的研究进一步提升公司产品设计水平，为公司的发展提供更加有力的技术支持。ZJ704500D钻机是胜利高原石油装备有限责任公司自开发出ZJ402250D、Z3503150D钻机之后，研制的第一台深井7000m系列直流电驱动钻机，经过一年的努力，钻机顺利研制完成，并且在公司钻机总装配套场地一次起升成功，顺利通过胜利油田技术检测中心的多项检测，各项指标符合有关标准和设计要求。该钻机是一种符合中国国家标准及API规范的高性能直流电驱动钻机，具有高功率储备、转盘大扭局、高效率、低损耗、适应性强、经济性好、可靠性高等优点，能最大程度地满足钻井新技术、新工艺的要求。ZJ704500D直流电驱动钻机具有以下特点：(1)采用以大功率柴油机为动力，带动交流发电机，经可控硅整流，由直流电动机驱动绞车、转盘和泥浆泵的传动方式，即ACSCRDC传动。(2)绞车滚筒整体开槽，主刹车采用液压盘式刹车，刹车力矩大，灵敏可靠。辅助刹车既可配备EATON 436WCB2伊顿刹车。下钻时平稳、省力、易控制，增大了下钻的安全性和可靠性。(3)转盘独立驱动，两档减速，充分满足高速、大扭矩钻井工艺需要。(4)井架与天车、底座、绞车等部件配套成钻机主体，在钻井过程中用以安放天车、悬挂游动系统、悬挂钻具进行起下钻杆、下套管共况及处理井下事故等作业，是钻机的重要组成部分。井架设计为前开口式无绷绳井架，主要由井架主体、人字架、二层台、梯子、立管操作台、起升装置和井架附件等组成。主体分四段，每个片架分为四个桁格，背部有刚架和斜拉杆。采用销子耳板连接，以上结构组成井架的前开口型结构。人字架其前后支腿座落于底座底层的左、右前下座上，组成稳定的三角形结构。井架与人字架用两个由i00的销子连接，井架大腿支座落在人字架前腿的支座上，井架高度及左右位置采用工具油缸加垫片调节，以便使大钩对中井眼。井架实现低位水平安装，通过钻台面上的人字架，整体起放井架。井架通过销子与人字架连接，底座在井架起升完毕后起升。井架起放动力采用钻机自身动力。在人字架大横梁上有一导向滑轮，在井架起升时快绳绕过该滑轮，对快绳起支承和导向作用。当井架起升到位时，由固定在人字架上的缓冲液缸来完成缓冲作用，同时也由它来完成井架下放初始顶推作用。井架二层台的设计容量满足用户要求。设有三个安装高度，即：265m、255m、245m。死绳固定器固定在约离台面245m高处的司钻对面的井架右大腿上。(5)采用底座为自升式平行四边形结构，由基层、底层、中层、顶层以及旋转斜梯、坡道、工具坡道、安全滑梯、栏杆等附件组成。在安装好钻台设备和起升井架之后，依靠钻机主绞车的动力，通过井架中的游动系统，带动起升井架的同一套绳系，将整个钻台起升到工作位置。在起升过程中无需更换起升大绳。12国内外研究的现状121钻机井架底座的结构类型【2】目前国内外钻机井架主要有塔型、前开口型(K型)、A型、桅形等要特点如下：1塔型井架塔型井架主体为塔形钢结构，采用螺栓连接，整体稳定性好，承载能力大。陆地中深井及深井钻机己趋向淘汰此种类型井架，但由于它具有很宽的底座基础支持和很大的组合截面惯性矩，因此其整体稳定性最好。这一特点使塔型井架成为陆地超深井钻机井架和海洋钻机井架的最主要的一种结构型式。2前开口型井架前开口型井架主体为“K型截面，大腿为片状桁架结构，各段间采用销子连接。井架低位安装，利用人字架依靠绞车动力整体起放。K型井架拆装方便，整体稳定性强，主体内部开档大，为提升钻具提升了较大空间，是目前钻机主要采用的井架型式3。3A型井架A型井架大腿截面有矩形或三角形等形式，各段间采用销子连接，井架低位安装，利用人字架依靠绞车动力整体起放。A型井架适用于中小型钻机采用。4桅形井架桅形井架主要作为车装钻机井架和修井机井架。工作时井架向井口方向倾斜，靠绷绳保持井架的稳定和承载能力。底座包括钻台底座、机房底座，用来支底座包括钻台底座、机房底座，用来支承钻井工作载荷及设备的自重载荷，并传递分配给基础和地基，随着不同地貌条件和地质条件下的油气田的勘探开发，按照不同的钻井工艺要求，设计制造出不同功能的钻机，因而也出出现各种不同结构类型的井架与底座。层箱式底座：层箱式底座是在普通的箱式底座上发展起来的，主要是以箱形框架作为基本构件，有一些杆件连接而成。根据钻台高度要求，有双层箱式、三层箱式底座，个别有四层箱式底座，钻台高度可达4-10m。其特点是设计和制造工艺简单，但结构重量大，钻机拆迁安装工作量大，高空作业需要大型起重设备。这种底座仍在使用，但有被淘汰的趋势。箱块式底座：箱块式底座是在层箱式底座基础上箱块式底座：箱块式底座是在层箱式底座基础上发展起来的。根据底座的不同功用，分别设计成不同的箱形框架、组合梁及板块，用销轴连接组装成整体。为克服重型绞车上高钻台的困难，绞车一般采用主绞车、猫头绞车分离方案，主绞车放在机房底座上，猫头绞车放在钻台上。由于此类型钻机底座整体分块，拆迁、安装和运输都方便，一般是目前机械钻机或复合驱动钻机的首选形式。自升式底座：自升式底座是近些年发展起来的一类钻机底座，其主要特征是：底座在地面组装，组装时的钻台高度一般较低，可以将绞车、转盘、井架等在底座上安装，然后通过底座自身配套的动力传动系统或钻井绞车的动力，底座整体起升到钻台工作高度。，自升底座结构类型很多，按起升方式可分为三种主要类自升底座结构类型很多，按起升方式可分为三种主要类型，弹弓式底座、旋升式底座和伸缩式底座。目前这三种形式的底座都广泛应用到各种类型的钻机中去，其中以电动钻机配套居多。根据钻机型式不同，在国内，对井架、底座的选型，大概可以分为三类：车载钻机或修井机：一般选用桅形井架和箱块式底座或白升式底座组合。122钻机井架的结构分析石油钻机井架是钻机的重要承力部件之一，承受着主要的载荷，因强度不够、失稳而破坏的情况在国内外都曾发生过【4】。为合理设计钻机井架，需对井架进行静态分析和动态分析。静态分析主要研究钻机井架在受外载荷作用后其变形、应力、应变的大小，从而判断井架静力强度是否满足设计要求；动态分析，主要是进行井架的模念分析，根据计算出的模态合理确定钻机工作转速，使钻机在工作中避免发生共振现象，为钻机井架设计提供理论的依据。当今，先进的CAD软件可实现三维实体设计，捕捉设计意识，快速得到产品几何模型。但是，真正能提高产品质量，改善产品性能，降低产品成本，缩短产品开发周期还要靠计算机辅助工程(CAE)技术，CAE技术是CAD技术向纵深方向发展的结果5【6|。目前，CAE技目前，CAE技术涉及工程和制造业信息化的所有方面，主要包含以下几个模块：工程数值分析模块，运动学动力学仿真模块、结构优化设计及强度评价模块等78J。应用CAE技术对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般经历以下步骤：(1)前处理：用图形软件先对工程或产品进行实体建模，进而建立有限元分析模型；(2)有限元分析：提供丰富的单元库、材料库、载荷及边界条件处理算法，具有有限元系统组装模块以及静力、动力、振动、线性与非线性等解法库。通过对有限元模型进行单元分析，进行有限元系统组装，进而可以求解有限元方程，给出计算结果；(3)后处理：根据工程或产品模型与设计要求，对有限元计算结果进行适当的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。ANSYS软件目前已成为CAE和工程数值模拟的商品软件，是目前CADCAECAM的ANSYS软件目前已成为CAE和工程数值模拟的商品软件，是目前CADCAECAM的一个有效分析工具。因此，将有限元技术应用于钻机井架的设计中，不但能提高设计速度，而且使产品重量轻，满足强度、刚度、受压稳定要求，是最有效的一种结构分析方法91011。在井架的计算分析上，针对修井机井架，高学仕等应用ANSYS软件进行了静力分析和可靠性计算，提出了修井机井架的承载分布规律12；针对井架实腹式轴心压杆的稳定性计算，杨雄提出了模糊可靠度的计算方法3；基于ANSYS有限元分析软件，结合在役井架及新井架的实际承载工作情况，李夯等对zJ30型石油钻机K形井架井架的静态力学性能、自振特性、稳定性等进行综合性能分析141；根据ZJ402250DB型钻机井架及底座的结构特点，邹龙庆等应用有限元分析软件对井架及底座进行了静、动态特性分析15；赵庆梅等用振动理论研究了井架结构频率与作用载荷的关系，对现场在用井架模型进行了数位分析，得出了井架作用载荷与固有频率平方之间的线性关系16：薛继军等应用有限元分析软件分别对ZJ301 700CZ型钻机井架在自然状态下和有钩载状态下进行了模态分析，计算得出了井架的前9阶模态频率及相对应的主振型，通过对井架的固有频率与钻机的设计工作转速的比较，对各阶模态主振型的分析，得出了该钻机井架结构设计合理的结论17；刘晓嘉等对F320钻机人字架进行了仿真分析18。13课题研究的主要内容JJ45045一K井架是胜利油田高原石油装备有限责任公司研制的新产品，配套ZJ704500D钻机。为了确保产品质量及使用的可靠性，对JJ45045-K井架进行有限元分析、疲劳寿命分析、稳定计算分析、安全可靠性分析及设计验证。并通过ANSYS建立有限元分析模型，进行井架静力分析、起升强度分析和稳定性分析，为合理、安全地设计井架提供依据，须重点研究以下内容：(1)采用类比法，完成JJ45045-K的技术设计；(2)按照API SPEC 4F 62的要求和相关标准，借助于ANSYS软件，完成各种工况下强度计算分析；(3)并根据校核结果对井架进行了优化设计并再次进行强度计算分析；(4)配套钻机ZJ704500D钻机，完成产品的试制和型式试验。设计及试验方案：(1)建立静力计算模型。(2)杆件强度和稳定性校核。在总体静载有限元分析基础上进行。(3)井架的疲劳计算，按应力幅法计算分析。(4)井架整体稳定计算，按弹性稳定理论分析。(5)在静强度计算的基础上，进行可靠性分析。(6)按ANSYS实际计算直接生成变形井架过程动态演示。(7)型式试验：采用钻机井架(含人字架、天车架)、底座联合型式试验方式，选择了井架主要的受力部位布置应变片，通过测定这些部位的实际应变大小，计算井架构21设计原则1遵循“先进、可靠、安全、方便、经济的设计理念；2产品设计制造符合功能要求和HSE要求，达到国内同类产品领先水平；3符合SYT 56091999石油钻机型式与基本参数规定；4符合API SPEC 4F钻井和修井井架、底座规范规定。22设计要求1承载能力满足7000m钻机能力要求；2井架工作高度45m；3设计匹配井架的二层台；4井架低位安装；5抗风能力：非工作状态(无钩载，二层台满立根)36ms23设计方案主要技术参数按SY56091999石油钻机基本参数和设计图纸提供的已知参数。1、最大静载荷：Qm觚=4500 kN；最大钻柱Q柱=2200 kN；2、恒载：井架自重： 95743 kN； 天车重量： 10758 kN：二层台自重：4886 kN； 游车重量： 8135 kN：大钩重量： 3496 kN 水龙头重量：346l kN。3、井架工作高度：45 m：井架型式： K型；井架高度(大腿销孔中心至天车梁下平面垂直高度游车轮数天车轮数：67；绳系结构： 顺穿；配套钢丝绳直径：d绳=38mm。5、二层台容量： 共7280m(5钻杆，立根长28m)。24有限元仿真分析要求按照API SPEC 4F 62要求、相关标准，强度分析内容包括：1、无风载、无立根、最大静载荷下井架的强度计算分析；2、最大风速不小于478ms、无钩载、无立根时井架强度计算分析；3、最大风速不小于36ms、满立根、无钩载时井架的强度计算分析；4、额定载荷下承受8级风时(风速207ms)井架的静强度计算；5、井架起升的强度计算分析；6、井架的稳定性计算分析；7、井架疲劳计算分析；8、井架可靠性计算分析。第三章钻机井架计算原理及建模理论31井架设计计算的计算原理311静强度规定在计算井架承载能力时，需要考虑静强度规定：在井架结构中，任何部位的应力如果达到材料标定的屈服强度六，就必须认为结构已经破坏。结构中某一部位的应力达到屈服强度，是结构承载的临界状态。按照胡克定律，为保证结构在弹性范围内工作，用概率统计分析方法，对结构材料抗力性能进行统计分析，在一定的可靠度情况下，确定出一个实际应用的材料强度许用值，称为设计强度厂，设计强度应低于材料的比例极限，当结构的计算应力低于设计强度时，结构就始终处于弹性范围内工作。因此，井架的静强度条件为：万厂(31)式中，万构件或结构中的计算应力；厂材料的设计强度。312有限元法的基本原理根据钻机井架的结构特点，井架的承载能力计算采用有限元法分析，有限元法是目前最有效的一种结构分析方法。有限元法是要把分析的结构物，离散为有限个形状简单的单元组合体来考虑。井架结构(包括桁架式井架和钢架式井架)是由有限个梁，柱组合成的平面结构或空间结构，因此把梁和柱当作有限单元是很自然的。平面桁架或空间钢架是由几根柱类杆件组成，以每根杆件作为一个单元，那么就可以认为该桁架或钢架是由几个单元组成。结构受载荷作用产生变形，结构中每个单元也产生变形。在有限元法里，考虑在单元上选定若干个点(即节点)，并假定以这些节点的位移确定各单元的变形状态。若以梁或柱作的为单元，自然就把杆件两端作为单元变形状态的定义点。因此，柱单元(亦称杆单元)和梁单元的节点通常取杆件的两端。这样，节点位移就是杆件端点的线位移和角位移。在有限元计算里，桁架和钢架的变形状态是由杆件端点的线位移和角位移表示的。对每个杆件来说，节点是杆件的两端，但如果从结构整体看，节点就是结构中杆件的连接处。对杆件中的内力(力和弯矩)，有限元法假定单元中的内力一律通过各个节点传递，单元中的内力可以用节点上的力和弯矩表示。因此，整个结构的内力状态，可中国石油大学(华东)人学工程硕士学位论文以由节点上的力和弯矩表示。在有限元法里，外力也是假定通过节点传到结构上的。因为内力是假定通过节点传递的，如果外力不遵照同样的假定，在考虑内力和外力的平衡时就不方便了。当结构的杆件作用有均布荷载和集中荷载，可根据材料力学知识，将荷载转化为等效节点力和等效节点弯矩。32井架模型的建立及有限元分析321井架仿真计算几何模型准备对于井架的有限元分析，首先必须有完整的钻机井架工程图纸。从工程图纸中提取井架建模所需参数，具体参数如下：节点：钻机井架各杆件的连接点在ANSYS中体现为节点，在工程图纸中找到每个节点(有时需要简化处理，如两节点相距不足150mm时可简化为一个节点，以免发生应力突变，与实际应力不符的情况)，对其编号，并查找相应位置关系。单元：利用AutoCAD和节点相对位置参数，将各个节点连接的单元输入到AutoCAD中，把井架结构模型整理成线性图，然后对各个单元进行编号。同时可以在AutoCAD中确定各节点坐标。实常数：钻机井架是用各种不同型号的杆件组成的，各杆件所对应的实常数也是不同的。归纳钻机井架所包含的杆件种类数及其截面尺寸，计算出各种杆件的实常数。材料：从图纸中还可以得到杆件的材料参数，查机械手册可得该材料的屈服应力极限正，屈服应力极限正用于计算井架承载的最小安全系数，判断井架是否满足材料静强度要求。322建立节点和定义单元在建立单元之前，应该选取适合分析目标的单元类型。对于钻机井架这样的空间刚架结构，应选用三维弹性梁单元BEAM4，该单元可以满足模型的仿真计算要求。建立井架有限元模型，利用ANSYS内部功能创建关键点或节点，根据工程图纸所给的参数，利用节点可以直接创建成单元。我们在进行刚架有限元仿真时，根据模型几何坐标创建成节点，通过节点直接连接成线性单元。323计算的边界条件计算的边界条件有位移边界条件和载荷边界条件两种。边界条件确定的正确与否直接影响计算结果，边界条件正确选定，是有限元仿真中的重要技术之一，需要有扎实的力学理论基础，应慎重考虑。井架位移边界条件9第三章钻机井架计算原理及建模理论四根大腿支脚处固定铰支点。对于有绷绳的钻修钻机井架，绷绳锚点处为固支，同时对绷绳预紧力进行了预应变处理。井架载荷边界条件井架所受的力主要来源于大钩载荷，即此次计算的最大静载荷。另外，井架还要受风载、井架自身重量等载荷的作用。最大静载荷施加在井架的顶端，风载施加在井架的受风侧面，自身重量加在井架各节点上。施加完边界条件，通过ANSYS求解模块(SOUJTION)中有关BEAM4单元的计算模块计算求解，可以求出井架各杆件的节点解和单元解。324结果后处理井架有限元仿真的目的是获取有价值的结果，以便对井架的承载能力进行评价分析。ANSYS在后处理中，可以输出整体坐标下节点力，包掀，Y，z三个方向的力和弯矩(FX、FY、FZ、MX、MY、MZ)和整体坐标下节点位移，包掀，Y，z三个方向位移(UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ)。三维弹性梁BEAM4单元杆件应力输出，是以线单元的两个节点为目标的。完整的单元一个节点应力输出包括：(轴向应力：SDIR)、(+y弯曲应力：SBYT)、(-r弯曲应力：SBYB)、(+z弯曲应力：SBZT)、(一z弯曲应力：SBZB)，输出应力示意图见图3-1。另外，三维弹性梁BEAM4可以输出单元杆件两个节点(I，J)的重要应力参量：SMAX(最大应力)和SMIN(最小应力)，最大应力由轴向应力加弯曲应力获得，最小应力由轴向应力减弯曲应力获得。最大应力和最小应力是评价井架承载能力的重要指标。,if-8Dl； J二A=二叁f 高一l、Figure 44-2 3-D BEAM4 Stress Output图3-1三维弹性梁BEAM4应力输出Fig 3-1 3D Elastic BEAM4 Stress Putout325参数化设计语言APDI_ANSYS参数化设计语言(APDL)是一门可用来自动完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。该语言用建立职能化分析的手段为用户提供10：1n他一 yfnb I中国石油大学(华东)大学T程硕上学位论文自动完成有限元分析过程，即程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选用的分析类型来做决定，是完成优化设计和自适应网格的最主要的基础。ANSYS软件提供了两种工作模式，即人机交互方式(GUI方式)和命令流输入方式(BATCH方式)。后者相对于前者具有如下几个优点：可以减少大量的重复工作，特别适用于经少许修改后需要重复的工作。便于保存和携带，一个APDL的文件要比GUI的数据文件小很多。进行优化设计和自适应网格分析时，必须使用APDL文件系统。APDL的ASCII文件可以用记事本打开并编辑。在已知井架模型的情况下，根据含缺陷井架的特点，修改无缺陷井架模型的部分参数，使其变为含缺陷的井架模型。利用APDL研究含各种缺陷的井架承载能力具有简单、快捷、参数化等优点，可以减少工作量，提高工作效率，对本课题的研究具有实际意义。_第四章井架整体的静力计算分析41用ANSYS软件分析井架的技术处理井架的静力计算模型，可简化为空间刚架计算模型。整个井架模型共有255个节点，其中两个固定铰支点(井架支脚处)。划分429个梁单元。所分析井架的各杆件均为矩形空心钢结构，必须考虑各杆件既承受轴向力又承受弯矩。所以选取三维梁单元即BE蝴4单元作为分析对象。使用三维梁单元的关键在于斜撑杆的处理。因此采用相对参考坐标的方法，解决不同方向杆的转动惯量难以折算的难题。钢丝绳只能承受拉力不能承受压力，选取只能承受拉力的弹性杆单元，对绷绳的预紧力问题，采用加预应力的方法予以解决。井架静力计算采用ANSYS软件中命令流程序功能。运用命令流程序可立即产生单元分析，自动处理边界条件和加载。这种方法便于对结构模型的校对，修改和结构的优选分析，此法可提高系列井架计算分析的效率。42确定计算载荷在ANSYS有限元分析软件中，是通过解(SOLUTION)处理项来完成。(一)加约束约束作为有限元解的边界条件，在ANSYS有限元分析软件中，是作为位移载荷来处理。包括三个位移约束和三个转动约束，分别为：UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ。(-)加载荷横梁各节点可能有均布载荷；集中载荷Fx、FY、FZ、MX、M1、MZ；重力载荷：Z向加重力加速度98。1恒载包括：井架自重、天车重量、二层台自重、游动系统重量、总立根重量。井架自重： G井架=95743 kN；天车重量： G天,=10758 kN；二层台自重： G二层台=4886 kN；游动系统重量：G游动=G游牟+G大钩+G大绳=8135+3496+61914X4098=15028 kN取： G游动=G游车+G大钩+G大绳=150 kN；总立根重量： G立核=36728098=2568 kN立管重量： G立管=36X(17+225)98=14 kN12中国石油大学(华东)大学T程硕上学位论文2恒载分配将井架自重平均分配到上井架各节点；游动系统重量、天车重量分配到井架顶端的4个节点上：二层台和二层台悬吊重及二层台钢丝绳拉力分别加在二层台支承两点及悬拉的两点。3工作载荷最大静载荷(最大钩载) Q懿=4500 kN；额定载荷(最大钻柱重量)Q拄=2200 kN；工作绳作用力工作绳作用力是在给定游动系统下，快绳和死绳拉力的水平和垂直分力，由大钩载荷产生，作用在天车上，一般情况下，其合力方向不是作用在天车中心，垂直分力可近似取作尸绳=皇垡当，其水平分力对井架产生的作用很小，可忽略不计。z缈兄：必：2200+150：250 kN z矽120782e绳lllaXm笔导=篱嵩卅5考虑以上计算中，游动系统效率按API推荐选取0782，计算出,x=495kN，与SY56091999标准中规定岛一=485kN有细微出入，按标准选择。一=485 kN立根载荷立根载荷是由立根自重产生的垂直载荷和水平载荷组成。垂直载荷施加于钻机的底座上，水平载荷作用于井架二层台的指梁上，指向二层台的两侧，立根排放示意图见图4一】。第阴章立根对井架是水平力：珞水平=去g，lctgO二层台容量：钻杆直径以127mm， q=36姆m，立根数量n=260根，立根长，=28m；立根与钻台面倾角选口=870。1P根水平2寺3698x28x260ct987虬67302 kN4工作载荷分配最大钻柱重量或最大钩载平均分配到顶端4个节点上；工作绳作用也近似分配到顶端4个节点上；立根载荷平均分配井架与二层台相连的两点和二层台的下撑两点。5自然载荷根据API 4F规范，井架的自然载荷包括风载荷、温度载荷和地震载荷，由于此井架为常温、陆地钻机，不考虑地震、温度作用的影响，因此自然载荷只有风载。风载计算式为：P=kkFW(1)风速：按API SPEC 4F要求，对四种风速工况计算，107ms；207ms：36ms；478ms。将lO分钟时距风速转换成2分钟时距风速：(V2)l=1136vio一0909=1136x107-0909=1125ms(y2)2=1136vioO909=1136207一O909=2261ms(v03=1136VloO909=1136360909=40ms(vD4=1136vlo一0909=1136 X 4780909=5339ms14 中国石油大学(华东)大学工程硕士学位论文_二二一二二=：(2)风压嵋：蜞：坠堡：o079胁1 1600 1600 ：蜞：兰型：o3195 kPa 1600 1600职：-V2)22：竺：l胁。1600 1600w4：骐：5339z：178 kPa1600 1600上段高：17885m； 中段高： 17815m； 下段高：168m。每段风载按均布计算，选择背面来风和侧面来风两种风向。(3)背面来风载荷井架外廓垂直风向投影面积：吒正2 17885x 22+56067：698112q正：178159+56067：130109 mz：z耳正2 1689=1512 mz每段形心距地面高度：形心位置：H：h(2a+b)：3(a+6)其中：h一梯形高；口一梯形上底宽；6一梯形下底宽。井架上段：Ht=(17815+168) -k-17885(222+5606)3(22+56067)井架慨H,-168+鼍高等产铋啪m；井架下段：日下=半_84m；插值计算得高度变化系数：-42257m；10米高其高度系数为1，井架上、中、下段高度变化系数分别为：尼：上正5 1量；等3248；尼：中正正2 12曼器；=薹o酱2咖。-58；每段井架中杆件的实际承风面积之和：15第四章井架整体的静力计算分析井架上段正面构件挡风面积之和：厂上正=3 13279 m2井架中段正面构件挡风面积之和：厂中正=301m2井架下段正面构件挡风面积之和：Ef-Fiz-218206 m2上、中下段井架挡风系数：吣=狯=淼一o绷=谗=丽301一o233=瓷=面218206一o3体型系数k：kj：正2毛上正=1304488=O5834正2毛中正=13x 02313=03001k正2毛下正=13o1443=o1876背面吹风时的风载：井架上段风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms；478m_，风上正l=k：_E正。kA：正，-上正=1248 x O5834x 6981 I x O079=40154 kN，风上正2=k j：正。k上正，上正=1248x 05834x 6981 lx o3195=16239 kN，风上正3=kz上正。尼上正ft正=1248 x O58346981 I x 1=50827 kN颀，L,v4=t上正k正。吐正。=12485834x6981lxl78=90474 kN井架中段风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms：478ms)，风中正1=吃中正后中正略正彬=1158x 03001x 130109x 0079=3572 kN，风中正2=吃中正。后中正，中正=1158x 03001x 130109x 03159=14448kN，风中正3=吃中正后中正。，中正。=1158xo3001x130109x1=45215 kN，风中正4=kz,正。七中正略正呢=1158x 03001x 130109x 178=80482 kN井架下段风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms；478ms)，风下正l=尼虾正尼下正，-下正彬=0969x O1876x 15120079=2171 kNf风-FIE2=k：-v,vk-v,vFv正=o969O1876151203195=8781 kNf风FiE 3=kz下正七下正。，下正W3=o9690187615121=27487 kN，风下正4=后虾正七下正，下正=0969x48925 kN(4)风从侧面吹时的风载16井架外廓垂直风向投影面积：f上侧2 44121m2； F,侧-46319m2； FF侧=3289 m2每段形心距地面高度：Hi=43-2891m； 月由2 257075m；Hv=102481m插值计算得高度变化系数：10米高其高度系数为1，井架上、中、下段高度变化系数分别为：k=_t：侧-1252； t中侧2 1163； 吃下侧=1004每段井架中杆件的实际承风面积之和：井架上段侧面构件挡风面积之和：厂上侧=221115 m2井架中段侧面构件挡风面积之和：厂中侧=220558 m2井架下段侧面构件挡风面积之和：f-v侧-189793 m2井架上、中、下侧面挡风系数：=哿=裟一o5眦=沿=篇o4762=哿=等一o577。体型系数k：k侧2毛：侧=13x o5012=o6516七上侧2毛上侧=13 x 04762=06191kT侧-kt(I：)-F侧=13 x 0577=O7501侧面吹风时的风载：井架上段风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms：478ms)P风上侧l=七吐侧k上侧，上=125206516x 44121o079=2843 kN，风_IzM2=七：上侧。尼上侧，上=1252x06516x44121O3195=1150kN最上侧3=克：上侧七上侧，上呢=1252 x o6516 x 44121 x 1=3599 kN&上侧4=尼；上侧后E侧，上陟j：=1252 x o6516 x 44121178=6407 kN井架中段风载：(依次风速为：107ms： 207ms；36ms：478ms)啧中侧1=尼：中侧。k中侧=1163x o6191x 46319x 0079=2634 kN，风中侧2=屯中侧。尼中侧。，中玢2=1163 x 0619146319 x o3195=1065 kN第四章井架整体的静力计算分析户风中侧3=ks中侧。后中侧，中呢=1163 x 06191 x 46319 x 1=3335 kNP风中侧4=ks,#侧。后中侧尽。岷=1163 x 06191 x 46319x 178=5936 kN井架下段风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms；478ms)P风下侧l=ksy便lkvFT=1004x07501x3289x0079=19568 kN户风下俩2=七币侧。kFT畈=1004x07501x3289x03195=79138 kN嚷下侧3=ks下侧k。睬侧=1004x 075013289 x 1=247695 kN啧下侧4=kz下侧kvFT。呢=1004x 07501 x 3289178=440897 kN(5)侧向后扇的风载上、中、下井架挡风系数：=蛩=筹一o4m=哿=而220558一o3923(除去二层台挡风=警=等-o577计算风压侧面后扇削弱系数r(根据井架挡风系数查表插值计算)：r上=O4776； r,=O5123； r下=O1914体型系数k：忌上侧=毛上侧=13x 04132=05372k侧2七l中侧=13x 03923=051 尼下侧2墨下侧=13 x 0577=07501k2kj：侧rj：=0537204776=02566辞2辞侧孙=051x 05123=02613kv=kv侧qv=07501O1914=O1436侧向后扇吹风时的风载：井_架上段风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms；478ms)f冀上侧l=k,jm后上侧，上。彬=125202566 x 441210079=11 t9 kN最上侧2=ks上侧kin凡。=1252 x 025664412103195=45287 kN，风上侧3=屯上侧。k：侧，上呢=125202566x44121x1=14174kN，风上侧4=豇：上侧七上侧。，上乃二=12520256644121178=2523 kN井架中段风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms；478ms)，风中侧l=尼：中侧尼中侧，中彬=116302613463190079=11 12 kN中国石油大学(华东)大学工程硕上学位论文，风中侧2=七：中佣七中侧辱=1163x 02613x 46319x 03195=4497 kN，风中侧3=后：中侧尼中侧，中乃：=1163 x 02613 X 46319x l=14097 kN&中佣4=乞中侧后中侧。咏呢=1163 x 02613 X 46319 x 178=25053 kN井架下段风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms；478ms)P风下侧l=也下侧kFT侧。W；l=1004x o1436 x 3289 X 0079=03746 kN垓下侧2=也下侧k斥侧=1004xo1436x3289xo3195=1515 kN，冀下侧3=乞下侧。k-F。，下侧呢=1004xo1436x3289x1=47419 kNf冀下侧4=t下侧辞。FT侧呢=1004x o1436 x 3289 x 178=84406 kN(6)立根风载立根风载计算式：风m-Wk： 嚷-nd，sin0一立根挡风面积n一二层台指梁上每排立根数，两侧各12根，n=24，共计11排(可排放264根立根)d一立根接头外经，d=1619mml一立根长度，1=28m立根倾角，0=870立根排垂直分向投影面积形心，近似取地面高度24米，k：=115，结构体型系数k=13。背面来风立根风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms；478ms)1=O079kPa X 115 x 13 x 24 x o1619 x 28x sin87。=12832 kN尸根2=03195kPa115X13X24xo1619x28X sin870=51313kN珞3=lkPaXl151324xo1619X28Xsin870162428kN尸根4=178kPaXl1513x24xo1619x28xsin870_289122kN侧面来风立根风载：(依次风速为：107ms； 207ms；36ms；478ms)珞l=O079kPa x115 x 1,3x 11o1619x 28x sin870=588 kNP根2=o3195kPa115 X 13 x l 1 X o1619 x 28 X sin870=23517 kNP根3=lkPaxl15X13xllxo1619x28x sin87074446kNP根4=178kPa x 115 X 13 x 1 1 X o1619 x 28 x sin870132514kN(7)风载分配井架各段风载平均分配到各段节点上。19第四章井架整体的静力计算分析立根风载施加于二层台的指梁上。-(275)罩k，273 3 (219 L：，?。l：(碰s) 口 ， 、I堙24)、， (琵2) c中国石油大学(华东)大学工程硕十学位论文八(180)、(灰(17f1)_(、j (190J-(碰j(150)()(138)、。c圭02)，(厦)?(120)泌)j(108) (她(挑)汤j，。，(189)(i78j、j、(魂)、(16弓)(崩)I，(159)(迫)(149)、(1嬲)，(137)(圭21)(i&)(1lS)、(1奶夕(107) (脚彬5V 图42b JJ45045-K井架单元节点图(中段)Fi94_2b Element and Node of JJ45045-K Derrick(middle)21第四章井架整体的静力计算分析r彬漉， i彰毡) j&V矗巧7 57,98t 御， 58 58 (53： Z蚓q乏，P