钻机井架的设计与计算

1、石油钻机设计,机电工程学院 机电工程系 许志倩,第四章 钻机井架的设计与计算,钻机井架的使用特点，结构类型，基本参数； 钻机井架的载荷分析； 钻机井架的计算方法； 钻机井架的静力计算和整体稳定计算。,教学内容和课程基本要求,4.1 井架的类型与基本参数 4.2 井架载荷 4.3 材料与结构设计 4.4 计算原理 4.5 井架总体稳定的实用计算,第四章 钻机井架的设计与计算,4.1 井架的类型与基本参数,（1）井架的作用与基本组成 作用： 安放天车，悬挂游车、大钩及专用工具（如吊钳等）。在钻井过程中进行起下钻具操作、下套管。 起下钻过程中，用以存放立根，能容纳立根的总长

2、度称立根容量。,井架组成：, 井架主体，多为型材组成的空间桁架结构； 天车台，安置天车和天车架； 人字架，安装、维修天车之用； 二层台，包括井架工进行起下操作的工作台和存靠立根的指梁； 立管平台，装拆水龙带操作台； 工作梯。,（2）基本参数, 最大钩载 与钻机最大钩载相同。 条件：a、正常风载 b、死绳位置一定 c、无立根, 高度 名义高度H 井架大腿底板表面到天车梁底面的垂直高度。 有效高度H1 从钻台大梁顶面到天车梁底面的垂直高度（工作中有效）。, 二层台高度h 钻台平面至二层台底面的距离有效高度 一般有三个位置可调。 二层台容量（立根盒中立根容量） 如：5”钻杆，5040米 （28米立柱

3、，180柱） 井架负荷，井架顶载Q顶 Q顶Qmax（有快绳和死绳）,（3）井架类型及选择,钻井井架按整体结构型式的主要特征可分为塔形井架、前开口井架、A形井架、桅形井架、动力井架五种类型。, 塔型井架,早期陆地钻机井架 特点 a、 井架本体是封闭的整体结构，整体稳定性好，承载能力大。 b、 整个井架是由单个构件用螺栓连接而成的可拆结构。 井架尺寸可不受运输条件限制，允许井架内部空间大，起下操作方便、安全。但单件拆装工作量大，高空作业，不安全。, K型井架,前开口井架 （）形井架 陆地钻机井架 特点： a、 井架做成前扇敞开、截面为型不封闭空间结构。 b、 整体井架本体分成45段，各段一般为焊接

4、的整体结构，段间采用锥销定位和螺栓连接，地面或接近地面水平组装，整体起放，分段运输。, A型井架,早期陆地钻机井架 特点： a、大腿可以是空间杆件结构，分成35段。大腿断面依选用型材不同，一般分为矩形和三角形。 b、两大腿通过天车台、二层台及附加杆件连成“A”字形。整个井架在地面或接近地面水平组装，整体起放，分段运输。 A形井架的每根大腿都是封闭的整体结构，承载能力和稳定性较好。但因有两腿，且腿间联系较弱，致使井架整体稳定性不理想。, 桅型井架,轻型钻机井架 车装钻机，通井机，修井机 桅形井架工作时向井口方向倾斜，需利用绷绳保持结构的稳定性，以充分发挥其承载能力，这是桅形井架整体结构的重要特征

5、。 桅形井架是单柱式井架，有整体式和伸缩式两种。桅形井架一般是利用液缸或绞车整体起放，整体或分段运输。 桅形井架结构简单、轻便、承载能力小。, 动力井架,用于海上钻机,4.2 井架载荷,（1） 基本载荷（每种井架都要承受的载荷） 恒载 大钩载荷 工作绳拉力 风载 立根载荷 （2）特殊载荷 动力载荷 海洋 安装载荷 自起 绷绳载荷 桅架 地震载荷 震区,（1）基本载荷, 恒载 长期作用在井架上的不变载荷，包括井架本身的重量以及安放在其上面的各种设备和工具，如天车、游动系统和吊钳等。 A、游动系统等重量 方向：垂直向下 作用点：平均加于井架顶部四个节点上,B、井架自重,i、静力计算 井架垂直时，每

6、层重量平均加于上部四个顶点（偏于安全） 起升计算时，每层重量平均加于八个顶点。 ii、总体稳定计算 原则：稳定等效 两端铰支：自重量一半加于顶端 一端固定，一端自由：自重量1/3加于顶端, 大钩载荷,大 小： Qmax（Q柱） 方 向： 垂直向下 作用点：由天车位置定，也可均分于顶节点 注意：K形井架有时前后大腿截面尺寸不同造成载荷偏心，静力计算不易均分，稳定计算有初弯矩。, 工作绳拉力 ，,A、 ，死绳固定位置一般与快绳不对称，其合力的作用方向往往与井架本体的几何轴线偏离一个角度，因而井架各大腿实际受力不同。 B、一般作用线不垂直 简化计算中 方向垂直, 风 载,风载特点： 随地区，季节而异

7、； 井架为空间桁架结构有迎风，挡风等问题。,P风作用在井架上的风载； F 承风面面积，指整个井架外廓面积在垂直与风向的平 面上的投影面积； W 作用于井架上的计算风压,Kz风压高度变化系数； K风载体型系数； 风振系数； W工工作风压， 井架工作状态下承受的风压最大值； W0基本风压，非工作状态下的极限值。,基本风压W0的计算,W0气温15距地面10m处风的静压力值。,工作风压的修正,， ， 的概念与选取 1） （风压高度变化系数） 标准 10米高度 =1， （一般取=1）,2） （风载体型系数） 风压的大小与构件形状，空气流动状态有关。 单个构件 单面桁架（风向垂直平面）,挡风系数 桁架各构

8、件的迎风面积之和。 F平面桁架的外扩面积, 空间桁架 m 风压削弱系数,四面桁架，风沿对角线 修正系数， 单肢弦杆 双肢弦杆,三面桁架，风垂直于一边,3） （风振系数） 风的脉动引起结构物的振动,小结：思路 ,注意事项：,A、简化计算，分段 风力作用中心处风压每层面积 B、风向问题 风载和立根载荷的联合作用 找最危险的截面和方向 C、风斜吹时 风载可按力的平行四面形原则分解, 立根载荷,两项：（1）立根自重引起水平分力 （2）风载 注意： （1） （2） N全部立根数； n挡风立根数。 （3）K=1.3， （4）作用点在节点处,（2）特殊载荷： 动力载荷（海上井架） 安装载荷（整体起升井架）

9、计算整个起升过程 绷绳载荷（桅架） 塔架等绷绳为安全作用不计算 地震载荷（地震区域）,（3）计算载荷的确定（载荷组合）,载荷组合,4.3 材料与结构设计,（1）材料： 普通碳素结构钢A3、普通低合金结构钢16Mn Al（国外轻便钻井，修井机） 选材要考虑 受力性质（受力状态）,（2）结构设计,结构设计内容 杆件载面型式 H型钢（W型钢） 宽翼缘工字钢, 结构设计的基本原则 a严格控制长细比 b几何稳定结构,（3）节点设计,节点设计是金属结构的特殊问题 内容：画节点图 原则：重心交汇原则,4.4 计算原理,基本原则： 钢结构设计规范 方法： 许用应力法 可靠性法,井架的设计程序和主要内容,设计程

10、序 主要内容： 1、拟定基本参数和结构方案 2、结构计算 3、施工图设计 连接计算,确定计算方案,计算简图（或称力学模型）达到两个目的。 体现该井架的结构特征和承载特征 简化计算 拟定计算方案的基本原则 计算精度满足使用要求 计算工具成本,简 化,分析井架的结构特征和承载特征抓主要 略次要 1）支座定铰，动铰或弹性支座 2）节点： 几何不稳结构刚节点稳定计算 几何稳定结构铰接点（桁架）静力计算 3）结构： （1）空间结构平面结构 （2）组合结构基本部分+附属部分 （3）稳定计算：“杆”代替桁架 4）载荷：集中力，分布力,根据要求及条件确定方案,1）井架本身的特点及工作条件（海上与陆上深浅井有无

11、参考资料） 2）设计的不同阶段 3）计算的性质 整体稳定 动力计算 粗略 静力计算 精确 4）计算工具的先进性,静力计算的任务与分类,任务：根据计算载荷求所有的内力及支座反力 分类：,平面桁架法,基本原则：将空间桁架分解为平面桁架 适用条件：静定结构 步 骤： 载荷分解将空间力分解到各扇桁架的平面上 桁架分解将空间桁架拆成平面桁架（连同此平面的力） 求解平面桁架的内力 将各次求得的内力叠加,力 法,多余连系 超静定结构（桁架） 多余连系 冗力 “多余”：从静力平衡的观点看为多余 从工程设计的角度来看是必要 多余连系数=超静定次数,力法原理 多余连系多余未知数已知力 超静定结构 静定结构 选定基

12、本的静定结构（基本静定基） 注意两点： 去掉多余连系后， 系统仍为几何不变结构 要考虑到计算的方便,超静定结构 静定结构,给定变性条件，得到补充方程（材力） 正则方程（准则方程） 断杆（杆4） 求X1,例：求图示受力结构的杆件内力，假定各杆截面积相同。, 确定超静定次数 选定基本静定结构 建立力法正则方程组,（4）求出各项系数及各项常数 （5）解正则方程组 得：X1=-8.90，X2=3.94 （kN） （6）叠加求各杆内力,计算表格,矩阵分析法（有限元法）,有限元分析方法的一般步骤 结构-模型-离散-计算-分析 （建模） 不同的计算条件决定了计算方法的不同,如井架计算： （空间刚架）（平面刚

13、架） 传统 井架空间桁架平面桁架力分析强度计算 模型 分解 手算 安全系数法 （力法，克马图法） 许用应力法 （空间桁架） 有限元 井架空间刚架单元 力分析强度计算 模型 离散 计算机计算 可靠性方法,(1) 基本公式,K 刚度矩阵 D位移向量 A外载荷向量,节点位移 = 2j-1 2j 2k-1 2k T 节点载荷 = 2j-1 2j 2k-1 2k T,(2) 刚度矩阵,单元刚度矩阵,总刚度矩阵,节点编号 单元编号 自由度编号 扩展,(3) 边界条件,位移边界条件 约束 力边界条件 加载,(4) 平面桁架计算机程序 计算机程序符号说明 框图及N-S图的处理功能 （）叙述框 表示一般处理功能

14、。 （）判断框 表示在几个可以选择的路径中，判断选取某一路径。 （）循环框 用以控制循环的初值、终值和步长。 （）输入输出框 表示信息的输入和输出。 （）标志框 用以表示流程的开始、结束或暂停。,图1-5 框图符号说明, 框图中所用到的主要变量和数组说明 M 杆件数，整型变量，输入参数； NJ 节点数，整型变量，输入参数； NRJ 受约束的节点数，整型变量，输入参数； E 弹性模量，实型变量，输入参数； NLJ 受载荷的节点数，整型变量，输入参数； N 整个结构的自由度数，整型变量(N=2NJ)； X,Y 节点坐标，NJ维实型数组，输入参数； JJ,JK 杆件的，节点号，维整型数组，输入参数；

15、 AX 杆件截面积，维实型数组，输入参数； IJK 杆件两端点的自由度编号，维整型数组； RL 杆件长度，维实型数组； CX,CY 杆件的方向余弦，维实型数组；,JF 节点的约束代码，维整型数组，输入参数； A 节点载荷，维实型数组，输入参数； D 节点位移，维实型数组； F 杆件内力，维实型数组； SM 杆件应力，维实型数组； AR 支座反力，维实型数组； SMD 单元刚度矩阵，44维实型数组； S 总刚度矩阵，NN维实型数组。 主程序框图说明, G-J消元法解线性方程组子程序框图及说明 G-J消元法基本思想，保留对角线上的元素，其余的为零。 方法即加减法解线性方程组。如, 平面桁架的计算

16、a、建立结构座标系 右手系 原点任定 轴方向平行于约束方向。 b、 结构编号 节点编号-手工 原则上任意 杆件编号-手工 原则上任意 自由度编号-计算机 c、 确定结构参数 杆件数（M） 节点数（NJ） 受约束节点数（NRJ） 受载荷节点数（NLJ） 材料弹性模量（E）,d、 计算节点参数和杆件参数 节点参数：节点座标（X,Y） 杆件参数：杆件两端点的节点号(JJ,JK) 杆件的截面面积(AX) e、 确定约束参数 在计算程序中以表示无约束，以表示有约束，对于每个有约束的节点要给出x方向和y方向的约束代码。 K，JF(2K-1)，JF(2K) f、 确定结构载荷参数 对于每一个有载荷的节点需要

17、给出方向和方向的力 K，A(2K-1)，A(2K),例题：求解图1-6所示平面桁架系统的杆件内力和支座反力，设其各杆的面积和弹性模量均相等（图上单位：长度为米，力为千牛顿）。,解： 建立结构座标系 确定结构参数 节点和杆件编号 计算节点坐标 杆件参数 约束参数 载荷参数 填输入数据表,4.5 井架总体稳定的实用计算,（1）基本概念 失稳与稳定计算 压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线形状的平衡现象称为失稳 临界力 ： 临界应力 ：,2井架失稳的主要形式与总体失稳的概念,井架失稳,总体失稳：井架的基本轴线或截面的基本形状发生变化而丧失其工作能力的现象。 1 ）纵向失稳 井架失稳的基本形式 特征：

18、 a. 轴线：直线平面曲线 b. 各杆产生弯曲变形 c. 横断面几何形状不变,2）横向失稳（前开口井架） 特征：表现为前大腿的纵向失稳 3）弯曲失稳（前开口井架） 特征： a. 轴线：直线空间曲线 b. 横截面形状不变，但相邻截面发生相对的转动和移动,（二）井架总体稳定的计算方案,正面失稳 a. 正面失稳 b. 在oyz面失稳 c. 在y-y面失稳 d. 对x-x轴失稳 侧面失稳 a. 侧面失稳 b. 在oxz面失稳 c. 在x-x面失稳 d. 对y-y轴失稳,1、塔形井架 纵向稳定性 （高宽比5） 力学模型： 两端铰支 变截面（变刚度） 空腹组合杆,2）K形井架,纵向失稳（同闭式） 两端铰支 变截面（变刚度） 空腹组