ZJ80/5850D鉆機井架及底座靜強度分析*

田 麗

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

石油鉆機井架及底座結構復雜，受力特點及邊界條件多變，通過計算軟件建立模型是解決安全計算的必要途徑，而模型的建立需要兩個基礎條件:①實際反映出井架及底座的主要結構特征;②從力學的角度出發，使建立的模型必須符合實際井架及底座自由度和受力特點。提高可靠性，降低成本，進行優化設計等方面也變得越來越重要［1］。筆者介紹了通過SAFI有限元分析軟件的模型建立，以及結果分析過程。

2 井架及底座結構

2.1 井架及底座起升形式

ZJ80/5850D井架是無繃繩“K”形井架，以H型鋼為主大腿的前開口式井架，在鉆井過程中用以安放天車、懸掛游動系統、懸掛鉆具進行升降鉆桿、下套管處理井下事故等鉆井作業，是鉆機的重要組成部分。井架低位安裝時，井架主腿支腳、人字架支腳通過高強度銷軸分別銷接于底座基座上，然后整體起升，如圖1所示。底座采用旋升式結構，利用平行四邊形原理整體起升，如圖2所示。起升時先起井架，此時底座處于頂層與基座銷連的低位疊放狀態，待井架起升到位后，改變起升繩的連接方式，利用同一副起升繩，繼續通過臺面設備主絞車帶動井架內部的游動系統將底座起升到位。

圖1 井架底座低位圖

圖2 井架及底座起升圖

2.2 井架及底座結構組成

ZJ80/5850D超深井鉆機井架的主要由井架1至5段和人字架，以及井架附件二層臺和天車組成。人字架其前后支腿座落于底座底層的左、右基座上，組成穩定的三角形結構。底座由基座、中層立柱、頂層三部分組成。底座基座包括左、右三角架、左基座、右基座、前后拉梁等。底座中層包括前立柱、后立柱、斜撐桿和斜立柱。底座頂層由左、右上座，立根盒梁、轉盤梁、絞車前梁、拉梁及絞車后梁等部分組成。

3 井架及底座模型的建立

3.1 模型簡化

井架及底座結構受力復雜，各桿件需承受軸向力和扭轉作用，井架及底座選取自然焊接點、鉸接點、變截面處為基本節點。建模主要承載構件，忽略次要部件，各部件的銷子通過節點自由釋放處理。

3.2 模型坐標系

全局坐標系遵循右手法則。+X為大門對側;+Z為司鉆側;+Y為垂直地面向上方向;坐標原點為井眼中心。

3.3 相關規范要求

按照API 4F許用應力的要求，鋼結構設計以“彈性設計法”為準則，須遵循AISC335-89的許用應力設計法［2］，并考慮次應力，即井架及底座結構在工作中受到各種載荷的作用，以及載荷偏心、焊接節點剛性的存在，使得井架及底座結構桿件的受力情況非常復雜，存在拉、壓、彎、扭組合變形。建模選取及材料屬性如表1所列。圖3、4為作業、可預見、不可預見工況下井架與底座模型。

表1 井架及底座桿件材料特性

圖3 井架、底座起升模型

3.4 設計載荷標準

按照API 4F《鉆井與修井結構規范》(2008年，第3版)載荷設計的要求(如表2所列)，將實際井架及底座的復雜受力情況分為井架作業工況，底座作業工況，可預見工況，不可預見工況，井架起升工況，底座起升工況6種工況進行載荷加載，從而得到力學分析的各項數據。(由于有限元模型的重量肯定小于實際重量，所以通過增加負重系數予以解決。)

表2 各工況的設計載荷組合

3.5 井架及底座技術參數

井架工作高度為46 m;井架自重為1 380 kN;天車自重為50 kN;游動系統自重為130 kN;最大靜鉤載為5 850 kN;最大鉆柱重量為2 880 kN;井架底部跨距為10 m;游動系統為7×8(游車滑輪數×天車滑輪數);鉆臺高度為10.5 m;二層臺高度為24.5 m，25.5 m，26.5 m;二層臺容量為5寸，28 m立根，280柱。

4 ZJ80/5850D鉆機井架及底座靜力計算

以受力的五種工況為例分析數據如下。

(1)井架作業工況 滿鉤載、無轉盤載荷、滿立根載荷、風速16.5 m/s組合工況。最大鉤載、井架及附件自重加載于天車梁的4個節點上，風載加載于井架主腿相應節點上。井架最大變形位于井架頂部天車梁處，最大位移38.9 mm。井架左、右前腿與左、右后腿的軸向應力同步變化，且前腿的軸向應力明顯高于井架后腿，井架前腿為主要承載桿件。底座相對剛度較大，變形量小。井架及底座最大應力位于二層臺與井架主腿連接處，最大應力值為152 MPa，井架主腿材料Q345-B，安全系數大于API規定的安全系數1.67的要求(滿足緊湊型結構)。UC值均小于1，安全(UC值是美國ANSI/AISC《鋼結構設計手冊》針對鋼結構物體承受壓縮和彎曲等多種組合載荷聯合作用時所采用的綜合機械強度性能的量度指標。)。

(2)底座作業工況 游動系統重量、滿轉盤載荷、滿立根載荷、風速16.5 m/s組合工況。底座最大變形位于立根盒梁后梁處，最大位移為35.6 mm。最大應力發生在立根盒梁與轉盤梁連接處，最大應力值為113.4 MPa，立根盒梁材料為Q345-B，安全系數為3大于API規定的安全系數1.67的要求(滿足緊湊型結構)。UC值均小于1，安全(見圖4)。

圖4 井架底座作業組合工況下最大UC值

(3)可預見工況 游動系統重量、滿轉盤載荷、風速38.6 m/s組合工況。在最大設計風速，滿轉盤載荷的聯合作用下，底座最大變形位于轉盤梁處，最大位移值為36.2 mm。最大應力發生在轉盤梁主梁處，最大應力值為120.22 MPa，轉盤梁材料Q345-B，安全系數大于API規定的安全系數1.67的要求(滿足緊湊型結構)。轉盤梁與立根盒梁主要應力均為彎曲應力，越接近井口位置位移越大，彎曲應力越大。UC值均小于1，安全。

(4)不可預見工況 游動系統自重及部分鋼絲繩總重、滿轉盤載荷、滿立根載荷、風速30.7 m/s組合工況。該工況是底座承載最惡劣的工況，底座最大變形位于立根盒前梁處，最大位移值為-4.23 mm。最大應力出現在立根盒梁前梁處，最大應力值為138.6 MPa，立根盒前梁材料為Q345-B，安全系數大于API規定的安全系數1.67的要求。梁的應力以彎曲應力為主。UC值均小于1，安全。

(5)起升工況 游動系統重量、無轉盤載荷、無立根載荷、風速16.5 m/s組合工況。起升井架最大應力出現在井架二段起升繩導向輪附近后腿位置，最大應力值為162.3 MPa，井架材料為Q345-B，安全系數大于API規定的安全系數1.67的要求。UC值均小于1，安全。

5 按照API 4F結構安全等級評價

井架底座結構在井架作業工況1a和底座作業工況1b下的強度分析，是對井架底座承載能力的安全評估，安全系數2.27完全滿足API規定的1.67的安全系數要求，即在井架作業環境(風速16.5 m/s)、滿鉤載、滿立根載荷的條件下，該井架不會發生危險事故，其安全性可以預期。

井架底座結構在底座作業工況1b，也是對井架底座承載能力的安全評估，安全系數3.04完全滿足API規定的1.67的安全系數要求，即在底座作業環境(風速16.5 m/s)、滿轉盤載荷、滿立根載荷的條件下，該底座不會發生危險事故，其安全性可以預期。

井架底座結構在可預見工況2下的強度分析，該工況安全系數為2.86，滿足API規定的1.67的安全系數要求，如通過現場測試裝置得到更大的當地風速，為保證人員安全，防止事故發生，可通過通知工作人員撤離現場，下放井架等措施保證在預期風暴(38.6m/s)、無立根、無鉤載情況下的安全性。

井架底座結構在不可預見工況3a下的強度分析，主要是針對底座受力情況的分析，該工況的安全系數為2.49，滿足API規定的1.67的安全系數要求。以及井架，底座起升工況安全系數為2.12，滿足API規定的1.67的安全系數要求。

通過以上各工況分析，該鉆機結構的安全等級為:可預見的影響環境:E2;不可預見的影響環境:U2;中等結構安全等級。

6 結論

通過對ZJ80/5850D鉆機井架及底座模型進行靜態分析，按照API 4F標準選取4個惡劣工況下的最大應力、最大變形以及最小安全系數的分析，以及結構安全等級的選取與滿足，結論表明該井架及底座設計安全可靠、選材合理，結構剛度和靜強度滿足要求。

［1］ 翟東鋒.石油鉆機井架計算方法研究［D］.北京:中國石油大學，2007.

［2］ API Spec 4F-2008.第3版.鉆井和修井井架、底座規范［S］.