石油鉆井和修井井架設計的安全性評估

任化斌 何軍國 周莉莉

（南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南南陽 473006）

石油鉆井和修井井架設計的安全性評估

任化斌 何軍國 周莉莉

（南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南南陽 473006）

石油鉆井和修井井架屬野外作業設備，工況多，受力復雜，是鉆機和修井機的核心結構。井架在服役過程中，易出現桿件變形、焊縫開裂、總體彎曲、共振等現象。為避免井架在吊裝、運輸、作業、設備保全等全工況條件下出現故障，確保使用安全，應用系統分析方法及工程實踐應用經驗，得出其在不同工況下需要做的受力分析，建立起基于“全工況、多要素”的安全評估方法，為井架設計提供保障，也為鉆機和修井機底座設計提供借鑒。

井架設計；全工況；安全評估

井架是鉆機和修井機的重要組成部分。目前在用典型井架結構，包括桅形井架、K形套裝井架、多節自升式井架、旋升式K形井架（也稱前開口井架）、塔型井架及海洋動態井架。一種新型井架的誕生，往往帶來一種新型鉆機或修井機的出現［1］，大慶130老式鉆機的代表是標準塔式井架；三節以下套裝式、直立、輕型K形井架則成為模塊化輕型鉆機的標志；而旋升式K形井架則是大型橇裝鉆機的首選；多節自升式井架主要配套于緊湊型大型海洋鉆機；雙井架用于深海作業。

井架的作用主要是用于安放或懸掛天車、游車、大鉤或頂部驅動裝置等起升設備，用于懸掛泥漿立管、水龍頭、水龍帶等泥漿循環設備，承受起下鉆、下套管、打撈、測試及其他作業所產生的載荷，提供起下鉆、存放管柱的高度與空間［2］。

井架由于其在鉆井或修井作業中所起的作用、結構型式及所處工作環境，承受較為復雜的、惡劣的受力。井架在井場轉運時摔落、起升時變形、解卡時折彎、迎風時扭曲等現象時有發生，如何保證井架的強度、剛度及穩定性，也就是如何保持井架設計安全性，不僅成為設計師重點考慮的問題，也成為第三方設計審核的重點。

1 石油鉆井和修井井架的安全評估現狀

對于井架的安全評估，目前關注更多的是服役井架的安全性，這方面論述的文章相對較多。崔曉華［3］認為，井架結構存在2個調整點，特別是經過第2個調整點以后，大載荷下出現某一模態響應值會劇增，是結構失穩的前兆，一般應以此時載荷值作為安全載荷的控制值。

井架安全評定的標準為SY 6326《石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規范》。安全的判據主要是單元檢查（Unity Check）因子，即通常所說的UC值。該值表征了單元實際計算應力和許用應力的比值，考慮了單元承受拉、壓、剪切，或承受拉彎組合、壓彎組合作用。通常只要UC值小于等于1，即表示該單元強度、剛度及其穩定性滿足AISC規范要求。

井架設計通常以工作應力法為設計基礎，對于新設計井架的安全性評估通常局限于總體分析，并被等同于結構的應力計算，然后按AISC規范的要求進行校核，這方面的文章相對較多。

井架安全評估是一項系統性工作，除了考慮井架的總體結構，如井架型式、井架與底座連接方式、井架起放方式、運輸方式等，還需要考慮井架內部構件之間連接細節，以及附屬設備的安裝方式。不合適的連接結構，如同時承受拉力和振動載荷的螺栓用做主連接，將降低結構的安全性。此外，局部強度校核不能忽視，尤其是承受較大起升負荷的重要焊縫，立柱與立柱間的連接結構，較大部件的總體吊點、承受頂部驅動裝置作用力的反扭矩梁等，均需要詳細計算或試驗驗證。焊縫開裂、聯接點松動容易產生井架事故。

總的說來，目前井架的設計計算偏重于結構的工作應力分析，缺乏系統性的安全評估。

2 石油鉆井和修井井架設計安全評估方法的建立

2.1 井架設計安全評估的基本方法

井架設計安全評估基本方法主要包括兩方面，即設計計算和試驗驗證，尤其是在設計計算方面需要做多因素、分層次、系統性的計算與校核。

隨著工業技術、計算軟件技術的發展，手工結構計算為主的時代已成為過去，有限元分析被廣泛采用，甚至出現了適應鉆機和修井機結構分析的專用軟件，如海洋工程結構計算或分析軟件SACS、ABAQUS/AQUA等。

2.1.1 結構強度計算。對于大多數的通用計算分析軟件而言，其MISE應力采用軸向應力（x方向）與另外2個方向彎曲應力（y方向和z方向）的絕對值相加或相減來確定最大應力和最小應力，即：Smax=SDIR+│SBYT│+│SBZT│；Smin=SDIR-│SBYB│-│SBZB│。其中，Smax為單元最大應力，Smin為單元最小應力，SDIR為單元軸向應力（x方向），SBYT為+y方向彎曲應力，SBZT為+ z方向彎曲應力，SBYB為-y方向彎曲應力，SBZB為-z方向彎曲應力。

對于單項計算，靜強度符合要求的條件是計算應力S（通常取MISE應力）小于等于材料的設計強度f（通常取許用屈服強度），即：S≤f。例如，井架天車滑輪軸，設計強度需滿足下式要求：f=σs/1.67。其中，σs為材料屈服強度。

2.1.2 結構長細比計算。計算公式如下：λ=KL/r。其中，λ為單元長細比；L為無側向支撐桿件長度；r為回轉半徑；K為有效長度系數。

主要構件中，受壓桿件的長細比λ應小于120，受拉桿件的長細比λ應小于150；次要結構構件，受壓桿件的長細比λ應小于150，受拉桿件的長細比λ應小于200。按API RP2A-WSD要求，次要結構的構件長細比受壓桿件的長細比λ應小于200，受拉桿件的長細比λ應小于300。

2.1.3 結構穩定性計算。當結構的承載力達到某一值時，若有一個微小的載荷增量，如果結構的平衡發生非常大的改變，則這種情況稱之為結構失穩或屈曲。對于井架的屈曲計算，20a前，大多數的設計師把井架簡化成一個整體線性桿件，通過手工計算。隨著計算機技術及有限元技術的發展，對大型復雜結構，大多借助計算軟件來解決穩定性計算問題。

根據AISC規范，UC值可以作為穩定性分析的重要判據。綜合實踐經驗，井架的整體穩定性需要同時考慮以下因素：①結構本體材料的屈服強度宜大于235MPa；②結構本體材料沖擊值滿足應用環境溫度要求；③主載荷路徑結構件壁厚宜大于5mm；④結構件長細比符合規范要求，見3.1.2；⑤結構UC值符合規范要求，見3.1.1；⑥線性屈曲分析滿足要求，即Sw≤ψ×f，其中Sw為穩定計算應力，ψ為折減系數；⑦為防止局部屈曲，受壓桿件截面的寬厚比適宜滿足規范要求；⑧適宜時，需要開展結構的模態分析與動力學分析，如由動力機引起的共振分析、風振分析、設備海運時的縱橫搖等。

2.1.4 結構總體位移計算。對井架總體變形而言，多大的頂部位移符合使用要求，目前尚沒有規范明確規定。根據文獻GB 50135-2006，表3.0.10高聳結構水平位移限值，對自立塔，以風為主的荷載標準組合作用下，滿足下列要求：按線性分析時，△μ/H=1/75；按非線性分析，△μ/H=1/50。其中，△μ為水平位移，H為總高度。

通常，如果把井架作為一個整體，看作為底部固定的高聳的懸臂梁結構，則井架頂部彈性變形允許值可取為△μ/H=1/100。綜合鉆井工藝對“大鉤中心、轉盤中心及井口中心”三點一線的要求，以及工程實踐，最大鉤載時，井架頂部瞬時彈性位移允許值推薦如下：對于車裝鉆機和修井機用桅桿式井架，宜取△μ/H≤1/100；對于橇裝鉆機和修井機用直立式井架，宜取△μ/H≤1/150。

2.1.5 結構模擬試驗。通常首臺井架出廠前進行模擬試驗，模擬的部分工況與實際工況相同或接近，如模擬井架的吊裝、運輸、起升或下放、伸出與縮回及最大鉤載試驗等。而另外一些工況模擬需要專用設備及大量的資金投入（如風洞試驗、地震試驗），難以實現。

表1 井架使用工況重要性分析

運用模擬測試與工程計算相結合的方法，當模擬數據與計算分析數據達到工程實踐的要求時，井架的安全性也就大大提高。

2.1.6 設計安全性評估。目前對于井架的評估側重于井架作業時的最大承載能力是否滿足要求。而實際上井架是一個全工況受力的復雜結構，任何一個工況的不安全因素均可能導致井架損傷或報廢，從而需要建立起基于全工況、多因素的評估方法，來確保設計的井架是安全可靠的。

對井架的安全評估而言，UC值可作為綜合評估要素，而長細比、結構壁厚、結構局部強度分析等可作為單項要素。考慮工程實踐，規范并不要求對井架必須進行全工況計算，也不要求井架必須作載荷試驗。對井架的設計分析可以分為關鍵工況和一般工況，應用先進計算方法與經驗設計法相結合，并且分層次進行評估，可縮短產品開發周期、降低產品成本。

2.2 石油鉆井和修井井架工況重要性分析

根據井架在某工況下出現故障時，對人員和設備造成的危害大小，對各工況按其重要性，分成關鍵工況和一般工況，見表1。

2.3 石油鉆井和修井井架設計安全性評估分類

綜合上述各工況的重要性，以及各工況分析要素，結合實際應用，得出如下結論：①當井架的關鍵工況未進行校核計算時，認為該井架的安全性未知；②當井架各計算工況結果有一項或以上不滿足要求時，認為該井架不安全；③當井架各計算工況結果均滿足規定的要求，其他未計算工況有類似的設計計算或使用經驗時，認為井架設計安全；④當井架全部工況計算結果均滿足規定的要求，認為井架設計安全；⑤當井架全部工況計算結果均滿足規定的要求，并通過試驗驗證或現場使用證明時，認為井架安全。

3 應用實例分析

運用上述知識，對東海某鉆井平臺7 000m海洋鉆機井架進行了全工況受力分析和計算，并進行了工廠安裝與加載測試，結果表明井架是安全的。部分工況主要計算結果見表2。

4 結語

石油鉆井和修井井架可以稱之為鉆機和修井機的骨架，井架的品質在一定程度了決定了鉆機和修井機的工作能力和先進性。在設計、制造和使用井架過程中，需要對井架安全性給予足夠的關注，并通過研發新的結構或提高在用井架類型的可靠性，為油氣工業的發展作出貢獻。

［1］張勇.海洋鉆機井架技術現狀及發展趨勢［J］.石油機械，2009（8）：92-95.

［2］尹永晶，楊漢立，胡德祥.橇裝鉆機［M］.1版.石油工業出版社，2004.

［3］崔曉華.用結構模態遷移法評定井架的安全承載能力［J］.石油機械，2001（12）：16-17.

Safety Evaluation of the Design of the Petroleum Drilling and Well Servicing Mast&Derrick

Ren HuabinHe JunguoZhou Lili
（Rg Petro-machinery Group Co.Ltd.，Nanyang Henan 473006）

The petroleum drilling and well servicing mast&derrick belongs to the out-door equipments,which has many kinds of working conditions and complex stress.It is the key structure of the drilling and work-over rig.These situations may take place in service,such as distortion of the members,crack of the welds,bend or sympathetic vibra?tion of the structure,etc.In order to avoid the failure of the derrick in hoisting,transportation,operation,equipment maintenance,and so on,to ensure the safety of the operation,by applying the method of system analysis and engineer?ing practice,it is necessary to analyze the force of the system under different working conditions,a safety assessment method based on the whole working condition and multi elements was established,to provide the guarantee for the de?sign of the derrick,and provide reference for the design of the base design of the drilling and workover rig.

mast&derrick design；full-time work condition；safety evaluation

TE951

A

1003-5168（2017）02-0057-03

2017-01-08

河南省重大科技專項“自升式海洋鉆井平臺鉆機的研發及產業化”（111100210500）。

任化斌（1973-），男，碩士，工程師，研究方向：鉆采裝備的開發及管理。