钻机井架的设计与计算

石油钻机设计机电工程学院机电工程系许志倩[e-mail]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：①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。②起下钻过程中，用以存放立根，能容纳立根的总长度称立根容量。井架组成：①井架主体，多为型材组成的空间桁架结构；②天车台，安置天车和天车架；③人字架，安装、维修天车之用；④二层台，包括井架工进行起下操作的工作台和存靠立根的指梁；⑤立管平台，装拆水龙带操作台；⑥工作梯。（2）基本参数①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②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）。③二层台高度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。④二层台容量（立根盒中立根容量）如：5”钻杆，5040米（28米立柱，180柱）⑤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。①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。②K型井架前开口井架（П）形井架——陆地钻机井架特点：a、井架做成前扇敞开、截面为П型不封闭空间结构。b、整体井架本体分成4～5段，各段一般为焊接的整体结构，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。③A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3～5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。④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。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。⑤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①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②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。③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P死PP死Pmaxmax'')(22ZGQPPP游死④风载风载特点：随地区，季节而异；井架为空间桁架结构有迎风，挡风等问题。WFP风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；β—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。oWW)6.0~3.0(工KKWWz工基本风压W0的计算W0—气温15℃距地面10m处风的静压力值。63.12VWo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）zKKzKK110f10h1zK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。①单个构件②单面桁架（风向垂直平面）FfK3.12.1~6.0111KKKK其它形状构件圆截面构件12KKφ—挡风系数—桁架各构件的迎风面积之和。F—平面桁架的外扩面积if③空间桁架m—风压削弱系数)1(2223mKmKKK四面桁架，风沿对角线—修正系数，单肢弦杆双肢弦杆3'3KK2.11.1三面桁架，风垂直于一边3''39.0KK3）（风振系数）风的脉动引起结构物的振动小结：思路→→→0W工WW风P0WPa基本风压16V850~750600~500500~4002计算调整系数海：陆：4.0~3.0IW工作风压KKZPaW计算风压Pa风P工作风载NKKZmaxW最大计算风压PaF风大PN最大风载1K单个构件2K平面桁架m13K'3K''3K9.0风向空间桁架3K3K'3K''3K''3K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⑤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1nNll'tan210cnlqPlsinldnfle（2）特殊载荷：①动力载荷（海上井架）②安装载荷（整体起升井架）计算整个起升过程③绷绳载荷（桅架）塔架等绷绳为安全作用不计算④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）稳定控制强度控制（2）结构设计结构设计内容①杆件载面型式H型钢（W型钢）宽翼缘工字钢节点设计平面桁架结构型式选择杆件截面型式选择②结构设计的基本原则a．严格控制长细比λ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焊接，焊缝计算节点扳机形状尺寸确定杆件的相互位置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—全部图纸—施工图设计—部件图，主要零件图—技术设计—基本结构图—初步设计倒稳定性）计算总体稳定性和倾（—静力计算—）确定内力及杆件尺寸（组成））确定计算载荷（载荷（321确定计算方案计算简图（或称力学模型）达到两个目的。①体现该井架的结构特征和承载特征②简化计算拟定计算方案的基本原则①计算精度——满足使用要求②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：电算位移法手算，电算力法手工计算定结构）平面桁架法（适用于静图解法截面法节点法平面桁架法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：①载荷分解——将空间力分解到各扇桁架的平面上②桁架分解——将空间桁架拆成平面桁架（连同此平面的力）③求解平面桁架的内力④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多余的杆件反力多余的支座反力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选定基本的静定结构（基本静定基）注意两点：①去掉多余连系后，系统仍为几何不变结构②要考虑到计算的方便尽可能不去弦杆去交叉杆ba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X1011111PX61211iiiliEFlN611iiiPiliPEFlNN1111PX例：求图示受力结构的杆件内力，假定各杆截面积相同。①确定超静定次数②选定基本静定结构③建立力法正则方程组226113kxi0022221211212111PPXXXX0'212122211211PPXX（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045.33785.11465.1096.85645.1310.102121XXXX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ADK节点位移{δ}=[δ2j-1δ2jδ2k-1δ2k]T节点载荷{Ｆ}=[Ｆ2j-1Ｆ2jＦ2k-1Ｆ2k]T(2)刚度矩阵单元刚度矩阵2222222200sincossinsincossincossincoscossincossincossinsincossincossincoscossincos]'[]'[]][[][]][[][][LEAdNNAEdBDBAdVBDBKLLTTVT总刚度矩阵节点编号单元编号自由度编号扩展ADK