基于StruCAD-3D的旅大4-2海洋修井机井架设计计算.pdf

万方数据 o I LF I E L DE Q U I P M E N T2 0 0 6V 0 1 ．3 5 №5 井架下体、井架上体、二层台和天车等部分组成，其 连接点看作刚性连接。 e 根据截面尺寸不同，把井架各构件划分为 1 6 种单元类型，其中方管 B o X 9 种、宽边工字钢 W F 2 种、圆管 T U B 5 种。 f 井架安装在底座上，由于底座的刚度很大， 将其视为刚体，通过2 个销子和4 个螺栓使井架与 底座连接；其中，井架撑杆底部2 个销结点5 个自由 度受约束，绕销轴方向旋转自由度放开；井架支座4 个螺栓固定点6 个自由度全部约束。 井架的有限元分析模型如图1 所示，该模型总 计有1 8 5 个节点，3 2 5 个单元。井架主体构件的材 料均为Q 3 4 5 B ，屈服强度为3 4 5M P a ，二层台的材 料为Q 2 3 5 A ，屈服强度为2 3 5M P a 。 图1 旅大4 2 井架有限元模型 2 井架计算载荷和工况 在不同工况下，井架承受的载荷是不同的。其 载荷主要有两类，即垂直载荷和水平载荷，垂直载荷 主要有井架及其附件的自重、钩载等；水平载荷主要 有风载以及立根水平靠力等。计算参数定为 最大钩载 13 5 0k N 井架有效高度 3 3m 无立根、无钩载时最大风速 5 5m ／s 满立根、无钩载时最大风速 4 8m ／s 满立根、满钩载时最大风速 2 5m ／s 海平面到甲板面高度 2 3m 甲板面到钻台面高度 6 ．7m 提升系统采用3 4 绳系，因此钢丝绳受力为 2 2 5k N ，钩载通过天车作用于井架主体上，除了最 大钩载13 5 0k N 外，天车还受快绳力和死绳力，忽 略摩擦，快绳和死绳力均为2 2 5k N ，快绳和死绳力 具有一定的水平分力。 立根靠在二层台上，产生的水平力根据立根排 放的数量和角度确定。设立根总的载荷为Ⅳ，立根 倾斜角度口，则立根水平靠力为 参见图2 F 警t a 硼 图2 立根靠力不意 井架在自然环境中受到风力的作用，风力作用 在整个结构上，包括井架主体、排放的立根以及二层 台挡风墙。风力和风压公式参见A P I4 F 规范第2 版[ 4 ] 。对于井架本身，软件可以自动计算构件各个 方向的迎风面积，根据构件所在的高度算出风速大 小，从而得到构件受到的风力。此外，S t r u C A D 一 3 D 软件还可以使用虚拟面积来模拟井架的受力面 积，如立根排的风力就可以通过虚拟面积来计算，虚 拟面积需要定义投影面积大小、方向、几何中心以及 风力传递给井架的作用点。 对于直立状态的井架，计算工况分为基本工况 和组合工况，共有5 1 种。其中工况1 到2 7 是基本 工况，工况2 8 到5 1 是组合工况。 工况1 是结构自身重力 系数1 ．4 ；工况2 是 大钩载荷；工况3 是立根靠在二层台上的水平载荷； 工况4 到1 1 分别是风速为5 5m ／s 不同方向的风力 载荷，工况1 2 到1 9 分别是风速为4 8m ／s 不同方向 的风力载荷；工况2 0 到2 7 分别是风速为2 5m ／s 不 同方向的风力载荷。 工况2 8 到3 5 是工况1 分别与工况4 到1 1 的 组合；工况3 6 到4 3 是工况1 加工况3 分别与工况 万方数据 梁会高，等基于S t r u C A D 3 D 的旅大4 2 海洋修井机井架设计计算 ‘6 9 。 1 2 到1 9 的组合；工况4 4 到5 1 是工况1 加工况2 加出单元的计算结果，如，轴向力、弯矩、剪力、扭矩、轴 工况3 分别与工况2 0 到2 7 的组合。向应力、弯曲应力、剪应力等，以便检查。作为例子， 3 计算结果 茎吴淼嚣黧翥盖呈嚣嘉望 S t r u C A n 3 D 可以像通用有限元软件那样，输5 1 的计算结果。 表1 工况4 0 ～5 l 的计算结果 作为专业软件，S t r u C A p 3 D 依据A P I 和A I S C 规范，对单元的计算结果提出了“单元检查”即“U C ” 值概念，单元U C 值代表了单元实际应力与许用应 力的比值，综合考虑了单元的轴向应力、剪应力、弯 曲应力等。因此，只要单元的U C 值≤1 就表明该 单元强度满足要求。 对于U C 值较小的构件，可以重新选材，再计 算，直到U C 值达到合理的范围内 如o ．8 ～1 ．o 。 但实际应用中，要考虑材料品种的数量，对于单台或 少量台数的产品，材料品种不宜过多，否则不便采 购。旅大4 2 井架总共2 台，所以井架主体材料品 种选择较少，带来的影响就是井架质量有所增加。 经过计算，确定井架构件材料，便可以进行施工 图设计。旅大4 2 井架制造完成后，在湛江组装现 场做了钩载试验，试验拉力17 0 0k N ，试验表明，试 验应力与理论计算应力接近，井架强度满足要求。 5结论 通过对旅大4 2 井架理论计算以及试验验证， 可以看出，S t r u C A 胁3 D 具有通用有限元软件功能， 满足井架强度计算需要。 此外，S t r u C A n 3 D 具有几个突出特点风载自 动计算，基于A P I 和A I S C 准则的单元检查，以及一 次完成几十种工况计算。可见S t r u C A n 3 D 是石油 行业井架计算的有力工具。 参考文献 [ 1 ]高学仕．修井机井架的结构优化设计[ J ] ．石油矿场机 械，2 0 0 2 ，3 l 4 1 2 1 4 ． [ 2 ]薛继军．c A E 技术在井架设计中的应用[ J ] ．应用力 学学报，2 0 0 4 ，2 1 1 1 3 4 1 3 9 ． [ 3 ]王春梅．H Ⅺ9 0 B 海涔修井机井架静力结构分析[ J ] ． 内江科技，2 0 0 4 ，2 5 3 0 7 0 一7 5 ． [ 4 ]S p e c i f i c a t i o nf o rD r i l l i n ga n dW e US e r v i c i n gs t r u c t u r e s [ s ] ．A P IS p e c i f i c a t i o n4 F ，S e c o n de d i t i o n ，J U N E1 ， 】9 9 5 ． 万方数据 基于StruCAD-3D的旅大4-2海洋修井机井架设计计算基于StruCAD-3D的旅大4-2海洋修井机井架设计计算 作者梁会高， 陈俊， LIANG Hui-gao， CHEN Jun 作者单位川油广汉宏华有限公司技术部,四川,广汉,618300 刊名 石油矿场机械 英文刊名OIL FIELD EQUIPMENT 年，卷期2006，355 引用次数3次 参考文献4条参考文献4条 1.高学仕 修井机井架的结构优化设计[期刊论文]-石油矿场机械 200204 2.薛继军 CAE技术在井架设计中的应用[期刊论文]-应用力学学报 200401 3.王春梅 HXJ90B海洋修井机井架静力结构分析[期刊论文]-内江科技 200403 4.Specification for Drilling and Well Servicing Structures 1995 相似文献10条相似文献10条 1.会议论文 刘永勤.郭谊民.张勇 海洋修井机井架设计计算工况及载荷计算方法 2001 按API RP2A-LRFD海上固定平台的规划、设计和建设推荐作法草案载荷和抗力系数设计法的有关规定,确定HXJ125A主HXJ90A海洋修井机井架 的设计计算工况及载荷计算方法,给出了不同工况下的载荷计算公式.在最大钩载1600kN工况且下应力计算结果与实际测试结果相比较,井架顶部的结构单 元应力相差较小,下部单元相差较大,测得最大应力处两者相差2.21﹪.在无立根、无钩载、最大风速198.2km/h工况下采用API RP2A-LRFD和API 4F两种方 法有限元计算结果对比表明,两者最大应力相差2﹪. 2.学位论文 翟东锋 石油钻机井架计算方法研究 2007 1.研究了有限元仿真方法及其在ANSYS中的应用。对井架静力计算过程中的相关环节作了细致分析，并根据API标准，设置了井架静力计算的组合工 况，分析了各组合工况的荷载和荷载分布情况，在此基础上，开发了井架及底座的ANSYS建模、加载、计算命令流。同时，开发了ANSYS的后处理功能 ，对静力计算结果进行了提取、整理和评价，从而，最终建立了井架及底座的ANSYS有限元静力分析和评价方法，完成了井架及底座的静态有限元仿真。 2.对井架起升过程进行了有限元仿真分析，建立了井架起升过程、井架组装完成后的停放状态以及起升过程用人字架的ANSYS有限元静力分析和评价 方法。 3.通过设置井架静力分析预判工况，分析井架结构改进设计原则和流程，最终建立了井架结构改进设计的方法，解决了井架静力分析中出现的应力 薄弱问题。 4.分析了允许应力幅法在井架疲劳计算中的应用以及极限状态理论和验算点法在井架可靠性计算中的应用，在此理论基础上，分析了井架疲劳和可 靠性的计算工况，编制了井架疲劳分析软件和井架可靠性分析软件，最终建立了井架疲劳和可靠性的分析、评价方法。 3.会议论文 李建平.刘辉.池胜高 海洋修井机井架的有限元分析 2001 海洋修井机井架的设计除能满足钩载工况下,还应满足风载工况.对井架在几种风载和钩载工况下的受力进行了模拟计算和有限元分析.结果表明在 钩载工况作用下,井架大腿的应力不是很大,应力最大值位于井架上体收口处两条前大腿上;井架的主要受力工况不是钩载,而是风载;在同一级别风速下 ,井架受斜向风时受力最大,背向风次之,侧向风最小;设计井架时,应尽可能减小井架的门框尺寸,以减小井架迎风面积,使风载减到最小程度. 4.期刊论文 童华.TONG Hua 钢井架设计的荷载计算 -有色冶金设计与研究2009,303 在矿山钢井架的设计中,井架上的荷载就要人工统计和填写,而作用在井架上的荷载与一般的结构不同,荷载组合方式也不一样.以下告铁矿副井落地 多绳钢井架设计为例,阐述钢井架的荷载计算,为钢井架设计提供借鉴. 5.学位论文 刘常宝 前开口形井架及其底座力学行为分析 2006 近年来，K形井架的优势被越来越多的用户所认识，自升式底座也正逐渐取代其它类型的底座，如层箱式、箱块式底座等。本文研究的前开口形井架 及其底座就是由K形井架及自升式底座组成，它的突出特点是井架、底座的立柱和人字架都可以折叠在一起，减少了体积，便于运输。另外，前开口形井 架设计成前扇敞开、截面为Ⅱ形的不封闭空间结构，方便游系上下畅行无阻和便于放置立根。底座仅用四根立柱作为主要支撑，大大简化了底座的结构 ，底座下部开阔，底座的重量减轻，制造、移运成本下降。起升井架时，由于钻台面重心后移，有助于起升，且井架的相对高度增加。整套钻机可以整 体移运井位，搬运时间短、速度快、使用的车辆少。因此，前开口形井架及其底座比较适合在沙漠、森林地带、严寒地区、深海等环境恶劣的区域勘探 钻井。 本文分析前开口形井架及其底座可能承受的载荷情况，根据结构分析所选用载荷组合的基本原则，确定其主要载荷工况是钻井工况，钻井工况又可 分为大钩静载荷工况和转盘梁静载荷工况，考虑到所有可能出现的载荷对井架及其底座产生的最不利的影响，前开口形井架及其底座的静力分析主要按 以上两种载荷工况计算分析。 根据前开口形井架及其底座的实际结构特点，建立了它的三维有限元模型。分别按最大钩载工况和最大转盘梁载荷工况对钻机井架及其底座的有限 元模型加载，应用专业有限元分析软件ANSYS9.0进行静力特性计算，得出在给定载荷作用时的应力和位移，分析表明前开口形井架及其底座满足强度、 刚度要求。 6.期刊论文 杨奎利.冯益孝.YANG Kui-li.FENG Yi-xiao 矿山钢井架设计的荷载计算 -山东冶金2006,282 在矿山钢井架的设计中,井架的内力分析及构件验算没有专门软件,只能采用通用的结构分析软件.这样,作用在井架上的荷载就要人工统计和填写,而 作用在井架上的荷载与一般的结构不同,荷载组合方式也不一样,为减少荷载统计工作量,避免统计差错,用Excel作了荷载统计模板,仅改动几个必要的参 数,就可以得到作用在井架斜架上的荷载,计算准确快捷. 7.学位论文 李兆勇 含服役缺陷的石油井架检测仿真技术研究 2007 “含服役缺陷的石油井架检测仿真技术研究”是根据油田现场工作人员的需要而开展的工程实际研究课题。 1.介绍了钻机井架计算的理论基础、ANSYS有限元分析软件及其在井架建模中的应用，指出选用三维弹性梁单元BEAM4作为井架模型单元，并详细叙 述了BEAM4单元的理论及其建模过程的技术重点。 2.研究了整体弯曲、局部杆件弯曲、杆件锈蚀和支座沉陷等服役缺陷对现役井架极限承载能力的影响，得出了建立含各种服役缺陷井架模型的等效 处理方法。以ZJ40钻机井架为例，建立含各种服役缺陷以及无缺陷的井架模型，计算求解并提取结果，根据计算结果研究含各种服役缺陷的井架承载能 力降低的规律趋势，并得出相关结论。 3.在上述缺陷原理及计算分析的基础上，基于VB6.0编程软件，设计并建立了一套含服役缺陷的井架承载能力仿真分析软件。简单叙述了该软件的编 程思路、操作过程和可实现的功能。该软件具有可视化、可靠性、系统性、可操作性和经济性等特点，不仅能替代现场测试的功能，而且较现场测试更 具有全面性。 4.最后对实际井架现场测试，目的在于用测试值与仿真计算值相比较，验证计算值的可信度。 8.会议论文 李光金.董智力.高勇刚.陈业鹏 格构式型钢井架计算机辅助设计 2006 本文以JGJ88-1992为依据,对格构式型钢井架进行分析计算,重点分析了格构式型钢井架的受力、井架的 整体稳定性.给出了缆风绳的选择方法. 9.期刊论文 童华.TONG Hua 钢井架斜腿相交断面尺寸的计算方法 -有色冶金设计与研究2009,301 结合下告铁矿副井落地多绳摩擦轮提升钢井架的设计,阐述井架结构施工图绘制过程中所涉及的斜腿箱形断面水平形状及尺寸、两端与斜腿相交的箱 形梁的尺寸,并推荐一种计算公式. 10.学位论文 厉呈臣 石油钻机井架的弹性及弹塑性稳定性分析研究 2007 石油钻机井架是钻机的重要承力部件之一，承受着钻机的主要载荷，而且其工作环境恶劣，很多情况都会对井架产生影响。因此，利用有限元技术 对井架进行结构分析研究，不仅能提高井架的设计速度，还可以使井架满足使用要求，减轻井架重量，节省材料，对井架的安全生产也有着重要的现实 意义。 本论文主要针对JJ114/42-K型石油井架进行分析研究，采用ANSYS有限元软件建立井架的有限元分析模型，对井架模型进行简化，在保证与实际工作 条件相符的前提下，选择合理的单元，尽量简化结构，以减少计算时间，使井架的建模过程通用化。为了对井架进行全面地分析，确定了石油井架所受 载荷的类型及各种载荷大小的计算，结合石油井架的实际作业环境，将井架最主要的工作状态分为以下四种正常钻井工况、严重荷载工况、等候天气 工况和最大风载工况，并确定了井架在各种工况下载荷的大小及施加的方向。运用弹性及弹塑性静力分析方法对井架各种工况进行有限元分析，得出了 井架在各种工况下的变形规律及应力分布，最后得出井架在各种工况下合理的分析方法及最危险工况。然而实际的井架都不可能处于理想状态，特别是 有损伤缺陷井架，在载荷开始作用时即产生侧向变形，从而使井架内部受到弯矩作用，随着载荷增大，杆件内力增加，局部可能进入塑性状态，井架整 体刚度不断降低，最后导致井架的整体失稳。因此，井架的稳定性分析是井架安全使用中的一个重要问题。最后综合各种分析数据，对井架进行线性及 非线性稳定性分析，得到了更加准确的井架临界屈曲载荷，大大节省了井架的稳定性校核时间。 对石油钻机井架的快速建模及准确的计算分析，可为井架的设计者提供有益的参考，将有助于加快石油钻机井架产品的开发速度，同时使井架设计 的安全性、合理性得以保证，使石油钻机井架的开发能力得以提高，对避免井架事故的发生起到积极的作用。 引证文献3条引证文献3条 1.周传喜.张延水.南丽华 海洋修井机井架有限元分析及结构优化[期刊论文]-石油机械 20089 2.苏一凡.徐宏伟.徐黔斌.吴文秀 基于ANSYS的海洋修井机井架强度分析[期刊论文]-石油天然气学报 20082 3.李鹏 ZJ70DZ型钻机工作工况下结构静力分析[期刊论文]-石油矿场机械 200912 本文链接 下载时间2010年6月2日