井架起升計(jì)算方法比較與結(jié)果驗(yàn)證*

朱 波

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西西安 710065;2.蘭州蘭石石油裝備工程有限公司產(chǎn)研所,甘肅蘭州 730000)

井架起升計(jì)算方法比較與結(jié)果驗(yàn)證*

朱 波1,2

(1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西西安 710065;2.蘭州蘭石石油裝備工程有限公司產(chǎn)研所,甘肅蘭州 730000)

井架起升力計(jì)算,是井架設(shè)計(jì)中一項(xiàng)最基本的設(shè)計(jì)任務(wù)。起升方式不同,所用的計(jì)算方法也有所區(qū)別。下面以蘭石生產(chǎn)的一種人字架起升井架為例,分別采用手工建立力平衡方程、計(jì)算機(jī)輔助軟件SAFI建模這兩種方法進(jìn)行計(jì)算。將得到最終的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,并用實(shí)際起升時(shí)測(cè)得的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

井架;起升計(jì)算;力平衡;SAFI;建模計(jì)算

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)外使用的陸地石油鉆機(jī)中,其井架普遍采用旋升式井架。該井架低位安裝,再利用絞車動(dòng)力通過(guò)人字架和井架體上的滑輪,將井架整體起升至工作位置[1-2]。因此在設(shè)計(jì)該井架時(shí),起升力的計(jì)算相當(dāng)重要。在實(shí)際工作中,一般采用傳統(tǒng)手算和計(jì)算機(jī)輔助建模計(jì)算兩種方法相互驗(yàn)證,保證井架結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。以蘭石生產(chǎn)的某井架為例,分別用兩種方法進(jìn)行計(jì)算。并將得到的結(jié)果與井架現(xiàn)場(chǎng)起升時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與驗(yàn)證。

1 建立靜力平衡方程手算

1.1 起升原理

井架起升過(guò)程如圖1為井架起升力分析圖。

圖1 井架起升力分析(起升角為4°)

井架在低位時(shí)安裝,并安裝天車和二層臺(tái)。起升鋼絲繩一段固定在井架III段起升耳座a上,經(jīng)I段上兩個(gè)導(dǎo)向滑輪b和人字架上一個(gè)導(dǎo)向滑輪c,另一端固定在游車平衡架d上,6×7繩系的鉆井鋼絲繩e,連接在游車和主滑輪組之間,快繩f通過(guò)快繩輪和人字架上的快繩滑輪,連接在動(dòng)力源絞車滾筒上?？炖Kf在絞車滾筒纏緊時(shí),帶動(dòng)井架整體起升。

1.2 力矩平衡方程并求解

井架起升速度緩慢,可以看作一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的過(guò)程。起升力隨起升角度增大而不斷減小,0″時(shí)最大。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,由于高支架的存在,井架起升時(shí)有一定的初始角度(本例中為4°)。從初始角度開(kāi)始起升,那么初始角度的起升力也是最大的。對(duì)井架起升的初始狀態(tài),可以看作一個(gè)靜平衡狀態(tài)[3]。在此狀態(tài)下,可以對(duì)井架大腿銷點(diǎn)建立力矩平衡方程,有:

由圖1可知2×P起×cos θ/2=12×P快

式中:“P起”為起升大繩的拉力;“P快”為快繩及鉆井繩的拉力;“Z”為各部件重心至井架大腿銷的力臂;“θ”為初始狀態(tài)下,兩根起升大繩連接游車時(shí)的夾角。

由表1代入各數(shù)據(jù),聯(lián)結(jié)方程組解得:

表1 井架各部件自重及力臂

2 SAFI建模計(jì)算

2.1 SAFI軟件實(shí)體建模

SAFI是加拿大SAFI公司開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件。其中的PSE模塊,即石油結(jié)構(gòu)工程分析軟件是針對(duì)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)件的專業(yè)分析軟件[4]。SAFI的實(shí)體建模僅用來(lái)進(jìn)行力學(xué)分析,故在建模中,需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。圖2即為本例中井架的實(shí)體模型。

圖2 SAFI起升實(shí)體模型

SAFI建模比較簡(jiǎn)單。先在3D坐標(biāo)系中建立關(guān)鍵點(diǎn),如各部件間的連接點(diǎn);再按照有限元?jiǎng)澐謫卧囊话阋?guī)則,建立各個(gè)節(jié)點(diǎn),如多梁的相交點(diǎn),集中載荷作用點(diǎn)等;然后連接各點(diǎn)成線,并按實(shí)際情況對(duì)各線賦予截面及材料的屬性。

2.2 起升載荷分析

井架在起升過(guò)程中承受的載荷有結(jié)構(gòu)自重力、設(shè)備重力、鉤載、環(huán)境載荷等。按API 4F的規(guī)定,在起升作業(yè)中,需要考慮100%的環(huán)境載荷。在本例中,環(huán)境載荷僅需考慮風(fēng)載,即16.5 m/s的最小設(shè)計(jì)風(fēng)速。手算中,忽略了此項(xiàng)載荷。而在SAFI中,需添加此項(xiàng)載荷,并按照0°、45、90°、135°、180°、225°、270°、315°分別計(jì)算八個(gè)方向的風(fēng)載荷。

SAFI實(shí)體建模中,進(jìn)行了簡(jiǎn)化模型的操作。故SAFI中的實(shí)體模型自重要比實(shí)際中小,要根據(jù)實(shí)際添加一定的自重系數(shù),在本例中,根據(jù)計(jì)算,該自重系數(shù)取1.91[5]。

設(shè)備重量即為模型中沒(méi)有添加的部分,如游車、鉆井鋼絲繩、起升大繩的重量,需要按實(shí)際添加。

2.3 載荷施加并求解

表2所列為井架起升的組合載荷,SAFI計(jì)算起升拉力有很多方法。本例中,筆者在井架與高支架接觸處,增加一處彈簧支撐。然后通過(guò)增大起升大繩的拉力值,此處彈簧支撐處的支反應(yīng)力逐漸歸0。如表3,在風(fēng)載的各個(gè)方向,當(dāng)彈簧支撐支反力歸0后,所得起升力如表3。

表2 井架起升的組合載荷(表格中數(shù)字均為調(diào)整系數(shù))

表3 不同風(fēng)載方向的起升力

3 與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較

本例中的井架出廠數(shù)量較多,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)比較豐富。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的比較如表4所列。

表4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的比較

現(xiàn)場(chǎng)起升試驗(yàn)時(shí),參與起升重量,起升角度均和理論計(jì)算有一定的區(qū)別。拋開(kāi)明顯有問(wèn)題的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),將其他數(shù)據(jù)取平均值。均略小與手工計(jì)算和SAFI計(jì)算的結(jié)果。

4 結(jié) 論

筆者分別運(yùn)用力平衡方程手算和SAFI實(shí)體建模計(jì)算兩種方法計(jì)算了本例中井架的起升力,兩者所得結(jié)果差別很小。在與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較中,計(jì)算結(jié)果均略大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢员砻髟诰茉O(shè)計(jì)中,對(duì)井架起升力的計(jì)算,手算和SAFI建模計(jì)算這兩種方法均是安全可靠的。

[1] 白 鋒,李占穩(wěn).井架起升過(guò)程受力分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用, 2009(3):65-67.

[2] 王路林,高學(xué)仕,王佐祥.井架起升過(guò)程的有限元仿真分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2006,35(2):20-22.

[3] 常玉連,劉玉泉.鉆井井架、底座的設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

[4] 李志剛,雍 軍.基于safi的海洋塔形井架的拖航計(jì)算分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2011,40(5):40-44.

[5] 胡晶磊,祁秀芳.JJ675/48-k型井架起升過(guò)程力學(xué)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2014(10):97-99.

Comparison of the Raising Calculation Methods of Derrick and the Result Validation

ZHU Bo1,2
(1.College of Mechanical Engineering,Xi′an Shiyou University,Xi′an Shaanxi 710065,China;2.Product Development &Research Institute,Lanzhou Lanshi Petroleum Equipment Engineering Co.,Ltd,Lanzhou Gansu 730000,China)

The calculation of derrick raising force is the basic task in designing the derrick.The calculation methods will comply with the different types of raising.Taking A-frame derrick that is manufactured by LS for example,two calculation methods of force balance equation established by manual and module-established by computer auxiliary software SAFL are adopted respectively.The two calculating results are compared afterward,and the actual data that is measured based on the practical raising is then verified.

derrick;raising calculation;force balance;SAFI;modeling calculation

TE922

A

1007-4414(2015)05-0136-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.047

2015-08-29

朱 波(1980-),男,山東成武人,工程師,主要從事石油礦場(chǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真方面的工作。