井架起升计算方法比较与结果验证*

朱 波

(1.西安石油大学机械工程学院,陕西西安 710065;2.兰州兰石石油装备工程有限公司产研所,甘肃兰州 730000)

井架起升计算方法比较与结果验证*

朱 波1,2

(1.西安石油大学机械工程学院,陕西西安 710065;2.兰州兰石石油装备工程有限公司产研所,甘肃兰州 730000)

井架起升力计算,是井架设计中一项最基本的设计任务。起升方式不同,所用的计算方法也有所区别。下面以兰石生产的一种人字架起升井架为例,分别采用手工建立力平衡方程、计算机辅助软件SAFI建模这两种方法进行计算。将得到最终的计算结果进行比较,并用实际起升时测得的真实数据进行验证。

井架;起升计算;力平衡;SAFI;建模计算

0 引 言

目前国内外使用的陆地石油钻机中,其井架普遍采用旋升式井架。该井架低位安装,再利用绞车动力通过人字架和井架体上的滑轮,将井架整体起升至工作位置[1-2]。因此在设计该井架时,起升力的计算相当重要。在实际工作中,一般采用传统手算和计算机辅助建模计算两种方法相互验证,保证井架结构的安全与稳定。以兰石生产的某井架为例,分别用两种方法进行计算。并将得到的结果与井架现场起升时的数据进行比较与验证。

1 建立静力平衡方程手算

1.1 起升原理

井架起升过程如图1为井架起升力分析图。

图1 井架起升力分析(起升角为4°)

井架在低位时安装,并安装天车和二层台。起升钢丝绳一段固定在井架III段起升耳座a上,经I段上两个导向滑轮b和人字架上一个导向滑轮c,另一端固定在游车平衡架d上,6×7绳系的钻井钢丝绳e,连接在游车和主滑轮组之间,快绳f通过快绳轮和人字架上的快绳滑轮,连接在动力源绞车滚筒上。快绳f在绞车滚筒缠紧时,带动井架整体起升。

1.2 力矩平衡方程并求解

井架起升速度缓慢,可以看作一个准静态的过程。起升力随起升角度增大而不断减小,0″时最大。在现实环境中,由于高支架的存在,井架起升时有一定的初始角度(本例中为4°)。从初始角度开始起升,那么初始角度的起升力也是最大的。对井架起升的初始状态,可以看作一个静平衡状态[3]。在此状态下,可以对井架大腿销点建立力矩平衡方程,有:

由图1可知2×P起×cos θ/2=12×P快

式中:“P起”为起升大绳的拉力;“P快”为快绳及钻井绳的拉力;“Z”为各部件重心至井架大腿销的力臂;“θ”为初始状态下,两根起升大绳连接游车时的夹角。

由表1代入各数据,联结方程组解得:

表1 井架各部件自重及力臂

2 SAFI建模计算

2.1 SAFI软件实体建模

SAFI是加拿大SAFI公司开发的结构分析软件。其中的PSE模块,即石油结构工程分析软件是针对钻机结构件的专业分析软件[4]。SAFI的实体建模仅用来进行力学分析,故在建模中,需要对模型进行必要的简化。图2即为本例中井架的实体模型。

图2 SAFI起升实体模型

SAFI建模比较简单。先在3D坐标系中建立关键点,如各部件间的连接点;再按照有限元划分单元的一般规则,建立各个节点,如多梁的相交点,集中载荷作用点等;然后连接各点成线,并按实际情况对各线赋予截面及材料的属性。

2.2 起升载荷分析

井架在起升过程中承受的载荷有结构自重力、设备重力、钩载、环境载荷等。按API 4F的规定,在起升作业中,需要考虑100%的环境载荷。在本例中,环境载荷仅需考虑风载,即16.5 m/s的最小设计风速。手算中,忽略了此项载荷。而在SAFI中,需添加此项载荷,并按照0°、45、90°、135°、180°、225°、270°、315°分别计算八个方向的风载荷。

SAFI实体建模中,进行了简化模型的操作。故SAFI中的实体模型自重要比实际中小,要根据实际添加一定的自重系数,在本例中,根据计算,该自重系数取1.91[5]。

设备重量即为模型中没有添加的部分,如游车、钻井钢丝绳、起升大绳的重量,需要按实际添加。

2.3 载荷施加并求解

表2所列为井架起升的组合载荷,SAFI计算起升拉力有很多方法。本例中,笔者在井架与高支架接触处,增加一处弹簧支撑。然后通过增大起升大绳的拉力值,此处弹簧支撑处的支反应力逐渐归0。如表3,在风载的各个方向,当弹簧支撑支反力归0后,所得起升力如表3。

表2 井架起升的组合载荷(表格中数字均为调整系数)

表3 不同风载方向的起升力

3 与现场实测数据的比较

本例中的井架出厂数量较多,在现场实测获得的数据比较丰富。实测数据与计算数据的比较如表4所列。

表4 实测数据与计算数据的比较

现场起升试验时,参与起升重量,起升角度均和理论计算有一定的区别。抛开明显有问题的实测数据,将其他数据取平均值。均略小与手工计算和SAFI计算的结果。

4 结 论

笔者分别运用力平衡方程手算和SAFI实体建模计算两种方法计算了本例中井架的起升力,两者所得结果差别很小。在与实测数据的比较中,计算结果均略大于实测数据。可以表明在井架设计中,对井架起升力的计算,手算和SAFI建模计算这两种方法均是安全可靠的。

[1] 白 锋,李占稳.井架起升过程受力分析[J].机械研究与应用, 2009(3):65-67.

[2] 王路林,高学仕,王佐祥.井架起升过程的有限元仿真分析[J].石油矿场机械,2006,35(2):20-22.

[3] 常玉连,刘玉泉.钻井井架、底座的设计计算[M].北京:石油工业出版社,1994.

[4] 李志刚,雍 军.基于safi的海洋塔形井架的拖航计算分析[J].石油矿场机械,2011,40(5):40-44.

[5] 胡晶磊,祁秀芳.JJ675/48-k型井架起升过程力学分析[J].石油矿场机械,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,山东成武人,工程师,主要从事石油矿场设备的设计和计算机仿真方面的工作。