石油钻机井架可靠性研究.pdf

2 0 0 8年 第 3 7卷 第 6期 第 4 5页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D EQUI P MENT 2 0 0 8， 3 7 6 4 5 ～4 8 文 章 编 号 1 0 01 3 4 8 2 2 0 0 8 0 6 0 0 4 5 0 4 石油钻机井架可靠性研究 赖永星 ， 王义翠 ， 张艳艳 ， 苗同臣 郑州大学 工程 力学 系 ， 郑 州 4 5 0 0 0 1 摘要 可靠性是石油钻机井架的一个十分重要的质量指标 ， 井架的安全性评定单纯用安 全系数来保 证是不够的 ， 还应从井架的可靠性方面对井架进行评估分析， 才能保证井架安全可靠使 用。运用结 构可靠性理论 ， 求得 了J J 3 1 5 ／ 4 3 一 A型井架的抗力 系数， 计算 了额定钩载下受力不均对井架各段 可 靠性的影响， 利用 ANS YS的数值模拟技术求得 了J J 3 1 5 ／ 4 3 一 A型在用石油井架各工况下的可靠性 指 标 。 关键词 钻机； 井架； 应力； 可靠度 ； 可靠性 中图分 类号 T E 9 2 3 文 献标 识码 A Re s e a r c h o f Oi l Ri g De r r i c k Re l i a b i l i t y LA I Yo ng x i ng， W AN G Yi c u i ， ZH ANG Ya n - y a n， M I AO To ng c he n De p ar t me n t o f En gi n e e r i n g Me c h a n i c s ， Zh e n g z h o u Un i v e r s i t y ，Zh e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Re l i a b i l i t y o f o i l r i g de r r i c k i s a n i mp or t a nt qu a l i t y p a r a me t e r f or e ns ur i ng s a f e t y ． I t c a n’t be r e pr e s e n t e d o nl y by s a f e t y f a c t or ． I n t hi s p a pe r ， t h e r e s i s t a n c e c o e f f i c i e nt o f M od e l 艚} 鞋 推靠臂 的转角 ／ 。 图 8 水平推力在 6 k N、 L取不 同值 时 推靠力 随夹角 的变化 4 结论 根据 VS P测井仪的实际结构建立机构简图， 并 建立机构对应的数学模型，利用 MATL AB软件编 制程序， 得 出合理 的水平 推力为 6 k N， 合理 的 AB 长度为 4 0 mm， 能提高推靠机构的稳定性。 参考文献 [ 1 ] 黄康 生， 董明达．轮转 型 印刷 机 的设计 与计算 [ D] ． 西 安 西安理工大学 ， 1 9 8 2 1 8 3 1 8 6 ． 张晓玲， 沈韶 华．实现 变速 输纸 功能 的椭 圆齿 轮优化 设计 [ J ] ． 机械设计与研究 ， 2 0 0 4 ， 2 0 2 3 8 3 9 ． 杨冬平 ， 高卓 ， 李文 勇 ， 等．基于 AP DI 语 言的喷 砂 罐结构参数优化设计 [ J ] ． 石油矿 场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 4 31 3 2． 王 静 ， 颜 廷俊 ， 袁李 峰 ， 等．不 同类 型在 役抽油 机机 架受力分析 [ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 6 2 5 2 7 ． 徐梓斌 ， 闵剑青．VB ／ Ma t l a b在机构 动力 学分 析 中的 应用 [ J ] ． 轻工 机械 ， 2 0 0 5 ， 2 3 2 5 5 5 7 ． 王文 娟．基于 MA TI A B优 化工具 箱 的平 面连杆 机构 的设计 [ J ] ． 轻 工机械 ， 2 0 0 6 ， 2 4 4 7 6 7 9 ． 收稿 日期 2 0 0 7 1 0 2 2 作者简 介 赖永星 1 9 6 0 一 ， 男 ， 河南郑州人 ， 副教授 ， 博士 ， 毕业于南京 工业大学 机械工 程学 院， 主要 从事 工程结 构强 度与 稳定性研究 。 ] ] ] ] ] 维普资讯 石 油 矿 场 机 械 2 0 0 8年 6月 J J 3 1 5 ／ 4 3 一 A d e r r i c k a r e w o r k e d o u t b y u s i n g t h e s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y t h e o r y ， a n d g e t t h e i n f l u e n c e on t h e de r r i c k u nd e r o f f - c e nt e r i ng s t a nda r d l o a d．W i t h ANSYS n ume r i c al s i mul a t i on t e c h no l og y we g e t t he r e l i a b i l i t y i nd e x of t h e d r i l l i ng d e r r i c k ． Ke y wo r ds dr i l l i ng r i g； de r r i c k； s t r e s s； r e l i a bi l i t y； r e l i ab i l i t y i nd e x 井 架是 石油 钻 机 的重 要 组 成 部 分 ， 主要 起 悬 挂 钻井过程中所需要 的各种钻具 、 承受钻井过程 中的 各种载荷 、 配合钻机钻到 目的层的作用。目前 ， 国外 对井架的安全评定偏重于外观查测、 简易诊 断和一 般处置与预 防等 3个方 面。从外观 查测 的 内容来 看 ， 主要是井架构件 的变形 、 损伤、 磨损、 腐蚀等 ， 诊 断的结论多偏重于定性分析 ， 处理与预防也不够具 体， 而且也仅仅局限于井架理论分析和测试研究 的 基础。国内 目前对结构评定理论的研究大致可以分 为 以强度 、 稳 定理 论 为 主的 评定 理 论 ； 以 刚 度理 论 为主的评定理论； 可靠性评定理论及模糊评定理论 等。由于井架结构本身是复杂的空间刚架或桁架结 构 ， 其缺陷特征又复杂多样 ， 目前还无法给出精确评 定结 果 的办 法 ， 工 程 上 的 实 际做 法 是 通 过 井 架 现 场 承载试 验 ， 测量 井架 的应 力 、 位 移 及 结 构 动 态 特性 ， 以现场测试结果为基础 ， 根据安全评定理论 以线性 外推的方法确定在用井架安全承载能力 。井架的安 全 问题 实 际上 是井 架 承 载 能 力 如何 定 量 的问题 ， 而 井架结构的可靠性指标 口 能较好地反映出井架的承 载能力。因此 ， 定量分析井架 的可靠性指标， 对于指 导生产 ， 科学使用以及对其进行安全性评定 ， 确保人 身及设备安全 ， 都具有积极意义 。 1 可靠性评 定理 论 按 极 限状态 方 法评 定井 架 结 构 时 ， 针 对 抗 力 R 和应力 s都 是不 确定 的随机 变量 ， 且服从 正态 分 布 ， 其可靠性设计遵循 R干涉模型_ 1 ] 。用 z作为 R、 S的干涉 随机 变量 ， 则 有 Z f R， S 一R S 0 ， 这一关系式即为极限状态方程 。在工程结构可靠 性 设 计 中 ， R 为结 构构 件 的抗 力 _ 2 ] ， S为应 力 ， 均 为 随机变量。z Rs， 亦称为结构功能 函数 ， 当 z 0时 ， 结构处于可靠状态； 当 Z O时 ， 结构处于失效 状态 ； 当 Z一0时 ， 结构处于极限状态 。对于井架来 说 ， 以上 3种状态概率之和等于 1 _ 5 ] 。 按照概率论与数 理统计理 论 ， R 、 5为正态变 量 ， 故 z亦为正态变量 。从而得到可靠 指标 的定 量计算关系为 卢 一 丽 U R -- ／2 S 1 式 中， 、 为材料抗 力 R 的均值和标准差 ； ／ * s 、 O S 为应力 s的均值和标准差 。 2 A形井架可靠性分析 2 ． 1 建 立 有限 元模 型 A 形 井架 是 由钢 管 焊 接 而 成 的 空 间杆 系 结 构 ， 井架高度为 4 6 ． 3 9 8 m， 井架有效高度 3 7 ． 3 9 8 m， 由 4段格构式结 构连接而成 ， 主弦杆为 乒 1 6 8 mm8 mm 的无缝 钢管 ， 斜横 撑 杆 为 ≯ 9 5 mm3 ． 5 mm 的 无缝钢管 ， 材料为我国普遍使用 的 1 6 Mn焊接结构 钢 ， 材料 的弹性 模量 E一2 ． 1 1 0 “N／ m ， 钢 材 密度 I D 一7 ． 8 1 0 。 k g ／ m。 ， 泊 松 比 0 ． 3 。井 架 设 计 的 大钩最大安全载荷为 3 1 5 O k N， 天车重力为 5 8 ． 3 2 0 k N， 游车重 力为 6 7 ． 1 2 O k N， 水龙头重 力为 2 6 ． 4 8 7 k N， 大钩 重力 为 3 3 ． 4 5 2 k N。 在建立井架振动计算模型时_ 6 ] ， 考虑到二层 平 台对大腿的约束作用较弱 ， 它的作用可以忽略， 主弦 杆和斜横撑杆采用 2 种单元截面形状 的空间梁单元 模 拟 ，整个模 型 共剖 分 4 0 4 8个 空 间梁 单元 。有 限 元 网格 划分 如 图 1 所 示 。2 4 ， 6 9 ， 1 1 5 ， 1 6 0为顶 部 关 键 点号 。 图 1井 架 有 限 兀 模 型 为了研究 4段井架 的可靠性 ， 将各段命名为 左 腿从下到上依次为左一、 左二 、 左三和左 四， 右腿从 下到上依次为右一、 右二 、 右三和右 四， 如图 2所示。 根据井架的工作情况 ， 将钩载左、 右偏心和前 、 后偏心分为 4个工况来计算 。当钩载不偏心时 ， 受 力中心在顶端 4个节点的中心； 当钩载偏心时 ， 受力 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 第 3 7 卷 第 6 期 赖永星 ， 等 石油钻机井架 可靠性研 究 。4 7 。 右四 右三 右 二 右 一 图 2井架简图 在上述 4种工 况下 ， 很据如 图 1所示的计算模 型， 对 A形井架 的应力进行了计算 ， 由于篇 幅所限 只列出了额定载荷无钩载偏心情况下部分杆件 的应 力值 ， 计算结果如表 2 。 2 ． 2 可 靠性 指标 的计 算 由表 2的有 限元 结果 ， 利 用分 布 的适应 性检 验 、 线性回归分析和可靠性分析等方法 ， 对井架测试应 力数据进行处理分析计算 ， 利用式 1 可计算出各段 的可靠度指标 ， 计算结果如表 3 。 由表 3可知， 井架左 、 右腿 的 值对应相等 ， 这 和井架是左右对称结构是相符 的。因此， 可以认为 建立的井架模型是正确的。 同理 ， 可得 出钩载偏心时井架各段的 值 ， 计算 结果 如表 4 ～5 。 因为井架是对称结构 ， 当钩载前后偏心时， 井架 左右腿相应各段的 值是一样 的， 此处 只计算左腿 。 表 2 井架额 定荷载下各杆件应力值 MP a 杆 件号 应力值 杆件号 应力值 杆件 号 应力值 杆件号 应 力值 1 3 8 ．2 3 2 4 47 ． O5 47 1 67 ．9 1 70 1 6 7． O1 2 21 ． 31 2 5 ～ 32 ．7 9 48 1 O9 ． 41 71 1 61 ． 56 3 1 9． 25 2 6 77 ．0 4 4 9 8 2． 31 7 2 一 l1 7 ． 22 4 8 8． 33 2 7 1l 4． O O 5 O 一 8 3． 69 73 8 6． 61 5 1 24 ． 43 2 8 1 1 8 ．48 51 9 2． 58 7 4 9 4．1 1 注 负号代表压应力 ， 正号代表拉应 力。 表 3 无钩载偏心 的情 况下井架各段 值 表 4 钩载 前后偏心时井架各段 值 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m ．4 8 石 油 矿 场 机 械 2 0 0 8年 6月 2 ． 3可 靠性 分析 通过 对 钩载 向左 和 向后偏 心 量 分 别 为 7 0 、 1 4 0 、 2 1 0 、 2 7 0 mm时井架各段的可靠性指标 的计算可以 发现 ， 钩载前后偏心对井架各段的可靠性指标的影 响较大； 钩载左右偏心对井架的可靠性指标 的影响 较小 。 图 3是根据表 4绘制 的曲线， 由表 4和图 3可 以发现 ， 井架各段的可靠性指标随着偏移距 离的增 大变化较大。尤其是左一和右一随着偏移量的增加 其可靠性 指标 大幅度 降低 。当偏 移量 为 2 7 0 mm 时 ， 与无偏移时相 比， 左一 、 左二 、 左三和左 四可靠性 指标分别降低了 6 0 、 2 0 、 3 3 和 4 4 。 乱 蜷 荤 詈 掣 帱 向后偏移量 ／ 衄 向左偏 移量 ／ 衄 图 4 可靠性指标 口与 向左偏移量关 系曲线 2 井架 的左 四和右 四段 的可靠性 指标也较 小， 仅次于左一和右一段 ， 也是应该注意的地方 。 3 井架钩载左右偏心对井架各段可靠度指标 影响 不大 。 4 井架前后受力不均使井架可靠性指标急剧 降低 。因此 ， 在钻井过程中应严格监测前后不均匀 受力的程度 ， 采取有效措施将其控制在最小范围内。 参考 文献 [ 1 ] 金 国梁 ， 陈 琳．可靠性 与优 化及 其在 石油 工业 中的 图 3 可靠性 指标 口 与 向后偏移量 的关 系曲线 E 2 3 图 4是根据表 5绘制的曲线 ， 由表 5和图 4可 以发现， 钩载左右偏 心对井架各段可靠性 指标影响 较小 ， 与钩载不偏心时相比， 井架各段的可靠性指标 ． 降低幅度不大。 3 结论 J 1 井架 的左 一 和右 一 段 的可 靠性 指 标最 小 ， E 6 3 是井架可靠性最薄弱的地方。 应用E M3 ．北 京 中国科学技 术出版社 ， 1 9 9 2 9 0 9 6 ． 李继华． 建筑结构 概率极 限状 态设计 E M3 ．北 京 中国 建筑工业 出版社 ， 1 9 9 0 3 4 7 ． 李继华 ， 林忠 民， 李 明顺．建筑 结构概率 极限状 态设 计 E M3 ．北京 中国建筑 工业出版社 ， 1 9 9 0 3 2 4 3 5 0 ． GB ／ J 6 8 1 9 8 4 ， 建筑结构设计 统一 标 准[ S ] ．北 京 中 国建筑工业 出版社 ， 1 9 8 4 3 8 4 5 ． 段 明成 ， 郑 勇 ， 万 夫．A 型井架 使 用可 靠性 分析 E J ] ．钻采工艺 ， 1 9 9 5 ， 1 8 2 5 7 5 9 ． 郭 清． 钻井 井架力 学性 能分 析E J ] ．石 油矿 场机 械 ， 20 06， 3 5 5 5 7 - 6 0 ． 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载