鉆機井架的可靠性分析

趙煥娟,齊明俠,趙 娜

(中國石油大學(華東),山東東營 257061)

鉆機井架的可靠性分析

趙煥娟,齊明俠,趙 娜

(中國石油大學(華東),山東東營 257061)

對ZJ30/1700DB型鉆機井架進行了靜力結構分析,得到井架的應力和位移分布,由此分析該井架是否滿足可靠性的基本要求。井架結構的可靠指標β能較好地反映出井架的承載能力,計算出井架的最小β值可判斷井架的可靠性;井架整體失效概率采用失效函數計算,并分析出保護井架安全工作的措施。

鉆機井架;可靠性分析;位移;應力;倒塌;安全

Abstract:Reliability analysis for it is very important.JJ170/43 derrick is the whole pre-k-type lifted derrick,its structure can be simplified into the various parts of space steel frame structure.The load capacity of derricks can be better reflected by reliability index-β for derrick structure,the reliability of derrick can be confirmed by finding minimum reliability index derrick.Failure function was used to calculate derrick overall failure probability in order to determine the derrick state.Based on reliability analysis and the actual survey on the derrick,safety analysis will be carried out.

Key words:drilling derrick;reliability analysis;displacement;stress;collapse;safety

井架因承受大鉤載荷、風載而發生變形,因此其可靠性指標的高低非常重要。本文對JJ170/43型井架進行了靜力結構分析,從理論上分析該井架是否滿足可靠性的要求,以發現結構的薄弱部位,并以靜力分析為基礎,分析井架構件截面可靠性及整體失效概率,確定此井架狀態[1]。

1 有限元分析

1.1 結構簡化

JJ170/43型井架為 K形整體起升井架,據構成部分的幾何尺寸可將其看成細長桿件,桿件之間以焊接方式連接,所有節點都可看成剛節點,井架各部分都簡化成空間剛架結構。選取井架結構的自然節點作為有限元計算模型的節點,采用梁單元作為基本單元,可將人字架簡化為2個彈性支座支撐在與井架接觸處,井架底部與底座的連接節點采用定鉸約束模型。

1.2 Ansys計算

選用BEAM4作為基本的單元,井架共離散為178個單元,82個節點。依據美國API Spec 4F《鉆井和修井井架、底座規范》(第2版),結合井架的實際作業環境,參考國內外井架設計的經驗,該井架計算工況組合如表1[2]。

1.3 位移分析

井架在無立根、無風載、最大鉤載的工況下主要變形為前傾變形和下壓變形,此時井架頂部的位移最大,其4個節點的位移值如表2。井架在該工況下最大線位移為62.588 mm,位于井架頂部的4號節點,方向為前傾方向;最大角位移為2.382 4×10-3rad,出現在井架中上部的8號節點,方向為繞y軸旋轉。

其他幾種工況數據如表3。在這幾種工況下,當井架承受垂直向下鉤載或背面風載時,其最大位移一般出現在頂部的4號節點,方向為x方向;當井架承受側面大風時,其最大位移出現在其中部的54號節點,方向為y方向(沿風向)。

井架的最大位移為114.6 mm,方向為x方向,出現此最大值的工況為:滿立根、額定鉤載、16節風速(背面來風);最大轉角為1.786 9×10-2rad,方向為繞z軸的轉動,出現此最大值的工況為:無立根、無鉤載、47.8 m/s風速(側面來風)。該結果滿足井架允許變形的要求。

1.4 應力分析

提取每個單元I、J節點的最大、最小應力值,得到此工況下井架模型所有單元的應力數據排序,如表4。井架在此工況下,最大應力出現在左大腿前主杠的中部,最大值為107.1 MPa。API標準規定該安全系數應大于1.67。該主支桿的材料為16Mn鋼,屈服極限為345 MPa,根據靜強度規定,其安全系數為n=345/107=3.22＞1.67,即,此種工況下井架符合靜強度安全要求。其他工況下的數據如表5。

表2 井架頂部節點的位移

表3 各工況下井架的位移

表4 無立根、無風載、最大鉤載下井架單元應力的排序 MPa

表5 各工況下井架的應力

由表5可知,當井架承受垂直向下鉤載或背面風載時,其最大應力值出現在其大腿前主桿的中部或中下部。當井架承受大風載時(即47.8 m/s和36 m/s風速),相同工況下側面受風的最大應力明顯比背面受風時偏大,而承受較小風載時,相同工況下背面受風的最大應力較側面受風時稍大。

最小的安全系數為1.79＞1.67,出現此最小安全系數的工況為:無立根、無鉤載、47.8 m/s風速(側面來風),該型井架符合靜強度安全的要求。

2 井架構件截面可靠性分析

結構的極限狀態方程為

式中,R為結構構件的抗力,MPa;S為荷載效應,MPa,均為隨機變量。

2.1 井架結構抗力和荷載效應的確定

井架構件抗力的隨機性是由材料機械性能、幾何尺寸的變異及結構設計計算模式的不定性等引起的,一般表達式為

式中,RK為結構構件抗力的標準值,可由設計手冊查得,MPa;M為材料強度與剛度的變異;F為截面幾何特性的變異;P為計算模式的不定性。

結構構件材料性能的不確定性用隨機變量表示為

結構構件的幾何參數不確定性為

計算模式的不確定性可用隨機變量表示為

式中,a、ak分別為構件幾何參數實際值和標準值;R、Rj分別為結構構件的實際抗力值和按規范公式計算的結構構件抗力計算值,MPa。

鋼材的屈服強度、彈性模量、截面尺寸、桿件初曲失度及殘余應力等與抗力有關因素的不確定性均服從正態分布。即構成抗力的各隨機變量均服從正態分布,因此,由概率論的中心極限定理可以推出井架結構抗力近似服從對數正態分布。

井架可靠性計算可選用無風載、無立根、最大靜載荷組合工況和滿立根、額定載荷下承受16節風組合2種工況。作用在井架上的載荷主要有鉆機的工作載荷及作用于井架上的風載。鉆機工作載荷引起的效應S服從正態分布,井架上的風載L服從對數極值I分布。變異系數應由當地實際資料統計得到[3-6]。

2.2 井架構件截面可靠性計算

建立的極限狀態方程為

井架構件截面的可靠度分析如圖1所示,選用JC法,采用的收斂準則是驗算點收斂。將相關數據代入程序,得到井架在2種工況下各構件截面的可靠指標β。

圖1 JC法程序框圖

2.3 井架構件截面可靠性數據的分析

表6～7分別列出ZJ30/1700DB型鉆機井架無風載、無立根、最大靜荷載組合工況和滿立根、額定荷載下承受16節風組合工況的可靠指標和失效概率數據,按可靠指標由小到大排序,截取前10行數據。其中,ms為井架承受垂直載荷時的計算應力值;mL為井架承受風載荷時的計算應力值。由此,可以得到井架在2種工況下的最小可靠性指標。

根據《鋼結構設計規范》標準,井架的可靠性指標β0=3.7,按此標準,與所得到數據作比較,有井架最小可靠性指標7.383 1＞β0,表明:①ZJ30/1700DB型鉆機井架各構件可靠度足夠;②井架在16節風的工況下,構件危險截面的失效概率要高于最大鉤載工況,可見風載的影響是不可輕視的。

3 井架結構體系可靠性研究

實際井架是由若干個串聯系統和并聯系統組成的混聯系統,井架整體結構的失效準則可以用失效函數Zi來表達。當失效構件數大于某一個特定值n時,作為超靜定結構的井架失效,則以失效函數Zi表達的整體結構失效準則為

表6 最大荷載時井架構件可靠指標

表7 16節風時井架構件可靠指標

井架整體可靠性分析可采用井架大腿立柱構件以串聯形式的鏈環模型來描述,可以較好地反映實際情況。如圖2,井架由左、右大腿連接而成,任意1根大腿的失效都將引起整個井架的失效,這樣整個井架可看作是2個串聯子系統,每根大腿19個單元桁架為串聯形式,計算得整個大腿的體系結構可靠度為

表8～9分別給出了井架在最大鉤載時的左、右大腿失效概率計算值。由以上分析可知,在最大鉤載的工況下,ZJ30/1700DB型石油井架整體失效概率為0.99×10-18,符合《建筑結構可靠度設計統一標準》,因而該井架不會發生破壞。

圖2 ZJ30/1700DB型井架模型節點和單元編號

4 安全分析

以上分析表明,井架在16節風的工況下,構件危險截面的失效概率要高于最大鉤載工況,可見風載的影響是不可輕視的。井架在風載及其他載荷的作用下變形,會產生安全隱患。處理井下卡鉆事故時,操作過猛或負荷過大,在井架質量及安裝質量較差或井架基礎松垮情況下,也都有可能造成井架失效。通過調研與相關資料查詢可知,井架發生最多的是倒塌。井架一旦倒塌除設備損壞、人員傷亡外,還會導致井下復雜鉆井事故。

由以上分析可找出井架薄弱環節,可見井架發生倒塌原因多屬于失穩破壞。一旦載荷達到或超過井架喪失穩定的臨界值時,井架就會突然失去穩定而倒塌,并會帶來嚴重后果。

表8 左大腿的失效概率

表9 右大腿的失效概率

依據井架在各種工況下的受力特點,如果作用在井架上的動載荷頻率與井架的某階固有頻率接近或成整數倍,就會引起井架結構的共振,這是產生井架倒塌的根本原因。

建議:井架構件及底座必須完好,井架基礎要堅固,水平高差不大于3 mm;安裝要規整,螺栓或銷子齊全,緊固良好;繃繩齊全,地錨牢固可靠;鉆井施工中,井架工要定期檢查井架螺栓或銷子的缺失、松緊情況,并及時補充與緊固[7-10]。

5 結論

1) 由位移分析得出,井架在滿立根、額定鉤載、16節風速(背面來風)工況下,出現最大位移114.6 mm,方向為x方向,滿足井架變形的要求。應力分析得出,井架在無立根、無鉤載、47.8 m/s風速(側面來風)工況下,出現最小的安全系數為1.79＞1.67,滿足靜強度安全的要求。

2) ZJ30/1700DB型鉆機井架各構件可靠度足夠;井架在16節風的工況下,構件危險截面的失效概率要高于最大鉤載工況,所以風載的影響是不可輕視的。

3) 采用失效函數計算井架整體失效概率,在最大鉤載的工況下,ZJ30/1700DB型石油井架整體失效概率為0.99×10-18,符合《建筑結構可靠度設計統一標準》,此井架狀態穩定,不會發生破壞。

4) 井架經常在風載及其他載荷的作用下變形,井架發生最多的是倒塌風險,井架倒塌多屬于失穩破壞,共振是產生井架倒塌的根本原因。

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Reliability Analysis of Drilling Derrick

ZHAO Huan-juan,QI Ming-xia,ZHAO Na
(China University ofPetroleum(East China),Dongying257061,China)

TE923

A

1001-3482(2010)03-0022-06

2009-09-22

趙煥娟(1985-),女,山東日照人,碩士研究生,主要從事石油礦場機械可靠性評價研究,E-mail:ziai.1985@163.com。