基于应力分析的海洋钻机井架结构可靠性分析

传统井架可靠性分析中,将结构抗力和荷载效应看作确定量,与井架实际工况不符,也不能确定安全状态下井架具体的可靠度。为此,以ABAQUS软件为工具,对该海洋钻机塔形井架进行有限元分析,提取出所需工况的应力。采用经过验证的程序对所得应力进行计算,得到该井架的构件截面可靠指标。结果表明,风载和垂直载荷情况下的可靠指标明显低于最大钩载下的可靠指标,表明不可忽视风载对海洋钻机井架的影响。     

海洋修井机井架的有限元分析

海洋修井机井架的设计除能满足钩载工况外，还应满足风载工况。对井架在几种风能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。     

海洋修井机井架稳定性计算研究

对某海洋修井机井架进行了应力集中扫描检测,并利用ANSYS软件对该井架进行了三维有限元分析,得到了位移及应力分布。结果表明,个别杆件应力集中程度较严重,最大钩载工况下,井架强度满足要求。对该井架进行稳定性校核,其局部稳定性和整体稳定性足够。考虑应力集中条件下对井架整体稳定性进行计算,结果表明应力集中对井架的整体稳定性有一定的削弱作用。     

5000kN海洋半潜平台动态井架的研制

为满足勘探三号半潜式钻井平台改造升级要求,研制了5 000 k N海洋半潜平台动态井架。该井架采用横截面为矩形的可拆卸、栓装封闭式钢结构,其主体为双锥塔形结构。井架最大额定静钩载5 000 k N,有效高度56 m。有限元分析计算和最大钩载试验结果表明,井架的结构设计符合规范要求,井架的安全可靠性得到了保证。井架在勘探三号半潜平台上安装顺利,沿用设备与井架预留安装接口均能成功对接。5 000 k N海洋半潜平台动态井架的研制成功提高了平台在更广海域钻探作业及迁徙时应对恶劣环境的能力。     

海洋修井机井架设计计算工况及载荷计算方法

按APIRP2A－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工况下用APIRP2A－LRFD和API4F两种方法有限元结果对比表明，两者最大应力相差2％。     

结构损伤井架的承载能力研究

以受损的JJ450/45K钻机井架为研究对象,从有限元分析和应力测试2个方面,对井架结构损伤情况下的承载能力进行研究。计算了井架在最大钩载下的受力情况,得到了损伤杆件变形部位的应力分布。数值计算与试验结果表明,结构较小的损伤对井架的承载能力影响不大,不影响其正常使用;有限元分析结果与试验结果较接近。因此,在不具备试验条件的情况下,可通过有限元分析对井架结构损伤部位做保守的承载力评估。     

LS20H直升机吊运钻机的研制与开发

根据用户的需求,结合中小型模块钻机的特点,研制开发了LS20H钻机。该钻机最大钩载1470kN,设计钻井深度2000m,配置有1470kN动力水龙头、多节双升桅形井架、模块伸缩式钻台、可拆分式绞车系统、多支点可调节式后台底座。钻机主机用吊运能力为39.23kN的直升机运输,可分为22个模块;用吊运能力为117.68kN的直升机运输,可分为8个模块。钻机井架结构新颖,模块分配合理,模块间的连接力求快速安装和拆卸。应用表明,该钻机在整个钻井过程中,各系统一切工作正常。     

JJ675/48-K型井架起升过程力学分析

井架在起升过程中的力学分析比较复杂,很难采用理论计算的方法得到。为了保证井架及其起升系统的安全,以JJ675/48-K型井架为例,采用SAFI 7.1软件建立模型并模拟该井架的起升过程。分析了在不同起升角度时井架和钢丝绳的受力,得到了最大起升力、最大钩载及井架各构件的强度、刚度。为井架的结构设计和现场起升提供依据。     

基于API极限工况下钻机结构安全性分析

以现场使用的某型号ZJ80钻机为研究对象，API设计验证为背景，结合现有对钻机井架力学特性的研究方法，提出一种结合稳定性研究的力学分析方法，旨在为井架设计安全性验证提供一种更为准确的分析方法。结合稳定性分析中的非线性屈曲分析研究方法，模拟井架及底座结构在受扰动及含缺陷状态下的失稳极限点，在此状态下分析结构强度及安全性。研究结果表明：在考虑井架及底座受到扰动及含缺陷时，各工况下井架及底座结构等效应力值均小于许用应力值，各工况计算UC值均小于1;其中当作业中存在钩载时，结构危险位置出现在天车梁处，无钩载状态下结构危险位置出现在底座转盘梁处；钻机井架在临近失稳状态时，结构综合强度依然满足设计需求。该计算方法及结果更符合现场作业情况，满足API规范要求。研究结果可为钻机井架结构改进提供理论支撑。     

井架模型极限载荷试验

为了研究井架承载至破坏整个过程,利用相似模型进行井架试验是非常必要的。应用相似理论制作了1∶13.3的JJ315/43—A型井架相似模型,在该模型上进行了井架安全承载试验与井架压溃破坏试验。由井架安全承载试验结果可知:井架上段为受力较大部位;井架立柱测试应力与大钩作用载荷呈线性关系。井架压溃试验发现:井架破坏发生在井架上段;实测井架模型大钩极限载荷为19.0kN,与双重非线性有限元分析计算结果基本一致,其相对误差在5.0%以内,证明以这种方法预测井架原型极限载荷是可行的。     

井架临界载荷与振动参数的关系

根据结构形式和受力特征，将井架折算成一根沿长度上质量均匀分布、刚度恒定的简支渠，用振动理论研究井架的结构频率与作用载荷的关系。计算实例表明，井架上作用的载荷与井架结构频率的平方三线性关系。据此，可在井架载荷较小情况下，测量无载荷和有载荷下的井架结构基本频率，并通过计算公式确定井架的临界载荷。     

井架结构安全承载力动态参数评定方法

文章用振动理论研究井架结构频率与作用载荷的关系,对现场在用井架模型进行了数值分析,得出井架作用载荷与固有频率平方之间的线性关系.提出测试井架在不同载荷作用下的固有频率来评定其安全承载能力,并应用此方法对现场在用井架进行了测试和评定.     

实验室井架模型的动态测试研究

井架倒塌事故时有发生,因而合理地预报出井架结构的实际承载能力,已成为石油井架安全评定理论研究的重要内容。首先用振动分析理论研究了井架结构承载能力与其动态参数之间的关系,并通过实验室井架模型的动态测试结果从实验方面验证了二者之间的关系。在此基础上,提出井架结构安全承载力动态参数评定方法,并应用此方法对实验室井架模型进行了安全评定。为了保证评定结果的可靠性,提出在实际应用中测试大于井架额定钩载的10%的2种不同载荷值下,井架结构固有频率的井架安全承载力评定方法。该方法揭示了井架承载能力与其结构固有频率参数之间的关系,开辟了石油井架动态测试与安全评定新的途径。     

ZJ15D型石油钻机井架的瞬态响应研究

传统的通过静力或者利用最大设计大钩载荷乘以动载系数代替动载荷的研究方法对石油钻机井架进行结构分析，已经不符合现场石油钻机井架在复杂时间载荷作用下的真实动响应情况，尤其在起下钻和钻进时，钻机井架要承受瞬态冲击、钻机振动等随时间变化的载荷作用。为此，运用时间历程方法，通过模拟井架钻井时的情况，结合大型有限元ANSYS软件，对大庆油田普遍采用的ZJ15D型石油钻机井架进行了动响应计算。得出了以下结论：①在瞬时冲击下，井架动力响应的产生在钻具立柱轴向、井架侧向和前开口方向具有同时性，但最大值出现的时刻不同；②严重冲击载荷作用下，井架顶部开口方向响应最为强烈，危险时位移可达4 cm。     

由单位载荷变形判定钻机井架的承载能力

为了确保在用钻机井架的安全服役，须对其承载能力加以判定。鉴于目前尚无理想的方法可供采用，特在理论分析及对井架变形、刚度和单位载荷变形进行实测并在综合考虑钻机井架各种缺陷、损伤对承载能力影响的基础上，提出了一种用单位载荷变形判定井架承载能力的新方法。实践表明，这种方法便于在钻井现场实施。     

在用井架剩余承载能力极限状态评定方法

钻井井架因长期使用，各构件、构件间连接及井架整体都会产生不同程度的损伤与缺陷，严重影响井架的承载能力。与承载能力降低的同时，井架结构的应变参数也发生相应的变化。对此，为提高井架的使用安全性，提出以实测应变参数为基础的井架剩余承载能力极限状态评定方法，即采用以应变参数测试为主，辅以结构变形测量、腐蚀测厚、焊缝探伤等综合测试方法检测在用井架结构性能，应用权限状态理论评定在用井架剩余承载能力。应用该方法已测试与评定了98部在用井架，取得了满意的效果。     

服役井架结构的双重非线性分析

按照空间桁架模型,充分考虑了服役井架结构的几何非线性和材料非线性,研究了承载力计算方法,为深入研究服役井架结构的安全度和可靠度评定提供了结构分析基础.     

基于ANSYS6.0钻机井架几何非线性分析

文章对JJ315／43-A型井架在设计载荷作用下进行了几何非线性分析，提出非线性影响度的概念．通过分析非线性影响度来确定几何非线性对井架承载各参数的影响。分析得出．几何非线性对井架顶部x向、y向住移影响较大；对井架杆件轴向应力影响较小；从而得出在井架大钧较小载荷作用下，通过测量井架顶部z向位移及测试井架主要杆件的应力．以线性外推法进行井架安全承载能力评定是可行的。     

基于接触刚度法的井架承载能力评估

井架由于受气候、搬迁运输、装配和地基沉降等因素的影响会造成结构不同程度的损伤,这些损伤均影响井架大腿及结构承载的均匀性。为全面反映井架总体的受力情况,采用接触刚度法模拟井架大腿在不同载荷下的承载不均问题,并对特制的受力严重不均的实验室K形井架进行应力测试,以验证接触刚度法的适用性和适应性。模拟结果与大腿承载严重不均的实验室模型井架的应力测试结果相比,最大相对误差为17.5%,证实了接触刚度法能有效反应井架在不同载荷下大腿承载的不均匀性,能较好地模拟井架的应力分布情况,可用于井架承载能力的评估。     

钻机井架的可靠性分析

对ZJ30/1700DB型钻机井架进行了静力结构分析,得到井架的应力和位移分布,由此分析该井架是否满足可靠性的基本要求。井架结构的可靠指标β能较好地反映出井架的承载能力,计算出井架的最小β值可判断井架的可靠性;井架整体失效概率采用失效函数计算,并分析出保护井架安全工作的措施。