石油鉆井和修井井架設(shè)計的安全性評估

任化斌 何軍國 周莉莉

（南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南南陽 473006）

石油鉆井和修井井架設(shè)計的安全性評估

任化斌 何軍國 周莉莉

（南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南南陽 473006）

石油鉆井和修井井架屬野外作業(yè)設(shè)備，工況多，受力復(fù)雜，是鉆機和修井機的核心結(jié)構(gòu)。井架在服役過程中，易出現(xiàn)桿件變形、焊縫開裂、總體彎曲、共振等現(xiàn)象。為避免井架在吊裝、運輸、作業(yè)、設(shè)備保全等全工況條件下出現(xiàn)故障，確保使用安全，應(yīng)用系統(tǒng)分析方法及工程實踐應(yīng)用經(jīng)驗，得出其在不同工況下需要做的受力分析，建立起基于“全工況、多要素”的安全評估方法，為井架設(shè)計提供保障，也為鉆機和修井機底座設(shè)計提供借鑒。

井架設(shè)計；全工況；安全評估

井架是鉆機和修井機的重要組成部分。目前在用典型井架結(jié)構(gòu)，包括桅形井架、K形套裝井架、多節(jié)自升式井架、旋升式K形井架（也稱前開口井架）、塔型井架及海洋動態(tài)井架。一種新型井架的誕生，往往帶來一種新型鉆機或修井機的出現(xiàn)［1］，大慶130老式鉆機的代表是標準塔式井架；三節(jié)以下套裝式、直立、輕型K形井架則成為模塊化輕型鉆機的標志；而旋升式K形井架則是大型橇裝鉆機的首選；多節(jié)自升式井架主要配套于緊湊型大型海洋鉆機；雙井架用于深海作業(yè)。

井架的作用主要是用于安放或懸掛天車、游車、大鉤或頂部驅(qū)動裝置等起升設(shè)備，用于懸掛泥漿立管、水龍頭、水龍帶等泥漿循環(huán)設(shè)備，承受起下鉆、下套管、打撈、測試及其他作業(yè)所產(chǎn)生的載荷，提供起下鉆、存放管柱的高度與空間［2］。

井架由于其在鉆井或修井作業(yè)中所起的作用、結(jié)構(gòu)型式及所處工作環(huán)境，承受較為復(fù)雜的、惡劣的受力。井架在井場轉(zhuǎn)運時摔落、起升時變形、解卡時折彎、迎風時扭曲等現(xiàn)象時有發(fā)生，如何保證井架的強度、剛度及穩(wěn)定性，也就是如何保持井架設(shè)計安全性，不僅成為設(shè)計師重點考慮的問題，也成為第三方設(shè)計審核的重點。

1 石油鉆井和修井井架的安全評估現(xiàn)狀

對于井架的安全評估，目前關(guān)注更多的是服役井架的安全性，這方面論述的文章相對較多。崔曉華［3］認為，井架結(jié)構(gòu)存在2個調(diào)整點，特別是經(jīng)過第2個調(diào)整點以后，大載荷下出現(xiàn)某一模態(tài)響應(yīng)值會劇增，是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的前兆，一般應(yīng)以此時載荷值作為安全載荷的控制值。

井架安全評定的標準為SY 6326《石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范》。安全的判據(jù)主要是單元檢查（Unity Check）因子，即通常所說的UC值。該值表征了單元實際計算應(yīng)力和許用應(yīng)力的比值，考慮了單元承受拉、壓、剪切，或承受拉彎組合、壓彎組合作用。通常只要UC值小于等于1，即表示該單元強度、剛度及其穩(wěn)定性滿足AISC規(guī)范要求。

井架設(shè)計通常以工作應(yīng)力法為設(shè)計基礎(chǔ)，對于新設(shè)計井架的安全性評估通常局限于總體分析，并被等同于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算，然后按AISC規(guī)范的要求進行校核，這方面的文章相對較多。

井架安全評估是一項系統(tǒng)性工作，除了考慮井架的總體結(jié)構(gòu)，如井架型式、井架與底座連接方式、井架起放方式、運輸方式等，還需要考慮井架內(nèi)部構(gòu)件之間連接細節(jié)，以及附屬設(shè)備的安裝方式。不合適的連接結(jié)構(gòu)，如同時承受拉力和振動載荷的螺栓用做主連接，將降低結(jié)構(gòu)的安全性。此外，局部強度校核不能忽視，尤其是承受較大起升負荷的重要焊縫，立柱與立柱間的連接結(jié)構(gòu)，較大部件的總體吊點、承受頂部驅(qū)動裝置作用力的反扭矩梁等，均需要詳細計算或試驗驗證。焊縫開裂、聯(lián)接點松動容易產(chǎn)生井架事故。

總的說來，目前井架的設(shè)計計算偏重于結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力分析，缺乏系統(tǒng)性的安全評估。

2 石油鉆井和修井井架設(shè)計安全評估方法的建立

2.1 井架設(shè)計安全評估的基本方法

井架設(shè)計安全評估基本方法主要包括兩方面，即設(shè)計計算和試驗驗證，尤其是在設(shè)計計算方面需要做多因素、分層次、系統(tǒng)性的計算與校核。

隨著工業(yè)技術(shù)、計算軟件技術(shù)的發(fā)展，手工結(jié)構(gòu)計算為主的時代已成為過去，有限元分析被廣泛采用，甚至出現(xiàn)了適應(yīng)鉆機和修井機結(jié)構(gòu)分析的專用軟件，如海洋工程結(jié)構(gòu)計算或分析軟件SACS、ABAQUS/AQUA等。

2.1.1 結(jié)構(gòu)強度計算。對于大多數(shù)的通用計算分析軟件而言，其MISE應(yīng)力采用軸向應(yīng)力（x方向）與另外2個方向彎曲應(yīng)力（y方向和z方向）的絕對值相加或相減來確定最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，即：Smax=SDIR+│SBYT│+│SBZT│；Smin=SDIR-│SBYB│-│SBZB│。其中，Smax為單元最大應(yīng)力，Smin為單元最小應(yīng)力，SDIR為單元軸向應(yīng)力（x方向），SBYT為+y方向彎曲應(yīng)力，SBZT為+ z方向彎曲應(yīng)力，SBYB為-y方向彎曲應(yīng)力，SBZB為-z方向彎曲應(yīng)力。

對于單項計算，靜強度符合要求的條件是計算應(yīng)力S（通常取MISE應(yīng)力）小于等于材料的設(shè)計強度f（通常取許用屈服強度），即：S≤f。例如，井架天車滑輪軸，設(shè)計強度需滿足下式要求：f=σs/1.67。其中，σs為材料屈服強度。

2.1.2 結(jié)構(gòu)長細比計算。計算公式如下：λ=KL/r。其中，λ為單元長細比；L為無側(cè)向支撐桿件長度；r為回轉(zhuǎn)半徑；K為有效長度系數(shù)。

主要構(gòu)件中，受壓桿件的長細比λ應(yīng)小于120，受拉桿件的長細比λ應(yīng)小于150；次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，受壓桿件的長細比λ應(yīng)小于150，受拉桿件的長細比λ應(yīng)小于200。按API RP2A-WSD要求，次要結(jié)構(gòu)的構(gòu)件長細比受壓桿件的長細比λ應(yīng)小于200，受拉桿件的長細比λ應(yīng)小于300。

2.1.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算。當結(jié)構(gòu)的承載力達到某一值時，若有一個微小的載荷增量，如果結(jié)構(gòu)的平衡發(fā)生非常大的改變，則這種情況稱之為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或屈曲。對于井架的屈曲計算，20a前，大多數(shù)的設(shè)計師把井架簡化成一個整體線性桿件，通過手工計算。隨著計算機技術(shù)及有限元技術(shù)的發(fā)展，對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，大多借助計算軟件來解決穩(wěn)定性計算問題。

根據(jù)AISC規(guī)范，UC值可以作為穩(wěn)定性分析的重要判據(jù)。綜合實踐經(jīng)驗，井架的整體穩(wěn)定性需要同時考慮以下因素：①結(jié)構(gòu)本體材料的屈服強度宜大于235MPa；②結(jié)構(gòu)本體材料沖擊值滿足應(yīng)用環(huán)境溫度要求；③主載荷路徑結(jié)構(gòu)件壁厚宜大于5mm；④結(jié)構(gòu)件長細比符合規(guī)范要求，見3.1.2；⑤結(jié)構(gòu)UC值符合規(guī)范要求，見3.1.1；⑥線性屈曲分析滿足要求，即Sw≤ψ×f，其中Sw為穩(wěn)定計算應(yīng)力，ψ為折減系數(shù)；⑦為防止局部屈曲，受壓桿件截面的寬厚比適宜滿足規(guī)范要求；⑧適宜時，需要開展結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析與動力學分析，如由動力機引起的共振分析、風振分析、設(shè)備海運時的縱橫搖等。

2.1.4 結(jié)構(gòu)總體位移計算。對井架總體變形而言，多大的頂部位移符合使用要求，目前尚沒有規(guī)范明確規(guī)定。根據(jù)文獻GB 50135-2006，表3.0.10高聳結(jié)構(gòu)水平位移限值，對自立塔，以風為主的荷載標準組合作用下，滿足下列要求：按線性分析時，△μ/H=1/75；按非線性分析，△μ/H=1/50。其中，△μ為水平位移，H為總高度。

通常，如果把井架作為一個整體，看作為底部固定的高聳的懸臂梁結(jié)構(gòu)，則井架頂部彈性變形允許值可取為△μ/H=1/100。綜合鉆井工藝對“大鉤中心、轉(zhuǎn)盤中心及井口中心”三點一線的要求，以及工程實踐，最大鉤載時，井架頂部瞬時彈性位移允許值推薦如下：對于車裝鉆機和修井機用桅桿式井架，宜取△μ/H≤1/100；對于橇裝鉆機和修井機用直立式井架，宜取△μ/H≤1/150。

2.1.5 結(jié)構(gòu)模擬試驗。通常首臺井架出廠前進行模擬試驗，模擬的部分工況與實際工況相同或接近，如模擬井架的吊裝、運輸、起升或下放、伸出與縮回及最大鉤載試驗等。而另外一些工況模擬需要專用設(shè)備及大量的資金投入（如風洞試驗、地震試驗），難以實現(xiàn)。

表1 井架使用工況重要性分析

運用模擬測試與工程計算相結(jié)合的方法，當模擬數(shù)據(jù)與計算分析數(shù)據(jù)達到工程實踐的要求時，井架的安全性也就大大提高。

2.1.6 設(shè)計安全性評估。目前對于井架的評估側(cè)重于井架作業(yè)時的最大承載能力是否滿足要求。而實際上井架是一個全工況受力的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，任何一個工況的不安全因素均可能導(dǎo)致井架損傷或報廢，從而需要建立起基于全工況、多因素的評估方法，來確保設(shè)計的井架是安全可靠的。

對井架的安全評估而言，UC值可作為綜合評估要素，而長細比、結(jié)構(gòu)壁厚、結(jié)構(gòu)局部強度分析等可作為單項要素?？紤]工程實踐，規(guī)范并不要求對井架必須進行全工況計算，也不要求井架必須作載荷試驗。對井架的設(shè)計分析可以分為關(guān)鍵工況和一般工況，應(yīng)用先進計算方法與經(jīng)驗設(shè)計法相結(jié)合，并且分層次進行評估，可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本。

2.2 石油鉆井和修井井架工況重要性分析

根據(jù)井架在某工況下出現(xiàn)故障時，對人員和設(shè)備造成的危害大小，對各工況按其重要性，分成關(guān)鍵工況和一般工況，見表1。

2.3 石油鉆井和修井井架設(shè)計安全性評估分類

綜合上述各工況的重要性，以及各工況分析要素，結(jié)合實際應(yīng)用，得出如下結(jié)論：①當井架的關(guān)鍵工況未進行校核計算時，認為該井架的安全性未知；②當井架各計算工況結(jié)果有一項或以上不滿足要求時，認為該井架不安全；③當井架各計算工況結(jié)果均滿足規(guī)定的要求，其他未計算工況有類似的設(shè)計計算或使用經(jīng)驗時，認為井架設(shè)計安全；④當井架全部工況計算結(jié)果均滿足規(guī)定的要求，認為井架設(shè)計安全；⑤當井架全部工況計算結(jié)果均滿足規(guī)定的要求，并通過試驗驗證或現(xiàn)場使用證明時，認為井架安全。

3 應(yīng)用實例分析

運用上述知識，對東海某鉆井平臺7 000m海洋鉆機井架進行了全工況受力分析和計算，并進行了工廠安裝與加載測試，結(jié)果表明井架是安全的。部分工況主要計算結(jié)果見表2。

4 結(jié)語

石油鉆井和修井井架可以稱之為鉆機和修井機的骨架，井架的品質(zhì)在一定程度了決定了鉆機和修井機的工作能力和先進性。在設(shè)計、制造和使用井架過程中，需要對井架安全性給予足夠的關(guān)注，并通過研發(fā)新的結(jié)構(gòu)或提高在用井架類型的可靠性，為油氣工業(yè)的發(fā)展作出貢獻。

［1］張勇.海洋鉆機井架技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油機械，2009（8）：92-95.

［2］尹永晶，楊漢立，胡德祥.橇裝鉆機［M］.1版.石油工業(yè)出版社，2004.

［3］崔曉華.用結(jié)構(gòu)模態(tài)遷移法評定井架的安全承載能力［J］.石油機械，2001（12）：16-17.

Safety Evaluation of the Design of the Petroleum Drilling and Well Servicing Mast&Derrick

Ren HuabinHe JunguoZhou Lili
（Rg Petro-machinery Group Co.Ltd.，Nanyang Henan 473006）

The petroleum drilling and well servicing mast&derrick belongs to the out-door equipments,which has many kinds of working conditions and complex stress.It is the key structure of the drilling and work-over rig.These situations may take place in service,such as distortion of the members,crack of the welds,bend or sympathetic vibra?tion of the structure,etc.In order to avoid the failure of the derrick in hoisting,transportation,operation,equipment maintenance,and so on,to ensure the safety of the operation,by applying the method of system analysis and engineer?ing practice,it is necessary to analyze the force of the system under different working conditions,a safety assessment method based on the whole working condition and multi elements was established,to provide the guarantee for the de?sign of the derrick,and provide reference for the design of the base design of the drilling and workover rig.

mast&derrick design；full-time work condition；safety evaluation

TE951

A

1003-5168（2017）02-0057-03

2017-01-08

河南省重大科技專項“自升式海洋鉆井平臺鉆機的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”（111100210500）。

任化斌（1973-），男，碩士，工程師，研究方向：鉆采裝備的開發(fā)及管理。