ZJ90/6750DB型钻机井架及底座强度分析

李文彪，高永杰，史楠楠，郑永谭，聂永晋

(渤海装备辽河重工有限公司，辽宁 盘锦 124010)①

ZJ90/6750DB型钻机井架及底座强度分析

李文彪，高永杰，史楠楠，郑永谭，聂永晋

(渤海装备辽河重工有限公司，辽宁 盘锦 124010)①

结合ZJ90 /6750DB型钻机工程实例，建立力学模型并计算出起升工况下快绳和起升大绳拉力，以及主要杆件最大受力，对井架和底座主要杆件进行初步校核。使用SCAS软件对井架和底座进行在位和起升的详细结构校核。计算结果为钻机的设计制造及可靠性分析提供理论依据。

井架；底座；钻机起升；强度校核

ZJ90/6750DB型钻机的名义钻探深度达到9 000 m，可承受6 750 kN钩载。井架和底座作为钻机主要支撑结构，采用常规材料，在保证安全的情况下，钻机某些部件质量和外形尺寸无法满足用户运输要求。为了减轻质量和减小外形尺寸，ZJ90/6750DB型钻机部件材料采用海洋高强度钢，因此，进行井架底座的强度校核是必要的。

1 井架及底座结构

1.1 主要参数

名义钻深

9 000 m

最大钩载

6 750 kN

提升系统最大绳系

7×8

钻台高度

12 m

钻台面积

13.8 m×12 m

1.2 钻机结构

ZJ90/6750DB型钻机采用传统分片式前开口“K”形井架，底座采用平行四边形起升方式，井架底座配人字架。

井架为前开口型无绷绳井架，井架后腿坐落在人字架顶端，前腿与人字架前腿坐落在底座顶层，形成稳固三角支撑结构。该井架由5段组装而成，段与段和背扇与各段由双耳板、双锥销连接井架。井架采用低位水平安装，支脚在钻台上，依靠绞车动力，通过钻台面上的人字架和起升绳系整体起放井架。

底座分为顶、中、底3层。底层分为左右下座及连杆部分，中层包括前后立柱、斜支架、立支架、斜支架，顶层包括左右上座、立根盒梁、转盘梁、绞车梁。底座采用低位安装方式，先将前立柱、后立柱、斜立柱和斜拉杆用8个销子连接底层和顶层，在安装好钻台设备之后，起升井架。井架起升完毕后，以井架底层立支架下端的两个液压绞车为起升动力，带动底层、顶层与前立柱、后立柱、斜立柱、斜拉杆构成的平行四边形发生变化，将钻台起升到工作位置。

2 设计计算

2.1 井架和底座起升力计算

2.1.1 井架起升工况

井架起升原理示意如图1。以井架整体为研究对象，如图2所示，建立力矩平衡方程为

G×L4-F3×L3-F2×L2-F1×L1=0

式中：G为井架上所有参与起升部件的重力，F2和F3为起升大绳起升时的受力，F1为天车快绳拉力，L1、L2、L3、L4为井架支座对应F1、F2、F3、G的力臂。

图1 井架起升原理示意

图2 井架起升所受外力示意

以起升时大钩为研究对象，建立力平衡方程。

F2=F3=2×F/2cosβ

式中：F为井架起升时的钩载。

本钻机提升系统最大绳系7×8，承载绳根数为14，此时效率为0.755，快绳拉力为

井架钩载

通过建立三角形几何关系，建立L1、L2、L3、L4、β对α的函数式，通过Excel计算，钩载如图3，起升大绳拉力如图4，绞车快绳拉力如图5。

图3 井架起升过程钩载曲线

图4 井架起升过程大绳拉力曲线

图5 井架起升过程绞车拉力曲线

以人字架为研究对象，人字架所受外力如图6所示。F1为天车快绳拉力，快绳跨过人字架横梁与绞车相连。F4和F5为人字架前后腿所受轴向力。

根据图6建立平衡方程。

F4=F1×cosγ3+F2×cosγ2+F3×

cosγ1-F1×cosγ5+F5×cosγ4

图6 井架起升过程人字架所受外力示意

2.1.2 底座起升工况

底座起升原理如图7。在底座起升结构中，前后立柱和斜支架均起到支撑作用，在此考虑结构安全性，仅考虑前后立柱在起升结构中的作用。

图7 底座起升原理示意

以顶层和顶层部装置为研究对象，将系统简化为只有前后立柱和顶层起升滑车拉力的系统，如图8所示。

图8 底座起升受力示意

图中GD为底座的集中重力；P为滑车拉力，PX、PY为滑车拉力在水平和竖直方向的分力；FD1为前立柱拉力，FD1X、FD1Y为前立柱拉力在水平和竖直方向的分力；FD2为后立柱拉力，FD2X、FD2Y为后立柱拉力在水平和竖直方向的分力。

建立平衡方程为

建立几何方程为

(FD1Y+FD2Y)=(FD1+FD2)×tanα1

滑车拉力为

对前立柱支点取矩，在竖直方向建立平衡方程。

-PYl1-GDl2+FD2Y(l2+l3)=0

对后立柱支点取矩，在竖直方向建立平衡方程。

-PY(l1+l2+l3)-FD1Y(l2+l3)+GDl3=0

以起升三脚架为研究对象，起升三脚架所受外力如图9所示。FD3为立支架支反力，FD4为斜支架支反力，建立平衡方程为

FD3=FD4×sinγ-P×sinβ1

图9 起升三脚架示意

通过Excel计算，底座中层起升力如图10，底座起升滑车拉力如图11。

图10 底座起升中层立柱起升力曲线

图11 底座起升滑车拉力曲线

根据计算，在井架起升角度和底座起升角度最小时起升力最大，相应参与起升的杆件也是在刚刚起升时所受的拉力或压力最大。人字架后腿和中层三脚架前腿为受拉杆件，可按照受拉二力杆进行校核。根据材料力学压杆稳定校核方法，可知人字架前腿中层前后立柱和三角架后腿均满足压杆稳定条件。

2.2 有限元计算

2.2.1 有限元模型

根据井架和底座设计结构，简化复杂结构。在结构连接点建立结点，在铰接点释放相应自由度。井架和底座在起升初始位置时杆件的受力最大，因此利用软件计算井架和底座起升在初始位置的最大受力工况。

结构坐标系遵循右手定则建立，以地面井口中心为坐标原点，面对大门坡道方向为x轴的正方向，面对大门坡道方向右侧为y轴，垂直向上为z方向，有限元模型如图12。

2.2.2 设计载荷

1) 钻井组件静载荷。使用所建立的井架底座有限元模型静载荷，并在井架上添加相应的附件和设备质量。

2) 最大额定静钩载FG=6 750kN。包含游动设备载荷(适用时，在所有载荷工况中游动设备和从横梁上悬挂下来的钢丝绳的质量产生的载荷 FTE=150kN) 。

3) 最大转盘额定静载荷FZ=6 750kN。

4) 最大额定立根载荷。立根盒立根载荷W=3 200kN；二层台立根靠力Fh=W/4×tan2°(立根在x、y方向的斜靠角度按2°考虑)。

5) 环境载荷。对于陆地钻机，主要考虑风载荷，根据API规范，设计风速如表1。本计算选取每隔45°、8个方向对钻机加载风载荷。

表1 不带绷绳轻便井架海岸最小设计风速 m/s(节)

6) 起升载荷。通过2.1.1节和第2.1.2节数值计算的起升载荷，将计算结果施加在相应井架起升天车位置和底座起升的滑车上。

图12 井架底座有限元模型

2.2.3 设计工况

跟据API 4F规范，钻井结构使用以下载荷的组合设计：

1) 操作工况1a。静载荷+静钩载FG+立根载荷(W+Fh)+环境载荷(风速16.5 m/s)。

2) 操作工况1b。静载荷+游动设备载荷FTE+转盘载荷FZ+立根载荷(W+Fh)+环境载荷(风速16.5 m/s)。

3) 预期工况2。静载荷+游动设备载荷FTE+转盘载荷FZ+环境载荷(风速38.6 m/s)。

4) 不可预期工况3。静载荷+游动设备载荷FTE+转盘载荷FZ+立根载荷(W+Fh)+环境载荷(风速30.7 m/s)。

5) 井架起升工况。静载荷+井架起升载荷+环境载荷(风速16.5 m/s)。

6) 底座起升工况。静载荷+底座起升载荷+环境载荷(风速16.5 m/s)。

2.3 计算结果

通过对钻机井架和底座载荷定义和工况组合后，在SACS软件中进行结构计算，该软件可根据相应规范计算出每个单元设计载荷和组合工况的最大UC值。井架起升时人字架前腿、井架1、2段前腿UC值0.70～0.99，其余结构UC值均在0.7以下；底座起升工况中起升三脚架后腿UC值0.70～0.99，其余结构UC值均在0.7以下。

根据计算可以看出，单元最大UC值均小于1，可以判定井架和底座各单元结构强度满足要求。

4 结论

1) 通过对钻机起升的强度计算可知，控制钻机的质量对钻机起升的安全性十分重要，同时要考虑结构安全性，材料费用和结构实用性的最佳综合点，是设计工作的首要任务。

2) 通过SCAS设计软件计算，结合API 4F规范，能够对危险结构进行前期设计核算和修改，同时结合后期现场试验数据对比分析，计算数值偏差较小。SCAS软件满足钻机设计要求。

3) 井架和底座经过校核，高强度海洋材料满足结构设计要求，为今后钻井设备设计开发提供新思路。

[1] API Spec 4F—2008，钻井和修井结构规范[S].

[2] 刘鸿文.材料力学(上、下册)[M].3版.北京：高等教育出版社，1992.

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ZJ90/6750DB Drilling Rig Derrick and Substructure Strength Analysis

LI Wenbiao，GAO Yongjie，SHI Nannan，ZHENG Yongtan，NIE Yongjin

(China Petroleum Liaohe Equipment Company，Panjin 124010，China)

In this paper，ZJ90 /6750DB as research object，establishment mechanical model are used to calculate the fast rope and wire rope tension force and calculate the maximum force of main beam in lifting condition.A preliminary check of main beam for the mast and substructure is given.Then these detailed checks using SACS software in raising and in-place condition are given as well.The result provides theoretical basis for the rig design and manufacture.

drilling derrick;substructure；rig lifting；strength analysis

1001-3482(2016)12-0028-05

2016-07-21

渤海石油装备制造有限公司科技项目“9000米轻型变频电驱钻机研制”( Y-13M000205)

李文彪(1980-)，男，吉林德惠人，硕士研究生，现从事石油钻采设备和海工产品方面的设计工作，E-mail：liwenbiao1980@163.com。

TE923

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.008