石油鉆機(jī)井架的可靠性

1、探討石油鉆機(jī)井架的可靠性摘要:在對石油鉆機(jī)井架進(jìn)行建造和設(shè)計的過程中必須保障其可靠性，這就需要從各方面對其進(jìn)行分析和評估，如：結(jié)構(gòu)、荷載等。本文主要對石油鉆機(jī)井架的可靠性進(jìn)行分析，并結(jié)合a型井架可靠性指標(biāo)的運(yùn)算程序，提出了相關(guān)的可靠性指標(biāo)計算方法，為我國石油鉆機(jī)井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計及后期維護(hù)提供相關(guān)的理論參考依據(jù)。關(guān)鍵詞:石油鉆機(jī)井架；可靠性；荷載效應(yīng)；抗力效應(yīng)abstract: in the oil rig derrick in construction and design process must ensure its reliability, this need from all parti

2、es in the analysis and evaluation, such as: structure, load, etc. this paper analyzes the oil rig derrick reliability, and combining with type a derrick reliability index of the operation procedure, and proposes the related reliability index calculation methods for chinas oil rig derrick structure d

3、esign and later maintenance provide relevant theory reference.key words: oil rig derrick; reliability; load effect; resistance effect中圖分類號: te922 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:a文章編號:1.前言在進(jìn)行石油開采的過程中，多對石油鉆機(jī)加以運(yùn)用，而石油鉆機(jī)的關(guān)鍵性組成部分就是井架，保障井架的安全可靠性在整個石油開采的過程中有著極為重要的作用。進(jìn)行井架的搭設(shè)，由于其桿件較多、受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且施工條件及使用環(huán)境都比較的惡劣，保障其可靠運(yùn)行具有一定的困難。隨著我國石油開采技術(shù)的

4、不斷進(jìn)步，在較為復(fù)雜的地理?xiàng)l件下也能成功的進(jìn)行油氣田的開發(fā)，而且在鉆井深度方面受到的限制也越來越少，與此同時對鉆機(jī)井架結(jié)構(gòu)的可靠性方面也提出了更高的要求。因此，對石油鉆機(jī)井架的可靠性進(jìn)行分析，對其安全評定系數(shù)加以保證，保障井架的持續(xù)安全運(yùn)營有著十分重要的價值。2.概述對井架結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析，通常是以失效概率及可靠性安全指標(biāo)為主要目標(biāo)，對所設(shè)計井架的可靠性及安全性進(jìn)行評定。但由于石油井架在結(jié)構(gòu)方面較為的復(fù)雜，如存在桁架結(jié)構(gòu)及空間剛架等，同時其在缺陷方面也表現(xiàn)的復(fù)雜多變，目前對井架結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行評價，還沒有較為精確及標(biāo)準(zhǔn)的評定辦法。在進(jìn)行工程建設(shè)的過程中，通常是進(jìn)行相關(guān)的現(xiàn)場井架承載試驗(yàn)，完

5、成對井架的結(jié)構(gòu)、位移、應(yīng)力等多方面特性的測量，并將測試實(shí)際的結(jié)果作為進(jìn)行設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照相關(guān)的安全評定標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用線性外推法對用井架結(jié)構(gòu)的有效承載能力進(jìn)行確定。井架結(jié)構(gòu)的可靠性問題，其實(shí)質(zhì)就是對井架結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行確定，使其定量化，達(dá)到對安全生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)，對使用安全性進(jìn)行評定，對人身安全進(jìn)行保障的目的，有效促進(jìn)石油安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。3.石油鉆機(jī)井架可靠性的評定理論運(yùn)用極限狀態(tài)法對井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行評定時，應(yīng)力s及抗力r都屬于隨機(jī)變量，且滿足正態(tài)的分布原則，對其進(jìn)行可靠性設(shè)計，需采用s-r干涉運(yùn)用模型。將z當(dāng)做是s及r的隨機(jī)變量，則可以得出關(guān)系式z=f(r, s)=r-s=0，即狀態(tài)極限方程。在

6、此，r表示抗力，s表示構(gòu)件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，均屬于隨機(jī)變量。z=r-s，可以對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)功能進(jìn)行反應(yīng)，在z0的過程中，表示結(jié)構(gòu)為可靠狀態(tài)；在z=0的過程中，結(jié)構(gòu)為極限狀態(tài)。通常情況下，對于石油鉆機(jī)井架而言，上述三種狀態(tài)的總概率為1。根據(jù)相關(guān)的數(shù)理理論及概率論，s、r可表示為正態(tài)的變量，因此z也可以表示為正態(tài)變量。從而便可以得出可靠性指標(biāo)的相關(guān)定量計算函數(shù)：（1式），該式中r和r分別表示材料抗力r的標(biāo)準(zhǔn)差及均值；s和s分別表示應(yīng)力s的標(biāo)準(zhǔn)差及均值1。4.石油鉆機(jī)a形井架的可靠性分析4.1對有限元模型進(jìn)行建立a形井架的搭建需要運(yùn)行大量的鋼材，其空間的桿系結(jié)構(gòu)就是運(yùn)用大量鋼材逐一焊接而成的，井架的高度設(shè)計

7、為46398米，其有效高度為37398米，通常選擇4段式的結(jié)構(gòu)組合而成，斜橫撐桿選擇9535 平方厘米的無縫鋼管，主弦桿采用1688平方毫米的無縫鋼管，原材料為16mn的結(jié)構(gòu)焊接鋼，其密度為：=78103kg/m3，其彈性模量為：e=211011n/m2，泊松比為：= 03。對井架大鉤的安全載荷進(jìn)行設(shè)計，其最大值為3 150 kn，通常情況下：大鉤、游車、天車、水龍頭的重力分別為：33452 kn、67120 kn、58320kn、26487kn2。為正確計算出井架的相關(guān)振動值，必須對其計算模型加以建立，在此過程中需要考慮井架的各種受力情況，由于大腿受到二層平臺的約束作用比較小，幾乎可以將其忽

8、略，斜橫撐桿及主弦桿可以進(jìn)行相關(guān)的單元空間梁模擬，而整個模型一共可以剖分為4 048個有效的空間梁模擬單元3。有限元網(wǎng)格的具體劃分如圖一，頂部存在的關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)為：節(jié)點(diǎn)24、節(jié)點(diǎn)69、節(jié)點(diǎn)115、節(jié)點(diǎn)160。為了進(jìn)一步對4段式井架的安全可靠性進(jìn)行研究，可以對各段進(jìn)行命名，其命名情況如圖二。按照井架的實(shí)際工作狀態(tài)，把鉤載的左右偏心及前后偏心劃分為四個的基本工況來進(jìn)行計算。若鉤載處于沒有偏心的狀態(tài)時，其受力的中心在頂部節(jié)點(diǎn)的中心位置；若鉤載處于偏心狀態(tài)時，其受力中心也會在一定程度上發(fā)生偏移4。其實(shí)際情況詳見表一。在以上工況下，按照圖一所表示的計算模型，計算出a形井架的實(shí)際應(yīng)力，其所得結(jié)果如表二所示。圖

9、一井架簡圖圖二井架有限元模型表二井架額定荷載下各桿件應(yīng)力值mpa注:正號表示拉應(yīng)力，負(fù)號表示壓應(yīng)力。4.2對可靠性指標(biāo)進(jìn)行計算根據(jù)表2中的有限元數(shù)據(jù)，并對可靠性及線性回歸分析法等加以運(yùn)用，對相關(guān)的測試應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析及處理，運(yùn)用(1式)將各段的可靠度指標(biāo)計算出來，所得結(jié)果見表3。從表3中可以看出，井架右腿和左腿的值是對應(yīng)相等的，這與井架結(jié)構(gòu)左右對稱密切相關(guān)。因此，可以初步認(rèn)為對井架模型的建立是較為正確的選擇。同理，也可以推出當(dāng)鉤載處于偏心狀態(tài)時，井架各段的實(shí)際值，其所得數(shù)據(jù)見表4-5。4.3對可靠性進(jìn)行分析通過過對井架結(jié)構(gòu)各段的實(shí)際可靠性指標(biāo)進(jìn)行計算，我們發(fā)現(xiàn)鉤載的前后偏心量的大小會對井架各段

10、的實(shí)際可靠性指標(biāo)造成極大的影響，而對井架的實(shí)際可靠性指標(biāo)不會造成太多的影響。圖三是按照表四數(shù)據(jù)繪制出的曲線圖，從表四、圖三中不難發(fā)現(xiàn)，石油鉆機(jī)井架各段的實(shí)際可靠性指標(biāo)會受到偏移距離的影響，偏移距離越大其變化就越大。圖四是按照表五中的數(shù)據(jù)繪制出的曲線圖,從表五、圖4可以看出，石油鉆機(jī)井架各段的實(shí)際可靠性指標(biāo)受鉤載的左右偏心情況的影響較小。圖三可靠性指標(biāo)與向后偏移量的關(guān)系曲線圖四可靠性指標(biāo)與向左偏移量關(guān)系曲線結(jié)束語綜上所述，石油鉆機(jī)井架可靠性指標(biāo)的最小值出現(xiàn)在右一段及左一段，該處是井架的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)處理；石油鉆機(jī)井架右四段及左四段的可靠性指標(biāo)也相對較小，僅比右一段及左一段略高，設(shè)計時也必須引起

11、注意；石油鉆機(jī)井架鉤載的左右偏心不會對井架各段的可靠度指標(biāo)造成太多影響；若石油鉆機(jī)井架的前后受力不均，其可靠性指標(biāo)會嚴(yán)重受到影響。因此，在實(shí)際的鉆井過程中，要對前后是否出現(xiàn)不均勻的受力情況進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測，并采取相應(yīng)的措施對其進(jìn)行控制5?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1馬成剛,王義翠,賴永星.a型井架結(jié)構(gòu)可靠性分析與蒙特卡羅實(shí)現(xiàn)j.西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2008(06):123-125.2孫姜銳,高學(xué)仕,楊冬平,文洪莉,張華光.石油鉆機(jī)井架底座的疲勞壽命預(yù)測j.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備.2009(02):167-169.3沈陸娟,邊文莉,蔡建平.一類非線性不確定系統(tǒng)未知執(zhí)行器故障的自適應(yīng)控制j.佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2012(02):