极地环境井架结构综合载荷设计计算方法与流程

本发明属于极地环境钻井设计技术领域，涉及一种极地环境井架结构综合载荷设计计算方法。

背景技术

极地环境是指-50℃及以上的工作环境，-60℃及以上的贮存环境。极地环境钻机是针对极地区域的特殊环境所研发的特殊钻井，能够在极寒、暴风雪、极地荒原冻土条件下工作。其井架作为钻机的核心部件，在极地环境作业情况下，其制造设计前，需要对井架结构荷载进行精确设计计算及校核，使其能够满足恶劣环境要求，避免在加工制造后，对井架进行试验时导致不能满足极地环境要求出现大量返工的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种极地环境井架结构综合载荷设计计算方法，通过建立模型后采用软件计算UC值与允许值进行比对，以满足极地环境要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种极地环境井架结构综合载荷设计计算方法，它主要包括由下向上依次连接的天车座、底座底部、下体斜段、底座顶部、上体直段和上体收口组成的井架；其综合载荷设计计算自动完成加载、计算和校核；满足不同极地环境工况载荷的加载和计算；采用图形用户交互方式建立模型，然后加载运算，所有工作均在同一界面内完成，最终自动生成计算报告；

其计算过程主要包括如下步骤：

S1，建立结构力学模型；

S2，设定工况，对结构进行模拟工况组合，进行加载计算；

S3，校核及判断。

在S1中，

S1-1，依次对天车座、上体收口、上体直段、下体斜段、底座顶部和底座底部的节点进行编号；

S1-2，依次对天车座、上体收口、上体直段、下体斜段、底座顶部和底座底部的单元进行编号；

S1-3，依次导入单元属性对应材料列表、材料规格列表和基本载荷输入列表。

在S2中，其工况参数主要包括最大钩载、井架高度、作业工况风速、最大风速、满立根时立根重量、转盘载荷、抗地震加速度和积雪厚度及载荷。

在S2中，采用SAFI软件进行加载计算；其中风载荷加载根据单个构件风载计算公式Fm＝0.003338×Ki×Vz²×Cs×A，式中，Ki为风速系数，Vz为高度系数，Cs为结构件形状系数，A为迎风横截面积，SAFI软件自动计算出单元结构及附件结构上的风力Fm，并将单元结构及附件结构上的风力进行自动求和得到结构件上的总风力ΣFm。

在S2中，输出组合工况下井架结构单元UC值的单元列表。

在S3中，在工况组合，也即是作业工况、可预期工况、非预期工况和地震工况下，将加载计算结果的单元列表中的UC值与AISC335-89规范允许值进行对比，当单元列表中的UC值小于AISC335-89规范允许值1.0时，则所有构件综合强度足够，反之则强度不足够。

在S3中，还包括滑动校核；其中结构与地面间的摩擦力为F1，其倾翻校核参数包括整个钻井结构干重量、结构与地面的摩擦系数；校核风速作用下钻井正面风力为F2，F1/F2小于F1时，则钻井不会滑动；或者，校核风速作用下钻井侧面风力为F3，F1/F3小于F1时，则钻井不会滑动。

在S3中，还包括倾翻校核；钻井结构干重t，重心离倾翻线距离L，校核正面或侧面风力为F，作用中心离地面高度H，风载力矩M1＝F×H，钻井重量力矩M2＝G×L，当M2/M1>1.25时，则钻井不会倾翻。

一种极地环境井架结构综合载荷设计计算方法，采用建立井架结构力学模型，根据极地环境工况，对结构进行模拟工况组合加载计算，利用SAFI软件自动计算构件UC值，导出UC值后与AISC335-89的允许值进行对比，判断构件综合强度，还对滑动和倾翻进行校核，判断其稳定性，优化极地环境井架综合载荷设计，有利于提高结构设计强度和稳定性，有效避免加工后导致不能满足极地环境要求造成返工的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：天车座1，底座底部2，下体斜段3，底座顶部4，上体直段5，上体收口6。

具体实施方式

如图1中，一种极地环境井架结构综合载荷设计计算方法，它主要包括由下向上依次连接的天车座1、底座底部2、下体斜段3、底座顶部4、上体直段5和上体收口6组成的井架；其综合载荷设计计算自动完成加载、计算和校核；满足不同极地环境工况载荷的加载和计算；采用图形用户交互方式建立模型，然后加载运算，所有工作均在同一界面内完成，最终自动生成计算报告；

其计算过程主要包括如下步骤：

S1，建立结构力学模型；

S2，设定工况，对结构进行模拟工况组合，进行加载计算；

S3，校核及判断。

优选地，计算过程中的主要计算参数如下：

优选的方案中，在S1中，

S1-1，依次对天车座1、上体收口6、上体直段5、下体斜段3、底座顶部4和底座底部2的节点进行编号；

S1-2，依次对天车座1、上体收口6、上体直段5、下体斜段3、底座顶部4和底座底部2的单元进行编号；

S1-3，依次导入单元属性对应材料列表、材料规格列表和基本载荷输入列表。

优选地，单元属性对应材料列表如下：

Section ID＝2……(其中Section ID＝3～18略)。

优选地，材料规格列表如下：

其中ID 3～18略。

优选地，基本载荷输入列表如下：

其中ID 3～11略。

优选的方案中，在S2中，其工况参数主要包括最大钩载、井架高度、作业工况风速、最大风速、满立根时立根重量、转盘载荷、抗地震加速度和积雪厚度及载荷。

优选的方案中，在S2中，采用SAFI软件进行加载计算；其中风载荷加载根据单个构件风载计算公式Fm＝0.003338×Ki×Vz²×Cs×A，式中，Ki为风速系数，Vz为高度系数，Cs为结构件形状系数，A为迎风横截面积，SAFI软件自动计算出单元结构及附件结构上的风力Fm，并将单元结构及附件结构上的风力进行自动求和得到结构件上的总风力ΣFm。

优选地，风动力学计算说明：由于钻机井架高宽比＝33/4.5＝7.33>5.0，井架第一阶振动频率约为2.1>1.0，所以钻机不需要考虑进行风动力学计算。

优选的方案中，在S2中，输出组合工况下井架结构单元UC值的单元列表。

优选地，组合工况载荷输入列表如下：

其中，ID 3～42略。

优选的方案中，在S3中，在工况组合，也即是作业工况、可预期工况、非预期工况和地震工况下，将加载计算结果的单元列表中的UC值与AISC335-89规范允许值进行对比，当单元列表中的UC值小于AISC335-89规范允许值1.0时，则所有构件综合强度足够，反之则强度不足够。

优选地，组合工况载荷下，钻井单元UC值在0.85～1.0左右的单元列表如下：

其中1H400400(WF)13～18略

其中2H400400(WF)13～18略

其余在0.85～1.0左右的钻井单元UC值略

从以上计算结果数据可知:在工况组合、作业工况、可预期工况、非预期工况、地震工况下，钻井结构单元最大UC值小于AISC 335-89规范允许值1.0,说明所有构件综合强度足够。

优选的方案中，在S3中，还包括滑动校核；其中结构与地面间的摩擦力为F1，其倾翻校核参数包括整个钻井结构干重量、结构与地面的摩擦系数；校核风速作用下钻井正面风力为F2，F1/F2小于F1时，则钻井不会滑动；或者，校核风速作用下钻井侧面风力为F3，F1/F3小于F1时，则钻井不会滑动。

优选地，整个钻井结构干重量约为1945t，结构与地面的摩擦系数为0.15，故结构与地面间的摩擦力为F1＝1013×0.15×0.9＝262.575t。

93节风速作用下钻井正面风力F2＝167t，F1/F2＝1.56>1.25,风力小于钻井井架地面摩擦力，钻机井架不会滑动。

93节风速作用下钻井侧面风力F3＝185t，F1/F3＝1.42>1.25,风力小于钻井井架地面摩擦力，钻井井架不会滑动。

优选的方案中，在S3中，还包括倾翻校核；钻井结构干重t，重心离倾翻线距离L，校核正面或侧面风力为F，作用中心离地面高度H，风载力矩M1＝F×H，钻井井架重量力矩M2＝G×L，当M2/M1>1.25时，则钻井不会倾翻。

优选地，钻井结构干重1945t，重心离倾翻线距离L＝7.912m，93节正面风力为F＝167t，作用中心离地面高度H＝23.4m；

风载力矩M1＝F×H＝167×23.4＝3841t.m

钻井井架重量力矩M2＝G×L＝1945×7.912＝15388.84t.m

M2/M1＝4.00>1.25，所以钻井井架不会倾翻。

优选地，钻井结构干重1945t，重心离倾翻线距离L＝6.59m，93节侧面风力为F＝185t，作用中心离地面高度H＝23.4m；

风载力矩M1＝F×H＝185×23.4＝4329t.m

钻井井架重量力矩M2＝G×L＝1945×6.59＝12817.55t.m

M2/M1＝2.96>1.25，所以钻井井架不会倾翻。

优选地，有限元是将一个连续体结构离散成有限个单元体,这些单元体在节点处相互铰结,把荷载简化到节点上,计算在外荷载作用下各节点的位移,进而计算各单元的应力和应变。用离散体的解答近似代替原连续体解答,当单元划分得足够密时,它与真实解是接近的。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。