JJ450型井架设计及动力特性分析 - 图文

本科毕业设计（论文）

题

目 JJ450型井架设计及动力特性

分析

学生姓名 教学院系 专业年级 指导教师 单 位

学 号

机电工程学院

职 称 副教授

西南石油大学

完成日期 2015年06月

Southwest Petroleum University

Graduation Thesis

Design and Dynamic Analysis of the JJ450 Derrick

Grade: 2011

Name:

Speciality: Mechanical engineering and automation

Instructor:

Mechanical and electrical engineering

2015-6

JJ450型井架设计及动力特性分析

摘要

井架，在整个钻井采油过程中扮演着非常重要的角色，主要作用包括安放天车，游车等起升设备，同时还担负着承受各种各样的载荷的作用。JJ450型井架的主要参数包括：游动系统为12绳时,最大钩载4500 kN；游动系统为10绳时,最大钩载为4236 kN；游动系统为8绳时,最大钩载为3916 kN。允许最大风速为55 m/s,井架高为46749 mm。井架顶部尺寸为3000 mm×2800 mm。井架下底尺寸为9476 mm×5822 mm；二层台高度为26238mm～2755 mm；二层台立根容量( 127mm(5英寸)钻杆,28 m立根)6040 m。本次设计的井架主体为五段焊接件的组装，段与段之间采用耳板销钉定位，螺栓连接，这样的结构既能缩短安装的时间，又能方便运输转移。本设计主要分为建模与动力特性分析。建模过程主要采用PTC CREO中的EFX模块，具体步骤包括先建骨架，再转换成钢结构，处理接头，焊接，最后组装，得出完整的井架简图。动力特性分析主要借助ansys workbench对井架进行模态分析。具体步骤为先将模型导入workbench中，再划分网格，进行分析，最后对结果进行分析。通过上述过程掌握建模和运用Workbench分析模型的方法，最后得到模型的前6阶固有频率（2.4911Hz、3.6809 Hz、7.4687 Hz、8.6061 Hz、8.9593 Hz、9.7633 Hz）及其振型振型，得出井架在实际工程中工作载荷应避免在上述几个频率范围内，从而避免发生共振的结论。

关键词：JJ450型井架；海洋钻机；Pro/E EFX；钢结构；ansys workbench

Abstract

Oil derrick is an important part of oil rig derrick in the drilling process plays a crucial role, can be used for placing a crane, travel car up lifting equipment, shoulders bear the reuse of various working loads. JJ450 type oil derrick the main parameters of including 12 rope hoisting system, the maximum hook load 4500 kn; 10 rope hoisting system, the maximum hook load of 4236 kn; hoisting system for cable, maximum hook load of 3916 kn. Maximum wind speed of 55 m/s, derrick height of 46749 mm. The top of the derrick is 3000 mm * 2800 mm. The bottom size of the derrick is 9476 mm * 5822 mm; the height of the two bed is 26238mm ~ 26543 mm; the two story stand is (127mm (5 inch) drill rod, and 28 mm).The design of the derrick body structure is assembled by using five sections of the welded components, component between the conical pin connection, such a structure can not only shorten the installation time and convenient transport. This design is mainly divided into modeling and dynamic analysis. Modeling process mainly adopts PTC Creo EFX module and concrete steps including first built skeleton, then converted into steel structure, joint processing, welding, final assembly, complete derrick diagram is obtained. The analysis of the derrick is carried out by workbench ANSYS.. The specific steps of the model into workbench, then divided the grid, analysis, and the results of the final analysis. Through the above process to master modeling and using the workbench model analysis method, finally get the model front six order natural frequency (2.4911Hz, 3.6809 Hz, 7.4687 Hz, 8.6061 Hz, 8.9593 Hz, 9.7633 Hz) and modal vibration type, it is concluded that the derrick in actual engineering work load should be avoided in the frequency range, so as to avoid the resonance of the conclusion.

Keywords: JJ450 derrick; offshore rig; Pro/E EFX ; steel structure; ANSYS Workbench

1 绪论.......................................................................................................................................... 1

1.1 概述 .................................................................................................................................. 1 1.2 国内外的现状 .................................................................................................................. 1 1.3 井架发展趋势 ................................................................................................................. 2 1.4 井架分析现状 ................................................................................................................... 3 1.5 井架的主要类型 ............................................................................................................... 4 1.6 JJ450型井架简介 .............................................................................................................. 5 1.7 本课题主要内容 ............................................................................................................... 5

本章小结 .......................................................................................................................... 6

2 井架的结构方案及布局设计 .................................................................................................. 6

2.1 井架结构的确定 ............................................................................................................... 6

2.1.1 井架立面形式的确定 ............................................................................................ 6 2.1.2 井架斜撑布置方式的确定 .................................................................................... 6 2.3 井架材料的选择 ............................................................................................................... 8 2.4结构说明 .................................................................................................................................... 8

2.4.1井架主体 ................................................................................................................. 8 2.4.2二层台 ..................................................................................................................... 9 2.4.3人字架 ..................................................................................................................... 9 2.5井架构件截面的选择 ........................................................................................................ 9 2.6 井架杆件结构的确定 ..................................................................................................... 10 2.7 井架结构简图 ................................................................................................................. 10 2.8 井架主体尺寸 ................................................................................................................. 11

本章小结 ........................................................................................................................ 11

3 井架的主要参数确定及相关载荷分析与计算[8] ................................................................... 12

3.1井架参数 .......................................................................................................................... 12 3.2计算方法 .......................................................................................................................... 13 3.3井架的结构静载 .............................................................................................................. 13 3.4立根载荷 .......................................................................................................................... 13 3.5 大钩最大静载 ................................................................................................................. 13 3.6二层台的计算设计 .......................................................................................................... 14 3.7立根风载计算 .................................................................................................................. 15 3.8风载计算 .......................................................................................................................... 16

本章小结 ........................................................................................................................ 20

4 井架连接处销轴、耳板的设计 .............................................................................................. 20

4.1 井架与井架底座连接处销轴耳板的设计 ..................................................................... 20

4.1.1销轴的计算设计 ................................................................................................... 20 4.1.2 耳板设计 .............................................................................................................. 21 4.2 人字架与井架主体连接处销轴与耳板的设计 ............................................................. 23

4.2.1 销轴的设计 .......................................................................................................... 23 4.2.2耳板的设计 ........................................................................................................... 23 4.3 井架各主体的销轴、耳板的设计 ................................................................................. 25

4.3.1 销轴的设计 .......................................................................................................... 25

4.3.2耳板的设计 ........................................................................................................... 25 本章小结 ........................................................................................................................ 27

5 井架三维实体模型的建立 ...................................................................................................... 27

5.1软件简介 .......................................................................................................................... 27 5.2 建立模型思路 ................................................................................................................. 28 5.3建模过程 .......................................................................................................................... 28

5.3.1建立骨架模型 ....................................................................................................... 29 5.3.2放置梁 ................................................................................................................... 30 5.3.3接头处理 ............................................................................................................... 31 5.3.4 焊接工艺 ...................................................................................................................... 32

5.3.5各段组装 ............................................................................................................... 33 5.3.6连接处理 ............................................................................................................... 34 本章小结 ........................................................................................................................ 35

6 动力特性分析 ............................................................................................................................ 36

6.1本章简介 .......................................................................................................................... 36 6.2 软件介绍 ......................................................................................................................... 36 6.3 分析说明 ......................................................................................................................... 36 6.4 稳定性分析 ..................................................................................................................... 37

6.4.1稳定性分析的基础 ............................................................................................... 37 6.4.2静载荷为井架结构自重的稳定性分析 ............................................................... 37 6.4.3静载荷为井架结构最大钩载的稳定性分析 ....................................................... 40 6.5动力学分析 ...................................................................................................................... 41

6.5.1模态分析 ............................................................................................................... 41 6.5.2模态分析的基础 ................................................................................................... 41 6.5.3井架模态步骤 ....................................................................................................... 42 6.5.4 结果分析 .............................................................................................................. 44 6.6井架随机振动分析 .......................................................................................................... 47

6.6.1随机振动分析的基础 ........................................................................................... 47 6.6.2随机振动分析分析步骤 ....................................................................................... 48 6.6.3结果分析 ............................................................................................................... 49 本章小结 ........................................................................................................................ 52

结论 ............................................................................................................................................... 53 总结 ............................................................................................................................................... 53 感谢信 ........................................................................................................................................... 54 参考文献........................................................................................................................................ 54

1 绪论

1.1 概述

近年来，随着经济发展的速度越来越快，对石油资源的需求量不断的增大，而在获取石油的过程中，钻机井架是不能缺少的主要构件。它起到的作用包括：放置天车，悬挂游车、大钩及其他的专用工具，同时在钻井过程中，可以执行下套管的操作，在起下钻时，又可存放立根。井架是石油钻井八大系统中起升系统的重要组成部分，对石油井架的研究具有很大的学术价值和实际作用，而由于这个大型钢结构杆件太多，还承受着各种力的作用，对它的研究同时也具有很大的挑战。为了满足经济发展的需求，对各种不同工况下油气田的勘探越来越普遍，与此同时，钻井深度也在不断的增加，为了满足这些实际需求，国内外设计出钻机的性能和功能的要求也越来越高，这对井架强度、稳定性和刚度的要求也越来越高，设计出性能好，可靠性高，成本低的钻机井架是世界上所有井架设计生产者的目标。目前，世界上的井架正在向着低位安装、整体起升、高钻台、重量轻、车载化和移运性好的方向不断发展，

1.2 国内外的现状

井架在石油开采过过程中承受着各种各样的载荷，因为井架强度不够，稳定性不好而发生事故在国内外都发生过。随着科学技术的发展和对能源的需求量越来越大，钻井向深海发展的趋势也越来越明显，对大型石油钻机的设计和制造技术要求也越来越高，所涉及的技术难题也越来越多。由于井架在钻井过程中所发挥的重要重用，要求也相应提高，而由于海洋井架所处环境比陆地井架复杂的多，要求则更高。在上世纪60年代以前，国外对井架的结构安全稳定性的检测仅仅是对外观的检测，研究报道则是以对海洋平台结构的有限元分析为主。从上世纪70年代开始，井架钢结构的动态响应等问题，开始受到相关设计人员的关注。在90年代时，对井架新技术的发掘和研究工作逐步得到了重视。到21世纪时，计算机技术得到快速发展，结构动力学、系统阻尼、系统响应、模态分析等技术在计算机上能实现很好的研究与分析，对井架的研究方法逐渐走向了系统化、精细化，对井架的研究手段越来越丰富。从本世纪初到40年代，几乎所有的井场都在使用这种井架。塔型井架使用最久井架类型，由于该类型井架杆件众多，在组装和移运过程中显得非常困难，同时操作平台过高，操作人员的安全性不能得到保障，逐渐趋于被淘汰。但从70年代开始，发展海洋钻井工程的趋势越来越明显，塔型井架又显现出它特有的承载能力特别大，稳定性也非常好的优势，又发展成为目前世界上海洋钻井工程中最主要的一种

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结构形式了。美国艾迪科公司在1948年生产出了一种新型自身式井架—A型井架。由于该类型井架具有良好的视野，拥有宽大的钻台空间，能够实现在地面上实现组装[1]，起升时又能整体起升等优点，这种井架已经被很多国家的同行所追捧和使用。K型井架自从被研制出来以后，世界各国钻井公司纷纷将这种井架应用于各个井场，美国有不少于十家井架生产公司生产这种类型的井架。目前，世界上所有生产井架的国家中，除俄罗斯、罗马尼亚和西德这几个国家生产A型井架以外，其他国家的陆地钻机全是K型井架。

国内50年代开始制造塔型井架，由于塔型井架的诸多不安全因素，60年代以来A型井架开始取代塔型井架。到1979年制造出JJ315/43以后，A型井架开始被大规模的使用，已有95套该型号井架与ZJ45钻机配套。在1981年我国仿制出了第一套K型井架后，这种井架便迅速得到了钻井工程界的认可，先后研制并配套1500m，2000m，3200m，4500m及6000m五个级别钻机的K形井架共18种。国内从60年代初开始出现桅型井架，但仅用于修井作业中，由于桅型井架在钻井作业中实用性不是特别强，到现在为止仅生产出了4套[2]。

1.3 井架发展趋势

由于我国独特的海洋环境，发展自升式K型特种井架将会是一种趋势，该井架具有分段制作、分段组装、垂直连接技术井架的特点。这种井架是由几段井架依次组装而成，一般是由4-5段组装而成，大体分为井架下段、井架上段和分为若干部分的井架中断，而井架配套设施如天车、二层台、扶梯也在主体组装完成后被组装在井架上[3]。

自1982年顶驱出现以来，作为特种井架，采用该系统钻井的钻井效率大幅度高，事故发生率也明显下架，钻井成本也越来越低，顶驱在世界上所有的钻井工程中已经形成了其特别的优势，世界各国的井场也纷纷开始大范围使用这种设备。现在，浅海上的钻井船和平台上几乎全部都配备有顶驱系统[4]。 目前，易于采集的地层和浅海石油已基本上发掘的差不多了，往深海和更深的地层开采是石油开采的趋势，因此，对超深井架研究也显得越来越重要。目前世界上钻深最深的钻机已经达到15000 m，井架的高度也达到了74 m，我国国产钻机最大钻井深度为6000 m，井架高54 m，与国外相比差距比较明显，因此对超深井、超高井架的研究也将会越来越重要。

在这个以机械化和智能化为大体发展趋势的社会背景下，钻机的自动化将会为操作人员的安全性提供可靠的保障，同时钻机成本也能得到很大的缩减，工作效率也能得到大幅度的提高。从目前的国内外钻井作业情况看，应该在井架上配备小型的机械化设备，比如自动套管台、液压缓冲器、二层台逃生装置及自动排放立根系统等，以此来提高钻井作业的机械化、安全可靠性和自动化的程度。

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1.4 井架分析现状

近年来，伴随着计算机技术的快速普及，数值分析的方法不断得到提高，有限元分析也在此基础上得到了很大的提高，这也为解决现实工程中越来越复杂的需要分析计算的问题提供了一种快速而准确的方法，通过建立准确的井架模型，分析模型的受力情况，进而模拟井架实际受力情况，通过这种方法得到接近于真实的井架的工作参数，满足工程设计中的需求，是对石油井架力学分析的一种非常可行的方法。井架在钻机在工作中的承受着几乎所有的载荷，因为稳定性不好、强度不够发生事故的情况在世界各地都时有出现。为了使生产出的井架不仅结构合理，而且稳定可靠，非常有必要对井架进行动力特性分析和静态分析，以此来确保井架拥有很好的稳定性。静态分析主要是对井架在受自身重量的作用下产生应力应变的大小，从而得出井架是否满足设计需求。动态分析是对井架进行动力特性的分析，主要是以模态分析为基础，对井架进行响应谱分析、瞬态动力学分析、随机振动分析、谐响应谱分析和线性屈曲分析等，以分析结果为标准，找出井架自振频率，确定合理的工作载荷频率，从而避免发生共振现象，为设计出合理的井架提供理论依据[5]。

ANSYS是一种广泛运用的结构分析型软件[6]，运用该软件进行分析时，首先必须进行三维建模，相比于ANSYS自带的三维建模功能，工程实际中有很多更加优秀的三维设计软件，这些产品能更快的得到产品的几何模型，对所建立的模型的质量，性能有更好的展现，所以目前利用ANSYS做分析时一般以其他建模软件，比如CREO、Solidworks等三维建模软件先建立井架模型，再导入到ANSYS中进行分析。分析时一般采取以下步骤：

1、前处理：用建模软件对构件进行实体建模，正确的建模是得到准确结果的保障。

2、有限元分析：ANSYS提供有丰富的材料库，约束条件和载荷等施加在构件上的外在条件，为分析出各种复杂的结果提供基础，同时，也可将各种工况进行组合分析，得出与构件所处的实际工程相符合的情况，从而得出更加精确的结果。

3、结果后处理:根据构件的实际设计要求，可对结果进行相应的检查，并将结果以图形的方式反馈出来，帮助设计者判断结果和设计方案是否合理。

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1.5 井架的主要类型

1、塔型井架

特点：1）塔型井架是沿用最久的结构形式，同时也是目前海洋钻井最主 要的一种结构形式；

2）封闭的整体结构，具有很宽的底部基础支持和很大的组合截面 惯性矩，因此稳定性更好； 3）整个井架是由单个构件用螺栓连接而成的可拆结。

优点：架尺寸可不受运输条件限制，允许井架内部空间大，起下操作方便 安全；

缺点：由于零部件众多，拆装起来很不方便，而且工作高度过高，不安全。 2、桅型井架

特点： 1）由一节或几节杆件结构或管柱结构组成的单柱式井架，有整体 式和伸缩式两种；

2）一般情况都采用绞车整体起放，运输时分段运输；

3）正常工作时要向井口方向倾斜，所以需要利用绷绳保持其结构

的稳定性；

4）结构比较简单，移运轻便，一般只用于车装轻便钻机和修井机。 优点：适合井架整体运输，并可在平地整体组装起升； 缺点：大部分只用于陆地钻井。 3、A型井架

特点：1）整体是由两个等截面的柱状析架结构或管柱式大腿靠天车台和

二层平台等连接成；

2）每条大腿分为很多段构成，段与段之间采用螺栓连接；

3）在大腿背部设有人字架，用于起放井架和起放完成后的对井架的 支撑。在井场水平组装，整体起升

优点：具有良好的视野，拥有宽大的钻台空间，能够实现在地面上实现组装；

缺点：因为只有两根立柱，而且立柱连接不稳固，井架整体稳定性很差。 4、K型井架

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特点：1）整个井架主体由4～5段组成，每段是由焊接件所组成，段与段

之间采用销轴耳板定位、螺栓联接，在地面上水平安装，利用人字架整体起放，运输时可分段，运输成本较低；

2）由于运输时的限制，截面尺寸设置不能过大； 3）利用人字架起升，之后人字架起支撑作用； 4）一般利用液压千斤顶调整井架位置定位。

优点：水平拆装，整体起放，分段运输，运移性好。

缺点：承载能力和总体稳定性相对于比塔型井架低一些，内部操作空间比塔型井架小。

1.6 JJ450型井架简介

JJ450型井架是有兰州兰石国民油井石油工程有限公司所设计生产的一种新型自升式的井架[7]，该井架的安装在DZ450/10.5旋升式底座上，与ZJ70/4500钻机配套，主体由井架下段和井架体组成，井架的下段直接安装在钻台上，主体部分则分为由5段焊接件组成。该井架起升时需分段起升，起升时先完成低位起升，井架下段起升时利用井架下段的起升，上部起升依靠绞车起升安装。

该井架的承载能力能满足7000 m钻机的能力要求，井架的高度为46749 mm。井架下段与井架体之间的尺寸关系要求非常严格，井架下段构件之间的尺寸关系非常复杂，此外，井架的主体部分主要选用H型钢和方钢，材料选用具有高承载能力的Q345钢。

1.7 本课题主要内容

本课题的研究内容主要是以下几点：

1）了解锅内外目前钻机井架发展状况、研究现状及研究方法现状，从相关资料中学习设计方法及分析方法。

2）查阅相关资料，了解以往相关研究人员设计的JJ450型井架的结构，相关参数、特点等，从而建立井架的三维力学模型。这是进行分析的基础，只有建立出正确的模型，才能保证井架分析的准确性。建模过程除了建立井架模型还要对井架各钢结构节点进行焊接和接头处理，选择合适的杆件截面和材料 3）利用ANSYS Workbench对井架模型进行模态分析和稳定性分析。本设计中模态分析主要是对井架进行自振频率进行和随机振动分析；稳定性分析主要是进行静力特性分析。最后分析软件分析出的结果，并得出相应结论。

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本章小结

要完成相应的设计，必须对设计对象有所了解。本章主要对设计对象—JJ450

型井架相关情况做全面的了解，查阅了相关设计资料和分析的相关文献，对井架发展状况和各种井架类型也进行了基本的研究，确立了研究的方向和完成本设计所需的工作内容。

2 井架的结构方案及布局设计

2.1 井架结构的确定

2.1.1 井架立面形式的确定

井架的的结构形式包括立面形式和腹板的布置形式，立面形式决定因素主要包括井架所采用的制造工艺和其工作环境状况，最为常见的是梯形和矩形两种。梯形主要用在塔型井架和前开口型井架的设计中，矩形一般多用于A型井架和桅型井架，由于梯形井架相比其他结构形式具有稳定性比较好，承受载荷能力好的优点，所以在一般井架设计时都采用梯形立面。

2.1.2 井架斜撑布置方式的确定

井架斜拉杆的布置方式对井架的强度、刚度和稳定性有很大的影响，因此井架斜拉杆的选择在整个井架设计中相当重要。井架侧面斜拉杆布置可以采用平行式和波浪式。井架背面斜拉杆放置的方式包括4种,如图2-1：平行式、波浪式、平行人字形、交叉人字形。

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c）平行人字形 d）交叉人字形 图2.1 斜撑布置形式

斜撑布置直接影响井架受力情况，由于大钩产生的作用，井架背面和大腿、侧方向上的斜撑都会受到压应力。 平行式结构：

两个斜拉杆在横梁上分力是一对大小相等，方向相反的力，所以可以相互抵消，两斜拉杆又分担了两边立柱的压力，使两边立柱的应力分布均匀且不会产生多余的弯曲应力,因此使得应力的分布变得合理。所以,对井架结构而言,波浪式结构相对于平行式结构更加稳定。 波浪式结构：

斜拉杆的压应力在横梁上的分力(如图2-1b中p)垂直作用于立柱,使立柱受到弯曲应力。同时,两斜拉杆分别分担了立柱的压应力的分力,但却不会减小另一边立柱所受的压应力,就会使得两边立柱所受应力不均匀。因此,该种结构

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a）平行式 b）波浪式

p

形式不能分担立柱所受压应力，在一定程度上还会使立柱受到弯曲应力。 平行人字形结构：

斜拉杆在竖直方向上的合力(图2-1c中p)垂直作用于横梁上,使横梁受到一个竖直向下的力的作用,从而产生弯曲变形。由于杆件承受拉压应力的能力比承受弯曲应力的能力强的多，这种结构就等于斜拉杆根本不起作用。而且,斜拉杆对横梁的压力会传递到立柱上，使立柱产生弯曲应力,增大了立柱所受应力。 交叉人字形结构：

斜拉杆在水平方向上分力可以相互抵消,这样就产生不了弯矩。在竖直方向上斜拉杆又能有效的分担立柱所承受的力,结构承受应力的能力就比较强。但是,另一方面，平行式结构则结构不复杂、耗材较少、制造相对简单。

由于图中ａ、ｃ、ｄ三种结构刚度大，制造复杂，安装也不方便，在塔型井架中应用较多，图ｂ常用于Ｋ型和Ａ型井架，斜拉杆的倾斜角度选择在３０0到６０0之间，本设计确定的井架的外形如2-2所示。

2.3 井架材料的选择

井架的基本构件经常使用的钢材主要有2种：普通碳素机构钢A3和普通低合金结构钢16Mn。16Mn钢，又称为Q345B,属于低合金钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能及低温冲击韧性，冷冲压及可切削性均好。由于Q345B钢的许用应力比A3钢高的多，这对于那些受强度控制的构件（如各种拉力构件和中小细长比的压杆）特别有利。因为它的强度高，所以，在承受同样载荷的情况下，可采用较小尺寸的构件，这样不仅可以减少风阻，而且还可以节省钢材，减轻重量，从而使井架的制造、安装成本降低。此外Q345B钢抗大气腐蚀的能力比A3钢高20%-38%，并可以在较低的温度条件下工作。因此，本设计选用Q345B钢。该材料弹性模量E=210MPa，泊松比??0.3，密度为7850 kg/m3。

2.4结构说明

2.4.1井架主体

井架的主体结构为前开口型，背面、两个侧面有斜撑和横梁，以焊接的方式

和主体4根立柱相连，正面设有二层台，主体个段之间采用连接板连接，以螺栓加固。井架上还配有立管台、扶梯和防坠落装置和逃生装置等配套装置。

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2.4.2二层台

二层台包括台体、操作台、挡风墙和栏杆4部分。二层台的三个面都设置有挡风板，为了使用过程中更加安全可靠，栏杆高度设置为1.5 m且加配有应急逃生系统。在二层台台体上设有停放钻铤的卡板和用于排放钻铤、钻杆的钻工助力器。对二层台本设计中采用了简化设计，有关二层台详细参数的计算设计参考第三章第6小结。

2.4.3人字架

本井架起升主要采用人字架起升，人字架主要由3个部分组成，中间的连接横梁、左人字架和右人字架。3个部件之间相互独立，主要作用包括起放井架和井架使用过程中起到支撑的作用。起升过程中为了井架能够准确的靠在人字架上，同时下放井架时又能借助自重下落，设置有液压缓冲装置，通过液压缸来达到这一目的。

2.5井架构件截面的选择

井架截面多种多样，截面的选择主要与杆件所处位置受力情况有关，常见的杆件截面如下所示：

1.钢管式

钢管截面为圆形截面，呈几何对称的形状，由于圆柱形外表面的特点，产生的风阻比较小，管壁可以做的比较薄，在一般情况下，其宽度最大不超过壁厚的二十倍，但为了保证安全稳定性，常用钢管壁一般大于4mm，材料的利用相比于其他形式的钢材更加的合理。

2.槽钢式

截面形状为槽形的型钢，断面形状相对复杂。由于双槽钢是通过拼接成矩形断面，拥有稳定性好的优点，但同时也导致其制造相对复杂。

3.H型钢

因H型钢截面面积分配更加优化，所以其制作用材少，又因其强度很高，是一种比较经济的高效型材。因断面形状与“H”相同而被叫做H型钢。H型钢各部位均以直角排布，，制造工艺简单且成本较低，这种钢结构在各个领域应用均比较多。

4.角钢式

角钢俗称角铁，是一种两边互相垂直成角形的长条钢材。由于单角钢截

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面形式不对称，所以其稳定性差，载荷分布也不均匀，在A型井架中应用较多。正是为了克服单角钢的这些缺点，才有了双脚钢的出现，但是双脚钢制作复杂，安装和拆卸工作量大，接头处出现腐蚀的可能性也比较大。

5.工字钢式

截面是工字形状，主体为长条形钢材，其承载能力比较大，H型钢也属于工字钢中的一种，工字钢也叫钢梁。

2.6 井架杆件结构的确定

井架杆件的选择，依据井架所处的工作环境和杆件受力情况，在满足安全使用的条件下，尽量选择组装方便，经济适用的杆件结构。考虑到安全的因素，井架的杆件必须在能承受最大钩载（该井架为游动系统为12绳时，最大钩载4500kN）以上的强度。

查《石油钻采机械》表9-15得Q345钢的抗拉、抗压、抗弯曲许用应力为240MPa。

假设载荷全部平均作用与四根弦杆上，此时的载荷为最大钩载。 即4Q=4500 kN 则 Q=1125 kN 由公式Q/A < [σ]

可得A>Q/ [σ]=1125*103/240*106=46.88 cm2

为了保证井架在使用过程中的安全可靠性，主体结构应选用截面积大于46.88cm2的H型钢，杆件结构选择如下： 位置 立柱 顶部横梁 顶部斜撑 主面横梁 主面斜撑 侧面横梁 侧面斜撑 钢形状 H型钢 矩形管 圆钢 H型钢 圆钢 H型钢 槽钢 钢型号 HP400*400 TUB25015010.0 Φ=100 HP300*300 Φ=180 HM300*200 槽钢CH32C 参数 B=400 H=400 S=13 T=21 B=250 H=150 T=10 D=100 B=300 H=300 S=10 T=15 D=180 B=300 H=294 S=8 T=12 B=320 H=92 S=12 T=14 表2.1模型截面选取

2.7 井架结构简图

本设计分为5段，每段构件通过焊接而成，段与段之间采用销子连接，其外

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形结构简图如图所示：

a.侧面结构图 b.正面结构图

图2.2井架结构简图

2.8 井架主体尺寸

1.井架高度 46749 mm 2.二层台高度 27222 mm 3.上底尺寸 3019mm*2789mm 4.下底尺寸 9476mm*5822mm 5.井架一段长 8993mm 6.井架二段长 13344mm 7.井架三段长 11701mm 8.井架四段长 6632mm 9井架五段长 6079mm

本章小结

本章主要对井架进行了理论设计，将井架的基本参数进行了确定。确定立面形式以及斜撑的布置方式是井架建模的基础，对井架结构的稳定性和合理性也有相当大的作用，斜撑的布置对井架自身载荷及加上工作载荷时的应力分布影响特别大，因此本设计做了比较详细的介绍。同时，本章确定了井架的截面形式和所选择材料，选择方式主要是参照相关井架设计的论文为标准，最后初步确

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定了井架的大体结构和主体尺寸。

3 井架的主要参数确定及相关载荷分析与计算[8]

3.1井架参数

通过查阅JJ450型井架设计制造相关资料，从《JJ450/45-k的使用说明书及维护手册》等资料得到井架以下主要参数： 1、钩载

游动系统为12绳时，最大钩载为4500 kN(即最大静载荷) 游动系统为10绳时，最大钩载为4236 kN 游动系统为8绳时，最大钩载为3916 kN 2、二层台立根容量

共6440 m（5\钻杆，立根长28 m） 井架高度：H=46749 mm 井架类型：前开口型 3、恒载

井架自重：G井架=957.43 kN 天车重量=107.58 kN 二层台自重：G二层台=48.86 kN 游车重量：G游车=81.35 kN 大钩重量：G大钩=34.96 kN

大绳重量：G大绳=6.19×14×40×9.8=33.97 kN

游动系统重量：

G游动=G游车+G大钩+G大绳=150 kN 总立根重量：

G立根=36×6440×9.8=2.272×103 kN 立管重量：

G立管=36×(17+22.5)×9.8=13.936 kN 额定载荷（即最大钻柱重量）： Q柱=2200 kN 最大静载荷（即最大钩载）： Qmax=4500 kN 工作载荷的计算：

1、工作绳作用力

Z为工作绳数量 取 Z=12 工作绳作用力近似取作：

（Q柱?Q游动） P绳??2=392 kN

Z 第 12 页

（Qmax?G游动）?2?775.047kN P绳max?Z3.2计算方法

为了保证井架在使用过程中的安全稳定性，在设计过程中必须对井架所受应力进行分析，核算井架受到的外部应力，然后对井架的强度和稳定性进行核算，计算过程中采用API的设计标准对井架载荷进行定义和计算，所取参数也来源于该标准。

3.3井架的结构静载

结构静载是指包括井架的主体构件、以及安放在井架上面的各种配套设备的重量，安放的设备包括有天车、游车、大钩、顶驱等装置。

3.4立根载荷

立根载荷是指在井架正常工作时，存放于钻台上的立根对井架和底座产生的力的作用，这个力主要包括立根自重和风作用产生的力，分为水平载荷和垂直载荷，水平载荷通过二层台垂直作用于井架上。 已知以下参数：

钻杆直径：127 mm 钻杆单位长度重量：q=36 kg/m 立根数量：n=230 立根长： l=28m

立根与钻台面倾角：θ=87° 取g=9.8 m/s2

由此可求出立根对井架的水平作用力为：

1P根=q?l?n?cot(?)?g?60kN2

3.5 大钩最大静载

大钩最大静载是指死绳固定于相应位置的时候，在无其他附加载荷的情况下，大钩所需承担的游车和自重的载荷，用QS表示

QS=（1.9~2.4）Q+G Q—最大钻柱重量

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G—游车和大钩自身的重量（取QS=4500KN。）

3.6二层台的计算设计

二层台[9]是用来存放钻杆的位置，计算时必须得出井架二层台的容量，已知该井架立根容量为6400 m，钻杆直径为5英寸，长度为28 m。又因为还要放套管等其他设备，应将容量扩大1.5倍，因此二层台可存放的127mm钻杆数量为：

6400÷28=230

所以实际存放立根数为230根。

放大1.5倍后为230×1.5=345，所以二层台设计时虚考虑的容量排放方式为每排放30根立根，放12排，即每边12排，每排15根。

127 mm 钻杆接箍直径为 152 mm 因此

l1?15?152?2280 l2?12?152?1824

二层台结构与尺寸图如下：

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P风侧下2?kz侧下?k侧下?F侧下?W2?5.763kN

P风侧下3?kz侧下?k侧下?F侧下?W3?18.031kN P风侧下4

?kz侧下?k侧下?F侧下?W4?32.146kN

本章小结

本章主要对JJ450型井架设计参数做了相应的计算，通过对以往有关该类型井架设计资料的参考，完成了所需设计的参数的选取和计算。计算主要按照API_SPEC_4F的计算标准及公式选取相应的参数，对井架的风载和立根风载进行计算。通过对二层台容量和所存放钻杆参数的分析对二层台进行了设计，初步建立了井架二层台模型。

4 井架连接处销轴、耳板的设计

井架由5段焊接件焊接构成，通过销轴和耳板从而连接成一个整体，为了确保井架在安装和使用过程中的安全可靠性，还需对井架的销轴和耳板进行设计计算。

4.1 井架与井架底座连接处销轴耳板的设计

4.1.1销轴的计算设计

1）选材

选用45号钢，许用应力为 ?s=360MPa 该型材的剪切许用应力为

????0.34?s?12.2 4MPa2）直径的估算 计算公式为 D=1.13

P?10 mm ???N第 20 页

P—连接处的最大轴向设计载荷（N）。 N-----------剪切面数 ???---------剪切许用应力 此处剪切面数为2，

0.92533?106 则 D=1.13?10?79.47mm

122.4?2取D=100mm

3) 校核销轴弯曲强度

弯曲许用应力为 ????0.59?s?212.4MPa 弯曲应力计算公式为：

?PtD??64? ?w?????? 4??222???100?其中t为耳板厚度 则

?w???92533080100??64????188.6MPa??4?222?100 ?????w???w?故设计的销轴强度是符合要求的。

4.1.2 耳板设计

1) 选材

耳板选用A3钢，其屈服应力??s?=240MPa 2）对耳板厚度进行估算

t?2P2?925330??77.11mm ?SD240?100取t=80 mm

3) 对耳板强度进行校核 计算拉伸许用应力：

??l??0.56?s?0.56?240?134.4MPa 计算许用支撑应力 ： ??B??0.9?s?

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其中?—惯性影响系数（当销轴与孔为间隙配合时，?=1.5） 则??B?=144MPa 耳板的支撑应力为：

PB925330??115.67MPaDt100?80

P?l?t?115.67MPaDt?B?其中PB---------支撑压力（N）

Pl--------拉伸力（N） 故 ?l???l?

?B???B?

因此满足强度要求，设计合理 4) 确定耳板尺寸如下图

图4.1井架与井架底座连接处耳板

第 22 页

4.2 人字架与井架主体连接处销轴与耳板的设计 4.2.1 销轴的设计

1）选材

销轴选用20MnV合金钢 其许用应力??s?=600MPa 剪切许用应力为：

????0.34?s?204MPa 弯曲许用应力为：

??w??0.59?s?354MPa 直径的估算

D=1.13

P?10 mm ???N 设计载荷P=0.31926?106N

0.31926?106 则 D=1.13?10?41.6mm

204?2 取D=56mm

2）销轴的弯曲强度的校核

?w???w???w??3192604056??64??????185.3MPa4? 22???100??2所以该销轴强度满足设计需求。

4.2.2耳板的设计

1）选材

耳板选用材料为20MnV合金钢，它的屈服应力为??s?=600MPa 2）对耳板厚度的估算

t?2P2?319260??19mm ?SD600?56取t=40mm

第 23 页

3) 耳板强度的校核 拉伸许用应力为：

??l??0.56?s?0.56?600?336MPa

许用支撑应力为：

??B??0.9??s?? β=1.5

则??B?=360MPa

设计中耳板的支撑应力为：

PB319260??142.5MPaDt56?40

Pt?l??142.5MPaDt?B?故 ?l???l?

?B???B? 故满足强度要求。 4) 确定耳板尺寸如下图

图4.2 人字架与井架连接处耳板

第 24 页

4.3 井架各主体的销轴、耳板的设计

4.3.1 销轴的设计

1）选材

销轴选用20MnV合金钢 则??s?=600MPa 剪切许用应力为：

????0.34?s?204MPa

弯曲许用应力为：

??w??0.59?s?354MPa

2）估算直径

D=1.13

P?10 mm ???N此处设计载荷为 P=0.11204?106N

0.11204?106 所以 D=1.13?10?86.45mm

122.4?2 取D=90mm

3）对销轴的弯曲强度进行校核

?w???w???w??11204004590??64??????176.2MPa4? 222?100????因此该销轴强度符合设计需求。

4.3.2耳板的设计

1）选材

耳板选用20MnV合金钢，其屈服应力?s=600MPa 2）对耳板厚度的估算

t?2P2?1120400??41.49mm ?SD600?90取t=45mm

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3）校核耳板强度 拉伸许用应力为：

??l??0.56?s?0.56?600?336MPa 许用支撑应力为 ： ??B??0.9?s? β=1.5

所以 ??B?=360MPa 设计中耳板的支撑应力为：

PB1120400??276.64MPaDt90?45

Pt?l??276.64MPaDt?B?故 ?l???l?

?B???B? 故满足强度要求。

4) 确定耳板尺寸与三维图如下图

4.3 井架主体部分耳板

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本章小结

本章主要完成了对销轴和耳板的设计，并对所设计出的耳板和销轴进行了校核，校核结果全部满足强度要求。以设计参数为基础，建立了耳板的三维模型。

5 井架三维实体模型的建立

5.1软件简介

本设计建模软件主要采用PTC Creo Parametric 3.0 M020。

为了满足不同用户对产品的需求，同时解决许多在CAD领域中很久都不能解决的技术问题，美国PTC公司在2014年推出了creo3.0，相比于CAD,creo具有以下的一些优势：

1.解决了机械CAD行业中许多不能完成的大难题，包括易于使用的特性，互操作性，还有在装配方面的一些问题。

2.该软件采用了该公司一些特有的技术，用很多新的方法和手段完成了许多新的模块的设计。

3.为用户提供一种可收缩的、能相互操作、开放且易于使用的机械设计应用程序。

4、为设计过程中遇到问题提供相对应的解决方案。

软件包含以下模块：

Creo Flexible Modeling Extension—柔性建模扩展 Creo Options Modeling Extension—可配置建模 Creo Layout Extension—2D概念设计

Creo Advanced Assembly Extension (AAX)—高级装配扩展 Creo ECAD-MCAD Collaboration Option—ECAD-MCAD协作扩展 Creo Expert Framework Extension (EFX)—钢结构设计专家

[13]

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Creo Expert Moldbase Extension(EMX)—塑胶模具专家 Creo Expert Framework Extension(PDX)—冲压模具专家 Creo Intreractive Surface Design Extension II (ISDX)—自由曲面设计

Creo Advanced Rendering Extension—高级渲染 Creo Reverse Engineering Extension (REX)—逆向工程 井架设计过程中，主要会用到Creo Expert Framework Extension (EFX) — 钢结构设计专家这个模块。Creo Parametric包含有设计效率非常高且非常先进的工具，可以为用户提供最佳的设计做法，同时又能保证标准的统一，可以帮助用户完成复杂的3D设计，帮助客户解决各种设计难题，而且设计速度的到很大的提高的同时，做出的产品的质量也在提高，不仅如此在数据共享方面Creo Parametric能非常好的和其他creo产品共享全部数据，这能很大程度上缩短设计时间，并能减少在数据转换过程中产生错误的可能性。用户能随意在2D设计和3D设计中转换数据，同时又能保证设计方案完全不发生改变，这是设计软件的一个新的突破。

5.2 建立模型思路

JJ450型井架的结构比较的复杂，目前还不能完全按照井架的实际结构进行完整的建模与分析，需要对井架的结构进行相应的简化[14]：

1）由于该井架的所有杆件都收到轴向力和附加弯矩的作用，所有节点都是经焊接而成的刚性节点。

2）建模时将天车、工作梯等次要部件全部简化忽略，但不会影响实际载荷的分析。

3）经过简化后的5个部分都看做是刚性连接，将用销轴连接的地方上下距离平均的分配到相邻的各节上。

4）底座与地面接触的地方为完全约束，将钩载平均的分配4根立柱上。

5.3建模过程

模型的建立采取分段进行的模式。首先分段进行建模，建立好平面基础后画出井架的骨架，在骨架建立过程中应特别注意各杆件的平面分布以及删除部

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分辅助线条，否则在建模完成过后将无法删除辅助线条，若强行删除则会导致其他构件参考的丢失。转换梁结构，在选取截面形式过后可直接选取所需转换的骨架，在此过程中因考虑梁的朝向问题，也要注意互相接触的2个梁的大小问题，如果大小设置不合理，将会影响接触点之间的接头处理和焊接。接下来就是对接头处干涉的处理，本步骤相当重要，因为如果接头处理不好，焊接将无法进行，分析时分析软件识别到干涉过后也无法进行分析，选择合适的接头类型，正确定义相互接触接头的两个面将决定接头处理的好坏。其次是焊接，选择正确的的焊接方式对井架整体的稳定性影响非常大，同时也要注意对焊缝参数的选择过程中应能在工程实际中实现。上述步骤完成后单段建模基本完成，接下来就是对5段井架的组装，组装时注意选择正确的参考。最后是对连接处的处理，在CREO中有规范的连接板标准可供选择，在2段H型钢的连接出选择出2个在同一平面上的表面，就可以添加连接板，添加完成后就可选择与连接板上孔相对应的螺钉进行安装。下面对上述过程进行详细的介绍。

5.3.1建立骨架模型

在建立骨架模型之前，需对绘图尺寸单位进行定义，creo默认单位为英寸，本设计中由于所设计单位均是毫米，需在模型属性中更改单位。对模型各骨架线所处位置应准确定位，将骨架线所处平面找准，以保证模型建立的正确性。由于该井架是分段焊接，段与段采用销连接，所以更改完成后，分五段绘制骨架模型，第一段绘图结果如下图所示：

图5.1 骨架的建立

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5.3.2放置梁

ptc creo下的EFX模块拥有很多方便的地方，早期很多没有公制单位的型材，比如无缝管、槽钢、角钢、工字钢等等，在中国根本没有实际的用处，EFX现在不仅提供了各式各样的型材，同时包含的型材有中国的标准。

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图5.2梁的选取

选择好需要的型材过后就是将骨架模型转换成钢结构模型，转换过程中可以通过改变参照来改变梁的放置方向，还可以移动其放置的位置，使之满足设计要求。由于放置梁的朝向不是完全按所需要求定的，所以有些梁需要重新调整，侧面的槽型钢最为需要注意，所有槽型钢槽口必须向下。转换过后的钢结构模型如下图所示：

图5.3井架一段图

5.3.3接头处理

梁结构模型建立完成后就是对每处接头进行处理，去除接头处有冲突的地方。接头处理过程中经常会遇到处理后结果不按所需要求显示的情况，这就需要重新定义接头方式，将模型上的干涉全部消除。

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a）接头处理前 b）接头处理后

5.4接头处理图

5.3.4 焊接工艺

首先调入焊接模块，首选选取焊接方式。

其次是对焊缝进行设置，包括焊条、工艺和参数。设置好这些参数过后就是选取需要焊接的表面，完成以上操作过后就可以快速的创建出焊接特征。在这里需要特别指出的是，虽然在建模过程中需要涉及到后续工艺制作方面的内容，但是井架的设计并非独立，理论模型的建立只是为制造提供可靠性，这也是虚拟设计的优越性。井架二段焊接结果图如下图：

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图5.5 节点焊接渲染图

除此之外还需焊接工艺参数进行选择以便后续的生产制造。第一段井架共有48个焊接点需要焊接，二段38个，三段40个，四段37个，五段25个，各焊接点焊接方式均相同，所以它们的焊接工艺也相同，焊接接头全部采用采用T型接头，角焊缝焊接。 相关焊接工艺参数的选择如下：

1. 焊条直径选4-5mm为井架焊接效率与效果均比较好的时候； 2. 焊接电流的大小大致范围为100-130A； 3. 电弧电压的大小与电弧长度成正比； 4. 焊接速度大致为30mm/min；

5. 所有焊接的焊接层数均为1层。

6.焊条选取：除井架顶部,斜撑,底梁构件采用E4316外,其余可采用E4315焊条.

5.3.5各段组装

完成了对五段井架的上述操作过后就是对井架进行组装，组装时可依据轴线平行或重合、面的平行和重合来进行组装，应该特别注意的是，装配的时候应避免冲突。完成装配后，井架三维模型建立完成，效果图如下：

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图5.6井架模型图

5.3.6连接处理

各段井架连接过后需在连接处添加连接方式，本设计所采取的连接方式为端板加螺栓连接，由于连接部位众多，段与段之间连接点共有16个，也就是说简忽略其他未设计部位，本设计中需添加192个螺栓，螺栓用3号钢,螺钉选取ISO 4014—5.6为标准，侧面1和侧面2垫圈采用DIN EN ISO 7092，螺母采用ISO 4032—6标准，所采取的螺栓标准如图5-7，连接效果图如图5-8。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/djkg.html