钢结构井架论文

钢结构井架论文（通用9篇）

钢结构井架论文 篇1

0 引言

井架根据结构和重量, 设计 (或按吊装工艺) 为若干单元部件在工厂制造及厂内预组装合格后运至现场再经组装、焊接、找正后吊装竖立。井架制造包括箱形、焊接I (H) 型钢部件及其他构件、零部件等, 以1个运输单元为1段, 分段长度应尽量减少钢板的拼接, 最大不超过12m[2]。

井架“桅杆提升法”安装工艺原理见表1[3]。

1“翻转法”竖立工艺原理

矿山钢结构井架主要分为单绳提升井架和多绳提升井架, 多绳提升井架又主要分为橹式 (L) 、A式及L-A型三种型式。

由钢结构井架特征和结构形式 (除凿井井架外) 知, 单绳井架由立架躯体和斜撑架组成。多绳井架由斜撑架和立架两部分组成, 斜撑架又分为主斜架、副斜架。根据结构特2征, 其安装程序为:单绳井架先竖立架躯体, 后吊装斜撑架;多绳井架先竖立斜架, 后竖立立架。斜架又分为先竖立主斜架、再竖立副斜架或主副斜架整体竖立。起吊工艺有“翻转法”及“滑移提升法”。“翻转法”亦称“扳吊法”、“旋转法”。又可分为“半翻转法”、“大翻转法” (“大翻转法”又称“双转整体扳吊法”、“扳倒法”) [6]。

所谓“半翻转法”工艺, 即竖立桅杆并在井架根部设置回转铰链或绊腿 (亦称封绳, 即起底部柔性固定并能承担井架起吊水平分力的钢丝绳滑车系统) , 桅杆头部提升方向设置定滑轮组, 井架上为避免应力集中, 设置多个吊点挂设动滑轮组, 然后穿钢丝绳组成提升系统;根据计算在提升相对侧一定距离 (地锚出绳角30°, 不大于45°) 埋设多组地锚, 在桅杆头部和地锚引出绳挂设滑车组穿钢丝绳组成起吊主缆风 (亦称主牵) 平衡系统;并设置桅杆稳定缆风即侧风 (亦称侧牵) 平衡系统。井架通过提升稳车运转缠绕收紧起吊系统提升钢丝绳将井架翻转竖起至设计角度。“半翻转法”应用较为广泛, 单绳井架中的立架躯体、橹式井架的斜架、A及L-A型井架中的主斜架和立架, 在井口绞车房等建筑物和构筑物形成后, 较多地采用该工艺安装。对于两用井架中的主斜架或将主、副斜架整体组装竖立, 也较多地选用该工艺。它的优点是有利于现场的组装布置, 而且提升开始时受力最大, 较为安全。竖立工艺原理见图1。

所谓“大翻转法”工艺, 即将“半翻转法”工艺中的主缆风侧钢丝绳变为提升绳牵引带动井架翻转, 同时桅杆同步倾倒, 垂直安装的设备竖立到位时, 桅杆放倒至地面。优点是提升力减小、井架上吊点增加、桅杆中部1与8井0架可柔性连接, 能较好地改善井架及桅杆受力和变形, 减少放倒桅杆工作量等。缺点是桅杆回转铰链和绊腿的设置及起吊过程中操作复杂, 当提升绳与井架侧钢丝绳成180°时, 应启动井架侧钢丝绳系统提升竖立, 且应具备倒杆的条件。立架安装、两用井架整体安装现场具备条件时可选择该工艺。起吊工艺原理见图2。

2“滑移提升法”竖立工艺原理

所谓“滑移提升法”工艺, 即利用桅杆或已竖起的主架 (斜架或主斜架) 与被吊井架头部吊点形成提升钢丝绳滑车组, 通过提升稳车缠绕收紧提升钢丝绳使其被牵引滑移提起离开地面, 并在井架 (如立架或副斜架) 腿部设置留绳滑车组控制其偏摆和控制其向前的分力 (迈向A基础或L锁-口A) , 以实现底部就位和头部合拢连接找正的安装工艺。“滑移提升”同样设置多个吊点及吊耳, 采用桅杆时设置牵绳平衡稳定系统。该工艺特点是提升终了3时, 提升力量最大。单绳井架中的立架、A及L-A型井架中的副斜架、立架及橹式井架中的立架较多地采用这种工艺。“滑移提升法”竖立工艺原理图见图3。

井架竖立还有“半翻转法”与牵拉绳结合以及与倒杆、移杆相结合, 其基本原理还是“半翻转法”。井架的竖立多采取“翻转法”与“滑移提升法”的组合工艺。

3 结论

在制定井架组装竖立方案时, 应尽量不影响土建等工序的施工, 采用平行交叉作业。井架安装的总平面布置, 应结合井口工况确定井架、桅杆及地锚的布置。井架的现场组装, 按照《钢结构施工及验收规范》进行。应尽量将各构件一次性组装完再竖立, 特别是天轮平台等主要结构和构件的组装。地面组装除能减少竖立后高空作业量、降低工人劳动强度和安全威胁及加快工期外, 也是保证井架质量的关键。因此, 起吊方案制定应充分考虑。当井架受结构尺寸影响, 如起吊梁、天轮平台梁等不能在地面一次性组装时, 可采取先将井架提升抬头一定角度组装完其他构件后再竖立的施工方法。

摘要：本文就井架工程中, 利用翻转法和滑移提升法竖立工艺, 对保证井架施工质量, 减少高空作业工作量, 加快工期起到促进作用, 为解决类似井架安装工程施工提供参考。

关键词：钢井架,安装工艺,安装原理

参考文献

[1]江声述.生产凿井两用落地多绳提升井架设计[J].特种结构, 2001, 18 (1) :31-35.

[2]方金松.平顶山十三矿主井井架组立及平移可行性的理论分析[J].煤矿设计, 1999 (4) :32-36.

[3]陈大峰.浅析钢结构井架的安装技术[J].煤炭工程, 2003 (5) :21-23.

[4]张连光, 孙艳花, 侯向远.箱形钢结构井架安装施工工艺研究[J].煤矿机械, 2003 (3) :79-80.

钢结构井架论文 篇2

井架安装、拆除方案

编制单位：XXXX建筑工程公司

编

制：

批

准：

XXXX年XX月XX日

XXXXXXXXXXXXX工程

井架安装方案

一、编制依据

国家相关标准、规范、规程、井架使用说明书，工程地点、水文地质情况、建筑物特征等。

二、工程概况及设备配置

本工程包括2个单位工程，A栋高度16.8－23.8m，B栋高度12.6－19.6m结构简单，总建筑面积21450m2。预计开工时间为XXXX年XX月XX日，预计竣工时间为XXXX年XX月XX日。为配合施工需要，计划配备的垂直运输机械为4台井吊。现对井架的安装、拆除制定如下方案：

三、拆装方案及内容

1、设备概况

井架最大起升高度为30米，一次性运输载荷为2T。

2、井架基础施工

（1）

基础平台由项目部按基础图组织施工，并派专人到现场监控。

（2）

基础夯实后，使用C20混凝土浇注厚度不小于800毫米并一次成型的混凝土底盘，预埋地脚螺栓与井吊底盘连接紧固，基础表面应平整，底盘水平度偏差不大于10毫米。

井架底盘混凝土基础示意图

规格

尺寸

（mm）

代号

1.6m×2m

1.6m×2m

2m×2m

L

2600

2600

2900

H

2200

2600

2600

M

2116

2116

2416

N

1520

1920

19203、基础验收：

井架基础制作，由项目部按图施工，基础由项目部组织按基础验收要求逐项验收合格后，方可进行上部安装。

4、安装前准备工作

安装负责人组织质检员、专职电工及安装维修人员对钢结构、传动机构、吊钩吊具、钢丝绳、滑轮各种安全装置、电气、油料等部分进行全面检查、校验。校验合格后根据工地的需要，按安装计划，采取安全措施组织运往使用工地。

5、井架安装

1)

先将底盘安装在混凝土基础上（井架钢底盘与地脚螺栓示意图）校准好水平，把内吊篮置于底盘中间（吊盘安装示意图），并检查进料口方向是否正确。

2)

在底盘上安装

４根立杆，取两长两短，应对角安装，再在短主杆上装２块大连接板，在长立杆上装２块小连接板（底盘安装图）

3)

对准卷扬机方向，并借用大连接板将地滑轮装在底盘上。

4)

装４根水平撑，再装４根斜撑，上螺栓使螺栓呈放松状态，回下去紧固下节所有螺栓，以利校正与安装，依此循环，直到完成（井架总体安装示意图）。

5)

内吊篮装好第一节时，先把４根导轨装上去与有孔平撑紧固（导向滑轮、水平腹杆及导轨示意图）。

6)

装顶上竖撑时，把２根短竖撑装上去，装上顶角撑板，装上顶平撑和斜撑，紧固螺栓，将天梁按井架体的对角方向安装在井字架最上端，并将靠近天梁外端侧滑轮的一端伸出井字架（天梁与井架架体关系图）

7)

用压板与螺丝紧固，再安装避雷针，井字架体安装完毕后，再装缆风绳。

8)

当井字架安装到12m高度时，必须在井架体的四角方向系好缆风绳，并与符合标准规定的风缆桩锚固。缆风绳必须采用钢丝绳，其直径不小于9.3mm。架体高度超过20m时，拉一道缆风绳，缆风绳与井字架的夹角应在45°—

60°之间。

9)

吊臂安装

选择好便于物料吊运的合理位置（如吊臂的高度、角度等）进行安装。

在大连接板上借用８只螺栓，将台灵同大连接板紧固在一起。

将直径不小9.3mm的钢丝绳同吊臂外端用２个绳卡紧固，将吊臂拉起并安装在台灵上，穿好卷扬机钢丝绳。

用吊臂拉索将吊臂拉起，将拉索用绳卡同井架体固定，使吊臂同井字架的夹角不大于60°，拉索同井字架固定处距离台灵3m以上。

10)

钢丝绳安装

将钢丝绳穿入地滑轮，然后在井字架外侧将钢丝绳拉到天梁处，穿入天梁上的２个滑轮内，从天梁中间的滑轮把钢丝绳放下，穿过吊篮上部滑轮，往上拉到天梁地面的吊环上，用螺卡卡紧（钢丝绳穿绳示意图）。

根据井架同卷扬机的距离加上绳筒上按照规定应留的钢丝绳圈数，确定地面钢丝绳的长度，剪断钢丝绳，把钢丝绳同卷扬机固定好。

钢丝绳穿绳示意图

11)

井架安全装置的安装

安装吊篮安全门。

安装井架外安全门。

安装限载控制器。

12)

井架试吊

全部安装完毕，井架必须进行轻重车试吊，吊篮内安放额定荷载，在全程起升高度内反复升降吊篮３次以上，做到井架体无变形和摇晃（目测），各滑轮组转动灵活，所有紧固件无松动现象，吊篮在滑道内无异常声响，各安全装置动作正常。确认一切正常后，报请公司主管部门检查验收，认定合格挂牌后方可使用。

13)

井架安全技术措施

操作人员要持证上岗，严禁无证人员擅自操作，严格遵守操作规程，做到定机、定人。

吊篮内严禁乘人，吊臂下严禁站人。

吊篮、吊臂严禁同时使用。

严禁超负荷及超高使用。

由专职机修工及电工，每10d对井架进行检查，对安全门轨道进行注油，检查钢丝绳的使用情况，对达到报废程度的钢丝绳马上进行更换，对紧固螺栓的松紧情况进行检查。

XXXX建筑工程公司

海洋钢结构井架的表面处理 篇3

海洋钻井平台长期工作在海洋腐蚀环境中, 作为主要构件的井架遭受着海洋大气、海水、浪花等的腐蚀。热镀锌是一种广泛受欢迎的防腐处理方法, 通过热镀锌在钢结构表面产生合金层可以有效的确保钢结构井架在设计寿命中保持安全的工作状态。为满足钻井平台的功能需要, 海洋井架的表面在镀锌后需要再进一步作油漆处理。

1 海洋井架热镀锌前的准备

1.1 井架构件的尺寸和外形

考虑到镀锌池的尺寸和运输的方便性, 海洋井架的构件在设计时需考虑合适的外形尺寸, 同时采用适当的吊装方法, 确保将部件顺利由工厂运到镀锌厂完成镀锌的流程。如井架主体的主腿、横梁等构件, 设计中考虑连接的节点位置, 确保主腿的长度满足镀锌池的限制长度要求。在设计时如遇到外形比较复杂或特殊的需要, 建议在设计过程中与当地的热镀锌厂商讨论镀锌方案。

1.2 合适的流锌孔和排气孔

为确保有效的镀锌和镀锌前清理, 需要在结构上设置合适的流锌孔。确保锌水的在镀锌过程中可以从构件中流出, 防止锌水在构件中的堆积。同时在结构上需要留出合适的排气孔。当部件浸入镀锌池后, 在封闭腔体中会产生高压的气体 (最高可以达1100MPa) 。排气孔用于排除这些气体, 防止由于高压而导致的构件损坏, 同时防止高压气泡导致的锌水外溅出来对镀锌人员的伤害风险。对海洋井架上的箱式梁, 焊接方形梁, 圆管栏杆等尤其要注意。

1.3 构件的标识

在海洋井架中对于主构件广泛采用焊接带有记号的钢板到主体结构上的方法, 或在构件上打上钢印的方法。对栏杆类辅件, 一般采用挂带有标识的钢牌等方法。为确保在热镀锌后可以清楚地识别标识, 建议构件上标识文字深度需要达到0.8mm以上。

1.4 镀锌前表面处理

海洋井架在焊接制造后, 热镀锌前需要对钢构件表面处理, 去除工件表面的油脂和油漆, 去除焊接处的夹渣、飞溅、气孔、未焊接、超标的咬边、裂缝。为确保工件表面有足够的粗糙度, 构件表面通常采用喷砂处理, 表面的粗糙度达到Sa2½级别。在喷砂前或运输到镀锌厂前, 对构件的所有的棱边、孔边用砂轮机、磨光机打磨或绞刀倒成均匀的R2mm的圆角。在制造过程中作的油漆或油漆笔作的标记需要通过溶剂、喷砂或砂轮去除。

2 海洋井架热镀锌的工艺及质量要求

喷砂后的井架部件, 需要在热镀锌前进行酸洗, 在酸洗合格后续经流水冲洗表面残留的酸洗液, 进入助镀池进行溶剂处理后再热镀锌, 镀锌的时间根据构件的材质和厚度制定。

在热镀锌冷却后, 再经钝化处理, 井架构件表面锌层应该负着好、连续和有一定的光滑度。锌层上应该没有气泡、砂砾或漏镀面等缺陷, 主要表面没有毛刺、锌瘤、多余结块。按EN ISO1461的标准, 漏镀面的面积不超过10且不超过总面积的0.5%时允许修复, 修复采用ASTM A780标准, 用富锌涂料修复, 再采用镀铬喷漆补色。

镀锌层防腐蚀的时间大致与镀锌厚度成正比。镀锌层的厚度常规采用非破坏性的镀锌层磁性测厚仪检测。海洋井架用于极严酷的海洋工况下, 为满足井架的服役时间, 要求镀锌厚度最小在125μm以上。

海洋井架的构件中箱式焊接梁, 在镀锌前开有流锌孔, 在完成镀锌后需要把流锌孔填补上。对于锌层损坏处的修补处通常采用热喷锌或富锌涂料修补后镀铬喷漆补色。

3 镀锌后油漆工艺要求

为提高镀锌件表面的油漆附着性能, 在清洗后需要对构件表面轻微扫砂处理, 扫砂的目的是使镀锌层变形而不是去除锌层, 需要与未作镀锌的构件作油漆前的喷砂过程区别开来, 金属出白喷砂过程会去除锌层破坏构件的抗腐蚀能力。可以使用快速移动喷嘴的磨料扫砂或毛刷扫砂, 磨料的粒子应该小于200~500μm, 使镀锌表面粗糙达到25~40μm。

在高温度, 高湿度的环境下, 扫砂后的表面很快会出现氧化锌, 影响油漆的附着性能。因此构件应该在表面处理后4h内进行油漆。如果超过时间没有油漆, 则应该重新扫砂处理。

4 镀锌后油漆的质量要求

在海洋井架的镀锌结构上油漆一般采用两层漆, 底漆和面漆。油漆后要求外观、颜色、光泽和遮盖力符合要求, 涂层没有流挂、开裂、肥边、气泡、干碰、超厚、针孔等缺陷。涂层的附着力符合要求, 单层涂层和总涂层厚度达到规定的要求。一般涂层厚度采用干膜厚度检测器检查, 对于海洋井架涂层厚度要求不低于200μm。

5 结语

海洋井架的表面处理直接影响着井架整体的使用寿命, 不合理的工艺要求会降低表面的质量, 如出现使用过程中油漆大面积剥落和表面腐蚀的情况, 本文根据生产中总结的工艺方法进行了研究总结, 希望为海洋工程的加工制造者提供参考。

摘要：海洋钢结构井架作为海洋钻井平台的关键构件, 长期使用在复杂的腐蚀海洋环境中。为保证钢结构井架能在海洋环境中长期处于安全的工作状态, 需要在井架表面采用一些耐腐蚀性较强的材料进行保护。本文介绍目前海洋石油井架结构上普遍采用的表面热镀锌后再油漆的防腐蚀的处理工艺方法。

关键词：海洋钢结构井架,镀锌,油漆,工艺及质量

参考文献

[1]American Galvanizers Association.The Design of Products to be Hot-Dip Galvanized after Fabrication.

[2]GB/T 13912-2000金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层技术要求及实验方法.

钻井队起放井架规定 篇4

1.起放井架（底座）前要召开安全会，组织员工识别起放井架全过程存在的风险，制定风险控制措施并告知每名岗位人员。

2.现场指挥人员、岗位操作人员熟知《自升式井架安装程序及要求》等操作规程，并由具有熟练操作技能的副队长、钻台大班或司钻实施操作。

3.各岗位人员严格按“起放井架（底座）前重点项目检查记录本”上规定的项点认真检查，检查人要签字并由本队保存记录本至少一年。

4.HSE监督站领导或巡井监督员（40D以上）、项目部主管设备、生产或安全的领导、钻井队长、驻井HSE监督员检查验收合格后，方可进行起放井架（底座）。

二、起放井架（底座）过程监督管理

1.起放井架（底座）至少有一名驻井HSE监督员在作业现场实施监督。

2.ZJ40D以下钻机，项目部设备组或安全组要有人现场监管。3.ZJ40D以上钻机（含ZJ40D），HSE监督站领导或巡井监督员至少一人，项目部主管设备、生产或安全的领导至少一人到现场监管。

4.在***地区以外施工的ZJ40D以上钻机（含ZJ40D），由项目部及驻井HSE监督员在作业现场监管。

三、起放井架（底座）操作

1.钻井队队长负责现场指挥。

2.钻井队副队长、钻台大班或司钻负责操作刹把（手柄）。3.副队长或钻台大班负责操作缓冲液缸或气缸。4.钻台上要有1-2人，协助指挥和钻台上下联络。5.钻机两侧要安排两人以上，负责观察起放过程中井架（底座）、天车等各部位有无异常情况。

6.钻机后部电缆槽架处安排2人以上，负责观察底座起放时电、气、液线路，有无拉伸、挤压情况并及时处理。

7.电控房、发电机房、气源房必须有岗位人员值守，保证各系统运转正常，其他人员撤离到安全位置。

8.当井架离开高支架约20-30cm时，刹车并停留3-5分钟，检查起井架大绳绳卡有无松动等异常、各受力部位有无损坏、变形、开裂等情况。

9.井架起升或下放过程中，操作应缓慢、平稳，无异常情况应尽量不频繁刹车，以减少冲击。

10.随时注意指重表的读数变化，当出现指重表读数突然增加或异常时，应刹车进行检查，查明原因并处理后方可继续操作。

11.当起放井架或底座接近目标位置时，应缓慢刹车，平稳就位。

12.绞车操作与缓冲缸操作的配合。

（1）井架起升前缓冲缸可提前支出，当井架接近缓冲缸时，刹把操作者要解除滚筒钢丝绳拉力（指重表读数归零，指重表记

录仪卡片必须提前安装且需校正好用），靠井架自重接触缓冲缸，再操作液（气）缸缩回。

（2）下放井架时，刹把操作者提前将滚筒钢丝绳拉力解除（指重表读数归零），保持到井架与缓冲缸脱离接触。

（3）底座起升时，底座缓冲液缸可不必伸出。

（4）下放底座时，刹把操作者提前释放滚筒钢丝绳拉力（指重表读数归零），由液缸将底座推离初始位置。

钢结构井架论文 篇5

关键词：大型钢井架,自动焊焊接,探讨

井架是矿井运输、生产中的重要提升设备, 是井下与井上人员、施工运输、煤炭提升的主要设施, 也是唯一的地面支撑系统, 承载量较大。它是整个煤矿能够正常安全生产的重中之重。为了满足井架承载量, 大型井架箱体截面增大至1800mm×2400mm, 甚至更大如皖北局朱集主井井架截面为3000mm×1600mm, 其板材厚度也在随之增加, 原井架的板材厚度一般在δ14~δ16, 现在为δ20~δ25。

施工工序:下料———组对———焊接———整形———打磨———预组装

井架主焊缝采用的是埋弧自动焊焊接, 埋弧焊的实质是在一定大小颗粒的焊剂层下, 由焊丝和焊件之间放电而产生的电弧热使焊丝的端部及焊件的局部熔化, 形成溶池, 溶池金属凝固后即形成焊缝。这个过程是在焊剂层下进行的, 所以称为埋弧焊。埋弧自动焊具有焊缝质量高, 生产率高, 节省焊接材料, 劳动条件好等优点。在中厚板材焊接中广泛应用, 但由于其易变形, 易产生气孔的缺陷使得埋弧自动焊的一次成功率不高, 经常出现气孔、夹渣、咬边、根部未焊透等现象。

尤其是近年来大型井架较多, 原焊接工艺不能适用现在的井架焊接要求, 焊缝返工次数较多。针对这一情况, 结合施工中实际和大量试验, 在传统工艺的基础上, 对原工艺进行了改进, 目的是为了提高焊缝一次成功率。使用高效率低能耗的焊接方法能最大限度地减轻工人的劳动强度, 改善生产条件。提高工程质量。

1 工艺评定

1.1 材料的选定

1) 大型井架设计常采用的Q235-B板, 板厚δ20~δ25。自动焊焊丝选用H08A, 焊剂为HJ431。

2) 井架箱体焊接坡口形式。

1.2 传统的埋弧自动焊焊接工艺

1) 打底焊, 第一遍焊缝用φ3.2m m焊条, 由技术水平较高的焊工焊接, 焊缝高度6mm, 保证根部焊缝焊透, 焊缝平整, 防止气孔、夹渣、裂纹等缺陷产生, 第一遍焊缝是至关重要的一道焊缝, 是第二遍、第三遍焊缝的基础, 第一遍焊缝若有缺陷, 不易清根。

2) 对打底焊缝清理后, 开始埋弧自动焊, 在焊接第二遍焊缝前必须用小尖锤敲击焊缝, 以清除第一遍焊缝上的药皮飞溅物等, 用钢丝刷或磨光机将毛刺清除干净后, 焊接下一道焊缝。

3) 焊接第三遍焊接时要保证焊缝高度均匀。最后一遍焊缝要保证焊缝饱满, 焊缝的高度和角度要达到图纸要求 (第二遍是采用埋弧自动焊焊接) 在焊接第一遍前, 在焊缝两端设置引弧和熄弧板, 其材质和坡口形式应与焊件相同, 引弧和熄弧板的长度, 埋弧自动焊在100mm左右, 手工电弧焊在50mm左右;焊接完毕采用气割切除引弧和熄弧板, 并修磨平整。

1.3 根据试验统计数据显示, 使用原焊接工艺产生缺陷次数最多的是———根部未焊透

经过仔细研究探讨, 从上图中可以分析出产生根部未焊透的原因有三个方面。

1) 第一道封底焊, 焊缝不够高, 自动焊时易击穿。

2) 埋弧自动焊第一遍送丝角度不正确, 溶滴不易进入焊道根部。

3) 第一遍电流较小, 不能满足要求, 易产生根部未焊透、气孔、夹渣等焊接缺陷。

1.4 根据以上对焊缝缺陷的分析, 我们研究制定出新的焊接工艺

1) 封底焊, 第一遍焊缝用CO2气体保护焊焊接, 焊缝高度8m m~10m m, 保证根部焊缝焊透, 增加焊缝高度是为了保证第一遍自动焊大电流时, 封底焊缝不易被击穿。焊缝要平整, 防止气孔、夹渣、裂纹等缺陷产生, 第一遍焊缝是至关重要的一道焊缝。

2) 焊接前用碳弧气刨对自动焊焊道清根, 并用角向磨光机打磨干净, 保证焊道及根部清洁、光滑。自动焊倾斜20~25°送丝, 使焊熔滴更容易进入焊道根部, 使其能焊透根部。

3) 焊接第三遍焊接时要保证焊缝高度均匀。最后一遍焊缝要保证焊缝饱满, 焊缝的高度和角度要达到图纸要求, 在焊接第一遍前, 在焊缝两端设置引弧和熄弧板, 其材质和坡口形式应与焊件相同, 引弧和熄弧板的长度, 埋弧自动焊在100mm左右, 焊接完毕采用气割切除引弧和熄弧板, 并修磨平整。 (如下图二所示)

4) 打底和盖面焊接时, 电流也要增大, 而且还要适当增加焊接电压, 以保证得到合适的焊缝形状和质量。埋弧焊电流对焊丝的预热作用比焊条电弧焊大得多, 再加上电弧在密封的熔剂气泡中燃烧, 热效率极高, 使焊丝的熔化系数增大、母材熔化快, 提高了焊接速度。

按照新的焊接工艺, 我们得到了较为满意的结果。

2效益分析

此项改进后的新技术不仅提高了埋弧自动焊焊缝的质量, 也大大提高了劳动效率, 节约了成本。倾斜送丝法在我处编写的《大型钢结构井架加工及竖立工艺》省科技成果鉴定会上, 专家给与了充分的肯定。为了进一步验证新工艺的可行性, 我们将此项技术在屯留主井、口孜东主井、高河主井三个大型井架的加工制作中推广应用。工程结束后, 各个施工班组的初步统计, 原来每焊100米自动焊缝, 就有10%~15%不合格, 需要清根从焊。现在运用此项工艺, 焊缝的不合格率控制在3%~5%左右, 大大缩短了施工工期, 同时也节约了成本, 焊缝表面成形均匀、饱满, 焊缝内部通过专业探伤人员检测, 均达到一级焊缝要求。工程质量经过建设单位、监理单位的检验, 都给与较高的评价, 多项质量指标均为优良。为企业创造效益的同时, 也为企业赢得良好的信誉!

参考文献

[1]焊接手册.中国机械工程学会焊接学会编.北京:机械工业出版社, 2001.

[2]高忠民.实用电焊技术.北京:金盾出版社, 2004.

[3]孙景荣.实用焊工手册.北京:化学工业出版社, 2004.

[4]王国凡.钢结构焊接制造.工业装备与信息工程出版社, 2004.

[5]钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级.中华人民共和国国家标准.

钢结构井架论文 篇6

关键词：井架,安装,施工工艺,创新

1 工程概况

淮沪煤电总公司丁集矿,设计能力500万t/年。主井掘砌工程使用的井架为Ⅳ型凿井井架,四斜撑亭式,井架根部跨距14 m×14 m,天轮平台高度21.9 m,起重架顶面高度25 m。当时凿井设备有ϕ3.0 m,ϕ3.5 m的提升机2台和24台稳车占据井口的南北两侧。

主井井筒直径7.5 m,装备有两套JKDM-4.5×4(Ⅲ)-(DJ)提升设备,提升容器为25 t多绳箕斗。主井井架为对面双提升亭式井架、井架的起重架上平面标高+69.000 m、四斜撑根部中心距提升机方向侧为32 840.4 mm、与提升中心线垂直的两侧为36 988.6 mm。井架两提升机方向侧的结构为变截面,其柱中心线上端宽为8 600 mm,变截面点标高为+48.000 m,与提升中心线平行的两侧为A形结构。井架设计净重800.88 t。井架与基础的连接为T形螺栓铰接。井架结构及起立后与凿井设备的相互关系如图1所示。

井架的高度、重量都是比较大的,在掘砌工程正常施工的情况下,怎样保证井架在地面组装后,起立到安装位置,而且尺寸保证也在规范要求的范围内,如何保证施工的安全和掘砌单位的安全,无疑是一个全新的课题。

2 井架安装施工工艺

2.1 井架的安装准备

井架安装的准备阶段与制造平行进行(当施工现场条件允许时),主要划分为井架基础浇筑、施工准备阶段和组装、吊装阶段。

井架基础的浇筑已在准备阶段以前完成,准备阶段的工程量有:施工现场起吊用设备安装、构件组装所需场地的清理、平整及对一些临时设施的拆迁、起吊所用机械、电气设备的检修、安装,锚桩的设置、钢丝绳缠绕、滑车组的挂设、铰链设置、A,B两个扇面的地面组焊、起重塔的地面组装等。组立阶段有:起重塔的起立、起吊件的栓绑、A,B扇面的起吊组装、相连构件的吊装、组焊、梯子平台的安装。最后拆除临时设施。

2.2 井架的吊装

1)井架斜撑的组装:井架分A,B两个侧扇面分别组装在与井筒中心线相对称的提升中心线上,其根部与设置在井架基础上的铰链相连,当A,B斜撑以铰链轴心线转动至设计角度时,其各部尺寸应符合设计要求。2)施工测量:施工测量的主要内容为井中线的测量、标高测量和确定、基础表面的测量检测、预留螺栓孔的测量检测、铰链预埋件的位置测量与检测。组装位置各个构件位置中心线的设置、临时支撑结构位置的确定与标定、各提升稳车及锚桩位置的确定与标定等。3)斜撑的地面拼装。A,B斜撑在地面的拼装按标定好中心线及各段的位置从斜撑的底端开始,逐段向上进行。当每个斜撑的两支腿杆件与+28.5 m的水平杆件结构好并校对尺寸无误后方可进行正式焊接,其余杆件依次进行。因为起重架高度的影响,组装起重架可采用各段组装结束、抬高斜撑上端部至适当高度后再组装起重架或在组装位置挖坑的方法解决。组装时,各段的接口两侧,应设置支撑。支撑可为钢构件或轨枕木跺。支撑下底面应硬实,否则应采取措施。4)起重塔的起立。采用H=65 m,B=1 400 mm起重塔,起重塔两根部中心线与凿井提升设备侧的井中线平行,距离井中线15 459.7 mm,各塔的组装位置与凿井侧的井中线向平行。组立起重塔时,可采用先用汽车吊起立40 m段起重塔,然后用40 m塔起立另一座65 m起重塔,放到40 m起重塔后重组成65 m,再用已立好的65 m塔起吊。5)井架起立顺序如下:a.起吊A斜撑至80°,连接好B斜撑侧的牵引绳1和A侧的扪绳2。b.放到起重塔,用牵引绳和扪绳牵引A斜撑至垂直位置,连接A斜撑上的起吊滑车组与B斜撑的吊点。c.利用A斜撑起吊B斜撑至接近垂直位置,用B斜撑背后的扪绳3扪好。d.利用两斜撑各自背后的扪绳,慢松至A,B斜撑合龙至设计位置,找正后完成+69 m部位的焊接。e.安装A,B斜撑间的+28.5 m,+54 m,+60.5 m的G1-15,G1-13,G1-16等水平横梁及梯子、平台栏杆。f.临时设施拆除。

3 施工技术创新

3.1 铰链设置位置与构造进行了较大改进

在翻转法起吊设备中,一般须安装翻转支点的铰链。井架安装过程中,斜撑的翻转铰链一般设置在主斜撑的正前方。这种结构形式,在铰链受力最大时,杆件承受较大的弯距,各部应力较大。

丁集主井井架施工的铰链设计在斜撑的底板位置,在斜撑受力最大位置时,铰链承受的力为压应力,从而大大改善了铰链及斜撑的受力状况,保证了节点的安全。

3.2井架吊装工艺的实践和创新

考虑到施工现场凿井设备和冷冻沟槽对吊装设备布置及吊装过程、顺序的影响、限制,尽量采取在地面组装后再整体吊装的方案,以减少高空作业和提高施工质量。

丁集主井井架的施工,只利用一套滑车组,先起吊主斜撑。通过主斜撑与起重抱杆位置的相互变化,由抱杆起吊主斜撑改变为主斜撑起吊抱杆,随后利用主斜撑放到起重抱杆。与此同时也把上滑车组牵引到吊副斜撑的位置,利用它完成副斜撑起吊。这样不但减少了施工费用投资,减少了工艺环节,而且节约了作业时间,提高了施工效率。

大型箱体钢结构井架超90°桅杆扳转法吊装与凿井平行作业,合同限定在井架起立过程中占井工期为13个工作日(停止凿井),我施工单位精心组织,科学管理,采取超90°桅杆扳转法吊装与凿井平行作业的最佳方案,结果在井架起立过程中只占用了11 h。

用粗直径长绳索配合三角板、多个小吨位滑车组代替大吨位滑车组、过长钢丝绳技术:

施工的钢结构井架因高度、吨位均较大,在起吊A斜撑、B斜撑过程中的背后绷绳按以往常规方法需要长度3 000 m的钢丝绳和大吨位的滑车组,采用本技术后充分利用了公司现有设备与材料,减少了一次性投资,提高了工程效益。

3.3基础浇筑预埋件安装方法的创新

井架地脚螺栓为空间倾斜位置,保证其预留孔位置的正确是井架安装找正的关键。在以往的施工过程中常常耗费相当长的时间和精力。为了保质量、抢工期,在地脚螺栓预埋套筒的设立方面我们进行安装工艺的改进。

首先,在地面根据图纸设计尺寸,将两个预埋套筒用角钢连接成一个整体;其次,用角钢做两个三角形支架将预埋套筒在地面支撑好,校核套筒的实际角度与设计角度的误差,并进行调整,准确无误后用槽钢在套筒上加工制作出一个临时平面,在安装套筒时使用;第三,在基础平面上用脚手管根据设计标高搭设一个平台,将预埋套筒放在平台上抄平找正,无误后对支架和套筒进行加固,然后即可浇筑混凝土。

此工艺第一保证了安装质量,由角度找正改为了平面找正容易控制和校核;第二提前了工期,套筒的安装准备工作是在面进行的,不占用基础施工工期,套筒的安装找正、验收和加固一个白天即可完成。

石油钻机井架结构可靠性分析 篇7

井架是石油钻机的重要组成部分,其结构杆件多、受力复杂,且使用工况恶劣。随着复杂地质条件油气田的进一步开发、以及钻井深度的不断增加,国内外石油工业界对石油钻机镜架结构的可靠性要求越来越高。可靠性是石油钻机井架的一个十分重要的设计指标。井架的安全性评定单纯用安全系数来作保证是不够的,还应从井架的可靠性方面对井架进行评估分析,才能保证井架安全可靠使用[1]。

井架结构可靠性分析,是以安全可靠性指标和失效概率为目标,评定所设计井架的安全性、可靠性。结构的设计原则是抗力R不小于荷载效应S。实际上由于抗力、荷载效应及计算模式总是存在着不定性,它们都是随机变量,因此要绝对保证R总是大于S是不可能的。在一般情况下,抗力R还是有可能小于荷载效应S,这种可能性的大小用概率来表示就是失效概率。

2 井架结构可靠性指标

根据结构可靠性的定义,设Xi(i=1,2,…,n)为n个相互独立的影响井架结构可靠度的随机变量,则井架结构的功能函数定义为:

当用结构抗力R和荷载效应S来表示其结构功能函数时,则式(1)可表示为:

其中,当Z>0时井架处于可靠状态;当Z<0时井架处于失效状态;当Z=0时井架处于极限状态。井架结处于失效状态的概率成为井架结构的失效概率,设R及S的概率分布密度函数分别为fR(R)及fS(s),而R和S的联合分布密度函数是f(R,S),由于R和S相对独立,则井架结构的失效概率为:

引入井架的可靠性指标β,设井架抗力R及荷载效应S为两个正态随机变量,则Z也服从正态分布,令

式中:mR、mS为抗力R的均值与标准差;σR、σS为荷载效应S的均值与标准差。

令t=(Z-mZ)/σZ,则t服从标准正态分布,可得井架的失效概率为:

β的物理意义为从mZ到原点(即失效状态mZ=0)的以标准差σZ为测量单位的距离(标准差的倍数,即βσZ)。显然,β与Pf具有数值上一一对应关系,β值越大,Pf就越小,结构越安全,因此β和Pf一样,可以作为度量结构可靠性的一个指标,称为结构的可靠指标。

依据《建筑结构设计统一标准》的规定,井架的目标可靠性指标取β≥3.7。

3 井架结构抗力分析

井架结构抗力的随机性是由材料机械性能、几何尺寸的变异及结构设计计算模式的不定性等引起的[2,3,4]。井架结构构件抗力R表达式为:

式中,RK为井架构件抗力的标准值;M为材料强度与刚度的变异;F为截面几何特性的变异;P为计算模式的不定性。

研究表明,RK、M、F、P为非相关的随机变量,则抗力均值mR和变异系数VR分别为

式中,KM、VM为材料强度的均值系数和变异系数;KF、VF为截面几何特性的均值系数和变异系数;KP、VP为计算模式的均值系数和变异系数。

3.1 材料性能的不定性

随机变量M可表示为:

式中,KO为规范规定的反映构件与试样材料性能差别系数;fj、fs为实际构件与试样材料性能值;fk为规范规定的试件材料性能标准值;KS为反映构件材料性能与试件材料性能差别的随机变量;Kf为反映试件材料性能不定性的随机变量。

则可得M的均值KM变异系数VM别为:

式中,mks、Vks为Ks的平均值和变异系数;mkf、Vkf为Kf的平均值和变异系数。

根据建筑结构统一标准编委会材料组提供的数据,16M n钢的KM、VM取值分别为1.08、0.084,A 3钢的KM、VM取值分别为1.09、0.068。16M n和A 3钢都是井架构件的常用材料。

3.2 构件几何参数的不定性

随机变量F可表示为:

式中A、Ak分别为构件几何参数实际值与标准值。

则可得F的平均值KF和变异系数VF为:

式中,mA、VA分别为构件几何参数实际值得平均值和变异系数。对于国产型钢构件KF=1.00、VF=0.05。

3.3 计算模式的不定性

随机变量P可表示为:

式中,R为构件的实际抗力值;Rj为按规范公式计算的构件抗力值。

大量实验及统计分析表明,16M n和A 3钢的抗力系数KR、VR分别为:

3.4 构件抗力的概率分布

大量的统计实验结过表明,钢材屈服强度、弹性模量、截面尺寸、杆件初曲失度及残余应力等与抗力有关因素的不定性均服从正态分布。因此,构成抗力的各随机变量均服从正态分布,由概率论的中心极限定理可以推出抗力近似服从对数正态分布[5]。

4 井架荷载效应分析

井架静力荷载主要包括三种:恒定荷载、工作荷载、自然荷载[6]。井架承受的恒载,包括井架构件本身的重量以及安放在井架上面的各种设备和工具的重量。井架的工作荷载是指井架在工作过程中产生的荷载,包括大钩静荷载、附加作业及处理事故钩载、工作绳作用力、立根荷载等。不考虑地震和温度的影响,井架所受的自然荷载主要有风载。

风载是一种随机荷载,不但随时间变化、而且随空间位置变化。其计算公式如下:

式中,Kz为高度变化系数;k为结构体型系数;F为结构垂直风向的投影面积;W为计算风压。

5 井架结构可靠性计算

井架结构可靠性问题都可以归结为式(3)的积分求解。在一阶二次矩法中,概率密度本身被简化,每个随机变量都只用它的最初的二次矩(均值和方差来表示)。

由式(2)可得,井架的极限状态方程为:

式中,抗力R服从对数正态分布;工作荷载效应S1服从正态分布;风荷载效应S2服从极值I型分布[7]。

由研究知,R服从对数正态分布,其分布密度函数和分布函数分别为:

S1服从正态分布,其分布密度函数和分布函数分别为:

S2服从对数极值I型分布,其分布密度函数和分布函数分别为:

由于各参数服从于不同的概率分布,不能得到可靠性指标的的显示表达式,采用一次二阶矩理论中的验算点法迭代求解。其算法为图1所示。

6 钻机可靠性案例分析

选择胜利油田某钻机厂7000m钻井进行可靠性计算。井架弦杆、腹杆的材料为16M n,其抗力均值mR=345M pa,变异系数VR=0.123(VR=σR/MR)。井架的工作载荷效应均值ms和风载荷效应均值mL由有限元程序计算得到。变异系数应由当地实际统计得到,在无有当地统计数据的情况下,取已有的资料。本文取VS=0.059,VL=0.173。

将有关数据代入可靠性计算程序,可分别得井架在不同的工况下各构件的可靠指标和失效概率。由于钻机工作工况较多,表1为该钻井额定工况下可靠性指标值最低的10个杆件。

根据钻机井架额定荷载工况的工作构件可靠性结果可知,在该工况下,井架构件可靠性指标符合要求,最低值为β=6.68219,其可靠性指标都符合相关规范要求的β≥3.7。

7 结论

(1)建立钻机井架可靠性分析的极限状态方程,分析了井架结构抗力及荷载效应随机变量的分布类型及统计参数,提出了井架可靠性指标的计算方程,为石油钻机井架可靠性分析提供里理论模型。

(2)基于抗力R、工作荷载S1、风荷载S2的各自分布类型,采用一次二阶矩的验算点法迭代求解,得到了石油钻机井架可靠性算法的计算流程。该流程易于编程实现,解决了含有多个非正态分布的随机变量的结构状态方程求解可靠性指标问题。

(3)对算例的70井架结构进行了额定荷载作用下的结构可靠性分析,由于井架分析工况较多,其他工况亦可采用同样的方法求解。根据该种工况的分析结果表明,该井架结构在额定荷载工况可靠性指标值β≥6.68219,符合相关规范的要求。

参考文献

[1]赖永星,王义翠,张艳艳,苗同臣.石油井架结构可靠性分析与蒙特卡罗实现[J].新疆石油天然气,2008,4(3):98～101

[2]赵国藩,曹居易,张宽权.工程结构可靠度[M].北京:水利电力出版社,1984

[3]张爱林,王玲.修井机井架结构可靠性研究[M].北京:人民交通出版社,1989

[4]裴峻峰,陈荣振,张博文等.井架可靠性设计中抗力的确定[J].石油机械,1995,23(12):4～7

[5]李继华.可靠性数学[M].北京:中国建筑工业出版社,1988:45～57

[6]裴峻峰,陈荣振,齐明侠等.石油井架可靠性设计中的荷载与荷载效应[J].石油大学学报(自然科学版),1997,21(4):37～39

钢结构井架论文 篇8

海洋自升式井架是石油钻机设备中的主要构件, 有效高度为46.8 m, 最大额定钩载4 500 k N。其中, 井架主体共分为六段, 除底段外其余各段的结构形式基本相同, 均分左右两片用螺栓连成一段, 段与段之间用销轴连接。井架主体部件材料多为Q345-B, 每个独立部件由H型材、板材、矩型管材组焊而成, 井架钢结构件简图见图1。

井架主体段与段之间端部连接处焊缝密布, 焊缝均为重要焊缝, 焊后必须进行100%目检 (VT) 、100%磁粉探伤 (MT) 、100%超声波探伤 (UT) , 按美国焊接协会结构件焊接规范AWS D1.1.6.C[1]验收。要保证焊缝内外质量, 控制焊接变形的难度较大, 实际施工中通过对井架主体钢结构件的工艺分析、反复试验, 最终确定了合理的工艺方案。

1 工艺分析

井架主体段与段之间端部连接, 采用焊接耳板窜销轴连接。段与段贴合面要求:贴合度大于75%, 不接触间隙小于0.5 mm, 错边小于2 mm。为提高井架主体钢结构件的刚度和强度能力, 在各段设置多个横撑、斜撑组焊为一体。连接耳板的焊缝采用45°K型坡口, 无钝边, 间隙2 mm, 耳板厚度为38 mm, 角焊缝焊高为16 mm, 多层多道连续焊。由于段与段之间端部有耳板、横撑、斜撑集中, 焊接量大且角焊缝熔合截面大, 焊接过程中属局部不均匀的加热和冷却, 焊接母材收缩程度不同, 易造成焊接变形。

(1) 井架各段构件长度焊接量大, 易产生横向收缩, 使井架各段长度方向缩短, 并造成两侧主梁外鼓。

(2) 井架各段端部角焊缝填充金属截面大, 局部产生热应力大, 引起井架各段收缩不一致, 而使构件产生凸凹变形。

(3) 由于下料采用手工火焰切割方式, 尺寸不易控制, 装配间隙大, 造成焊接变形过大, 段与段贴合面贴合度达不到设计要求。

一旦井架各段钢结构件焊后产生变形超差, 修复工作非常困难。

2 影响焊接变形的因素

焊接是一个局部不均匀加热的过程, 焊接热影响区的收缩将引起构件的各种变形和焊接应力[1]。其影响焊接变形的主要因素有:

(1) 不对称焊接, 产生焊接热应力不均匀, 焊接变形大;

(2) 焊接线能量越大, 焊接温度越高, 变形越大;

(3) 多层多道焊接时, 层间温度过高产生焊接热应力大, 焊接变形大;

(4) 局部焊接量大, 局部焊接产生的热量越多, 整体冷热温差大极易产生变形;

(5) 构件刚性越差, 约束力小, 变形越大;

(6) 焊缝间隙越大, 热胀、冷缩自由度大, 变形越大;

(7) 焊接层数及焊接道数越少, 熔敷金属凝固时间短, 变形越大;

(8) 焊接行进方向, 由相对自由端处朝向相对固定端处施焊, 产生拘束大, 变形越大。

3 减少焊接变形的方法

根据影响焊接变形的因素, 通过工艺方案分析, 制定出以下控制焊接变形量的工艺方案, 确保几何尺寸及形位公差符合设计要求。

3.1 编排焊接顺序

各段端部的耳板焊缝原焊接工艺没有限制焊接顺序, 现采用对称焊接, 即双人在同一纵截面同时同方向焊接, 使得焊接过程中施加的热量平衡, 焊接变形减少。

3.2 降低焊接线能量

各段端部的耳板焊缝原采用手工电弧焊 (SMAW) , 现采用线能量较低的气体保护电弧焊 (GMAW) 。严禁接头冷却到规定的最低预热温度以下, 焊后进行保温缓冷。

3.3 改变焊缝走向

焊缝走向原工艺未规定, 现要求必须是从部件彼此间相对固定处朝向具有更大的相对运动自由度之处。

3.4 减少焊缝熔合截面, 降低焊接产生的热量

各段端部耳板的焊缝设计采用45°K型坡口, 无钝边, 间隙2 mm。在保证焊缝强度前提下, 更改为25°U型坡口, 角焊缝焊高减少至12 mm, 从而减少焊缝熔合截面, 降低焊接产生的热量, 焊接变形减少。

3.5 增加焊接层数

各段端部耳板的焊缝在原焊接工艺要求焊接层数为3层, 焊肉宽度≤15 mm。现采用焊接层数为5层, 焊肉宽度≤12 mm, 焊接变形有效降低。

3.6 采用数控下料

原下料采用手工气割, 坡口尺寸误差大, 组装焊缝间隙大, 焊后极易变形。现下料采用电子数控切割机, 下料尺寸误差能控制在≤±0.5 mm, 组装坡口间隙减小, 焊接变形减少。

3.7 增加工艺刚性固定

原井架各段构件焊接过程中未进行刚性固定, 焊接极易变形。现实施在构件刚性差处加焊临时工艺拉筋。构件几何尺寸得到控制, 焊接变形有效降低[2]。

3.8 增加铆焊次序

原井架各段一次铆装焊接成型, 现采用分部铆装焊接, 每个铆装焊接部件焊后均进行变形校正, 然后再次铆装焊接, 减少焊接变形累加, 焊接变形有效降低。

原井架焊接行进方向未规定, 现规定由相对固定端处朝向相对自由端处施焊, 减少拘束, 焊接变形有效降低。

4 制定规程、完善工艺、加强管理

(1) 制定井架专用焊接规程:每道焊缝规定焊接人员资格AWS[1]要求、规定焊接方法, 采用分段对称焊;

(2) 严格执行焊接工艺WPS[1]规范:坡口尺寸、焊道清理、焊接顺序、焊接层数、预热和道间温度、焊缝单道宽度、焊接电流、焊接电压、焊接速度等;

(3) 加强现场施焊监督:对焊接人员施焊过程进行监督, 对违反焊接工艺WPS[1]规范行为及时纠正;

(4) 编制井架专用检验规程:制定井架专用检验大纲 (ITP) , 制定工序质量检验停留控制点及检验内容、检验执行标准。跟踪见证记录, 严格执行ISO质量管理体系LNB/QM 08-05《不合格品控制程序》。

5 结论

设计、工艺、质量人员通过对井架各段钢结构件焊接变形影响的因素分析, 制定合理焊接规程, 采取有效措施, 经过生产实践证明, 井架各部位检测数据 (表1) 完全满足设计要求, 达到API-4F规范要求, 得到了国内外用户及中国船级社 (CCS) 的充分肯定。

参考文献

[1]An American National Standards[S].AWS D1.1/D1.1M:2008.

[2]郑昊, 李红涛, 周静.工业炉H型钢结构件焊接质量控制[C].第七届全国现代结构工程学术研讨会论文集, 2007.天津.

钢结构井架论文 篇9

关键词：修井井架,结构型式,有限元分析,结构优化

0 引言

修井设备是油田作业中的关键装备。井架作为修井机的关键部件之一, 用来安装和悬挂天车、游车大钩等起升设备, 以及起下和存放钻杆、油管或抽油杆。井架的结构类型、移运方式、作业效率及作业布置等都是影响整套修井作业效率的关键所在, 因此, 研究、设计、制造出既经济适用又可靠的石油装备, 研究与制定维护管理措施, 应是当前急需解决的课题。本文针对中小型井架的结构类型、结构优化以及结构分析方面做出探讨及解决方案, 对井架的承载和疲劳强度进行分析, 均具有实际的指导意义。

1 修井井架结构型式

JJ135/33井架为前倾、双节可伸缩套装式有绷绳的轻便井架, 又称为桅形井架, 是XJ350修井机的重要部件之一。它主要由井架下体、井架上体、天车、上下体承载装置、液压猫头装置、各种绷绳、立管、梯子、二层工作台和大钩托架等组成。JJ135/33井架结构示意图如图1所示。

井架伸缩靠一个伸缩液缸来完成。井架的立起和放倒是由连接在运载车大梁和井架下体上的两个液缸来完成。井架与运载车后支架采用铰支座连接, 通过调整Y型支架和运载车车架之间的调节丝杠来调整井架的倾角, 以便保证大钩与井口的对中。在正常工作状态下, 井架的倾角为3.5°, 在Y型支架上安装有角度指示仪。

2 修井井架工况及力学分析

2.1 载荷及边界条件的确定

JJ135/33井架的工作工况由恒定载荷 (即结构静载荷) 、钩载、立根载荷、环境载荷[1,2,3]以及这些载荷的组合所决定, 下面依次对上述载荷进行分析。

(1) 井架静载荷:指井架的不变载荷, 包括井架重量及天车、游车、钢丝绳等的重量[4]。在进行有限元分析时, 井架本体的重量 (包括井架上体和下体的重量) 由软件自动加载, 而井架的附件重量 (天车、栏杆、梯子及游动系统) 等可平均加载在井架顶部的4个节点上[5]。

(2) 钩载:该井架最大钩载为1 350kN, 井架天车轮系为5×4, 有效绳数n=8。载荷按照天车的结构施加于天车侧板安装中心相应节点上。

(3) 立根载荷:包括立根重量对井架的作用以及立根所承受的风力载荷。立根载荷按水平方向作用在井架的对应节点上。

(4) 环境载荷:主要为风载荷。

(5) 边界条件:井架与底座销轴连接, 在工作状态下, 绷绳拉紧工作, 其成为固定约束, 必须限定其3个线位移及2个角位移。Y型支座调节丝杠拉杆处理成固定约束, 限定三个方向的位移。Y型支座位于井架基座安装座上, 只限定了竖直方向的位移。

2.2 井架工况分析

根据API Spec 4F-2008第3版的要求, 钻修机井架的设计应符合AISC335-1989许用静应力设计法, 施加的载荷为静载荷。有绷绳轻便式井架设计工况如表1所示。

表1中的TE指的是在预期工况下, 不作业, 大钩载荷为游动系统的载荷, 即大钩、游车等的重量。每种工况作用下风载又分为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共8种工况。通过对载荷的仔细分析, 井架作业时向前倾斜3.5°。

井架风载在背面吹风时加剧了井架向井口的倾斜, 而侧面吹风有可能使井架向侧方向倾倒。因此, 在工况1a中, 只需考虑背面吹风和侧面吹风3种工况即可。预期工况中, 只考虑背面吹风、侧面吹风及45°方向吹风3种工况即可。同理, 不可预期工况中, 也只需考虑背面吹风、侧面吹风及45°方向吹风3种工况即可。

2.3 井架静力分析结果

采用有限元软件ANSYS进行井架的静态加载分析, 采用APDL语言进行建模、边界条件处理和加载。

由于井架在受最大钩载、满立根、背面风载情况下承受的应力和变形最大, 因此, 本文考虑这种工况的情形, 分析结果见图2和图3。

(1) 在钩载为1 350kN情况下, 井架上体、下体的最大位移及单元力均最大, 井架的4根主腿为主要承载构件。

(2) 井架下体承载时的应力小于上体承载时的应力, 应加强上体;井架上体缩口附近应力较大, 如图2所示。最大应力位于缩口处的正面横梁;上体缩口的倾斜度大小对最大应力值影响较大;井架开口侧主腿应力比不开口侧主腿应力大 (如图3所示) , 原因是在承受压应力的同时, 开口侧主腿更多地承担弯矩对井架的作用。

(3) 井架大部分构件受压产生压应力, 绷绳及部分横拉筋受拉产生拉应力。井架后面大腿轴向应力普遍小于前面大腿, 位于同一面的左、右侧大腿轴向应力的差别不是很大。

(4) 在满负荷下, 井架横撑和斜撑除天车下门框外, 其他撑杆的应力都较小, 只有几根横撑应力达到100MPa, 绝大部分都低于50 MPa;另外, 斜撑应力普遍较横撑应力大, 侧面斜撑应力较背部斜撑应力大, 但是背拉杆、侧面横撑和斜撑强度均满足要求。

3 修井井架结构优化

通过对井架静力计算结果, 可以对井架的材料及局部结构进行优化, 使井架设计制造更加经济合理。

3.1 井架材料的优化

在最大钩载工况下, 井架上、下体侧面绝大多数横撑和斜撑的应力均小于100 MPa。因此考虑井架上、下体中间横撑部分钢材由Q345B改为Q235钢, 井架的强度条件仍能满足。在都满足强度条件的情况下, Q235较Q345B在价格上便宜些, 因此可减少井架在钢材费用上的花费。

3.2 井架门框结构优化

井架上体缩口处截面是整个井架的危险截面。井架大腿在该层门框以上向内弯曲。从整体受力情况看, 井架的各杆件单元分布并不是很合理, 井架上体缩口处门框杆件单元及横梁的应力较大。由于这一层门框应力分布复杂, 仅靠增加杆件的截面尺寸取得的改善效果往往不大。更改结构比单纯增大杆件截面尺寸对减小应力集中要有效得多[6]。经过反复更改比对, 最后找出缩口处截面较好的结构, 如图4所示, 其应力分布图如图5所示。对比图2和图5发现, 门框横梁应力明显降低, 井架的整体稳定性得到提高。

4 结论

本文建立了井架整体有限元分析模型, 分别分析了JJ135/33井架在工作工况、预期工况和非预期工况下的应力分布规律, 结果表明所设计的井架在大腿处和上体缩口截面处出现了应力集中。

针对井架的应力集中及相关应力分布规律, 对井架结构提出了几点改进方案, 包括门框结构优化、材料的选择等, 取得了满意的效果。

参考文献

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[2]尹永晶, 杨汉立.石油修井机[M].北京:石油工业出版社, 1985.

[3]陈如恒, 沈家骏.钻井机械的设计计算[M].北京:石油工业出版社, 1995.

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