海洋钢结构井架（共7篇）
海洋钢结构井架 篇1
引言
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.
[3]ISO 1461-1999.Hot dip galvanized coatings on fabricated iron and steel articles-specifications and test methods.
海洋钢结构井架 篇2
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.
简析箱形钢结构井架快速安装方案 篇3
井架作为矿山立井提升的主要构筑物, 在矿井工程中占有重要地位。井架按提升方式分为单绳井架、多绳井架;按用途分为主井井架、副井井架、风井井架、临时井架 (凿井井架) 、两用井架等;按结构材料分为钢井架、钢筋砼井架等。目前砖井架、木井架已基本不用, 应用最多的是钢结构井架。
在钢结构井架的安装上, 目前小型井架多采用吊车, 大型井架主要采用金属桅杆起吊。随着新技术、新工艺的应用, 如“门式架—无锚吊推法”在井架吊装中的应用以及利用有限元法、CAD技术进行井架起吊相关力学分析;建立井架吊装的计算机安全监控模拟系统等, 必将对井架的安全快速起吊、提高安装技术水平起到积极的促进作用。
80年代以来, 大中型矿井广泛应用了箱形钢结构井架;箱形钢井架适用于落地式多绳轮摩擦轮及单绳缠绕式绞车的矿井提升, 根据井架用途和提升机的数量, 分为L型 (橹式) 结构及A型结构等。L型井架由斜架和立架组成, A型井架由主、副斜架和立架组成, 其中斜架为钢板焊接的等断面或变断面的箱型结构, 架为空间桁架结构, 上下天轮及起重梁布置在斜架上, 立架内安装稳罐道和防撞木等。
1 安装方案的提出
箱形钢结构井架的安装, 目前多采用桅杆起吊法施工, 桅杆起吊又有单桅杆、多桅杆及门式桅杆之分。具体有半翻转、大翻转 (倒杆式) 、滑移式等多种形式。半翻转式在井架刚抬头时起吊力最大。随着起吊角度的增大, 起吊力减小, 即吊装开始就对有关机具索具进行最大负荷考验。如有问题能及早发现处理, 比较安全可靠, 但需要足够的场地和机械具;大翻转布置紧凑, 适用于场地狭小的工程安装, 井架起吊时稳车开动较多, 对其安全指挥协调要求较高;滑移式对桅杆的高度强度稳定性有较高的要求, 适用于轻型井架, 有时需双桅杆才能完成作业。综合比较各自的特点。根据我矿井架结构重量和现场条件, 充分考虑工期安排。经反复研究决定, 采用“主副斜架分片组装, 单桅杆半翻转起立, 空中对接”的施工工艺方案。
2 安装方案的实施
2.1 方案实施过程中应注意的问题
第一, 井架组装场地要回填平整夯实, 以防支承点出现不均匀沉降, 增加工程量, 影响工期和质量。第二, 为防止铰链钢板受水平推力的破坏, 对主斜腿在底部进行刚性连接。第三, 为减少二次搬运及安装质量, 井架出厂前与安装单位联合验收, 按预组装以编号, 注明联接组别, 并按顺序装卸车。第四, 雨天严禁焊接, 电焊条要有防潮措施, 焊缝为1级焊缝, 经探伤合格方能防腐处理。第五, 绳卡、地锚要做明显标志, 起吊过程设专人观测。
2.2 井架制作及现场施工
按照原煤炭部颁布的行业标准 (MT5010-95) , 参照《钢结构施工及验收规范》及有关设计要求, 专门制定出“箱型钢井架加工制作质量标准” (厂标) 及“焊接工艺卡”, 作为工厂加工制作、检查验收的规范及标准。加工制作的井架经过各工序检查, 厂内预组装合格, 并出具出厂合格证后方能出厂。井架现场组装采用平面分片组装方法, 主斜架在副斜架之上, 副斜架沿组装方向下倾7°。为减少高空作业, 保证安装质量, 主斜架+25.350、+31.350平台在地面与主斜架一起组装, 副斜架G1-13在主斜架起立后再地面组装。主副斜架均采用基础铰链定位组装起立, 基础铰链按照图纸要求的标高和轴线定位, 组织有关工程技术人员检验后, 方可按工艺要求施焊, 焊接完毕, 再对其进行复验, 确定无误后, 方可进行组装。井架躯体组装应根据厂内预组装的编号顺序进行。由于井口±0.000标高, 高出自然地坪5 m, 而回填后组装高度仍在2 m以上, 需加工2 m高的铁托架, 井架在操平找正的托架上进行。因重力作用, 随时用水准仪观察托架的沉降情况, 并根据下沉情况随时进行调整, 以保证安装躯体的直线度。主副斜架组装后, 全面检查测量各部尺寸, 符合规定后, 进行焊接。现场焊接采用直流焊机, E4315电焊条, 焊缝经X射线和超声波检查探伤合格后, 进行防腐处理。
2.3 井架起立
井架起立先起立桅杆, 桅杆由L200×200×18的角钢制成。尺寸为1.45 m×1.45 m, 高40 m, 重25 t。桅杆起立时, 用50 t吊车抬头至39°角, 即吊车起吊最高点, 然后由主斜架提升稳车 (1#、2#) 拉起, 起立过程中, 用经纬仪观测桅杆头部偏移情况, 随时用副绷绳稳车 (5#、6#) 调整, 偏移量控制在500 mm以内, 桅杆基本垂直后, 用副绷绳 (Ⅰ#-Ⅳ#) 进行调整, 并随之使其张紧, 各方向的绷绳张紧程度要一致。
首先用桅杆起立主斜架, 当主斜架起立到设计位置, 再利用主斜架作桅杆起吊副斜架。主斜架起吊前, 应对主绷绳 (3#、4#) 稳车地锚、悬吊点索具、铰链等进行全面检查, 确定无误后, 进行试吊, 以检验其强度能力。当主斜架起吊全部离开支承点时, 按起重作业要求再全面检查一次, 无问题后, 方可继续起吊, 慢慢开动1#和2#提升稳车。随着起吊不断观察, 统一指挥, 协调作业, 直至主斜架起立到设计位置。
副斜架起吊方法与主斜架相同, 副斜架起吊前, 应将主斜架底部用垫铁垫实。当副斜架起立约75°时, 将其留绳 (9#、10#) 处于张紧状态, 留住副斜架, 副斜架起至重心变换点82.7°时, 松留绳, 使其头部与主斜架平台对接。当斜架就位后, 检查天轮平台的提升十字中心线及天轮平台的水平度, 用50t千斤顶在斜架底部进行操平找正, 符合要求后, 将副斜架与平台对接处进行焊接, 垫好基础垫铁, 拧紧地脚螺栓。
3 结束语
海洋钢结构井架 篇4
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.
海洋钢结构井架 篇5
1 箱型钢结构的结构特点
自20世纪80年代中后期,箱形钢结构在煤矿企业中获得了广泛的使用,如单绳缠绕式矿井提升绞车以及落地式多绳轮摩擦轮矿井提升绞车等都使用到了箱形钢井架。箱型结构井架依照矿井提升机的使用数量和使用功能的不同,主要分为A型结构和L型结构。A型井架包括主副斜架和立架两个方面组成,L型井架主要包括斜架和立架两个方面组成。L型中的斜架钢结构通过焊接作用对等断面(或变断面)进行焊接而成;斜架上进行上下绞车轮和起重梁的安装,立架上进行防撞木盒稳罐道的安装作业。
2 箱形井架的工艺方案
当前我国大都采用桅杆起吊法来实行对箱形钢结构井架的安装工作,桅杆起吊可分为门式桅杆、单桅杆、多桅杆等类型。而对于桅杆的起吊形式来说,又有滑移式、半翻转、大翻转等几种形式。井架在刚进行起吊的时候,采用半翻转式可以获得最大的吊力。随着起吊作业的继续进行,起吊作用力渐渐减小,起吊角度增大。即在井架吊装的开始过程中相关的机具索具就需要承载最大的负荷。这样,当发现问题的时候能够做出及时的处理,保证了作业的安全进行。但半翻转式起吊需要提高足够的工作场地和工作机具。而相对于半翻转起吊,大翻转的结构布置紧凑,所需要的安装场地也较小,井架在刚刚起吊的过程中需要提供较高的稳车开动,这样对大翻转的安全指挥协调性能要求较高;滑移式对桅杆要求有较高的强度和稳定性,主要用在于轻型井架的竖立过程中,某些工况下还需使用双桅杆来进行作业。
井架制作及现场组装:
在对箱型钢进行设计过程中,要严格依照专门制定的《箱型钢井架加工制作质量标准》来进行加工制作。井架在制作过程中,要实行全面的检查工作,相关厂家在给予井架出厂合格证后才能够出厂。箱型钢结构在进行制作和现场组装的过程中,要严格遵照有关的钢结构施工及验收规范来执行。在组装过程中,需要严格按照起吊方案来进行作业布置,立架需要确保各断面的尺寸、长度是否符合相关规定,斜架组装过程中,不仅需要确保各部面的纵横向之间几何尺寸、水平度和焊缝间隙坡口等符合要求外,还需对各个焊接点进行点焊,再依照焊接工艺卡上的工艺标准实行焊接,焊接完成后,用X射线和超声波技术来实行检测,确保焊接部位的质量。
3 煤矿用钢结构井架的具体安装
我国对于A式钢井架的研发和使用已经过20多年的发展,由传统的R型到现在使用的大截面箱型A式钢井架。不管在施工还是使用中都获得了成熟发展。
3.1副斜架大翻转法
A式箱型钢井架大都采用采用桅杆井陉起吊工作,使用铰链半翻转法首先将主斜架竖立,然后再利用主斜架竖立副斜架。由于近来井架的重量和井架高度的增加,斜架的初始起吊重量也在不断的增大,桅杆同主斜架的受力条件增加,现今大部分的副斜架排除以前的“滑移”工序,也采用了大翻转法进行起吊工作,这样一来,使得施工工序更加易于操作,布局更加合理。同时大幅度降低了原料使用成本和施工人员的投入量。
3.2 大型主牵硷地锚
硷地锚因为体积较小,不需要较大的施工场地,因而得到了广泛的推广。但硷地锚的一次性投入相对较高。而传统的桩锚方式虽然投资小,但需要占用大量的场地,且受地质条件的局限。
3.3 复式平衡系统
传统的主提升稳车在吊重负荷不大的情况下,一般采用两台来实现作业。但随着吊重的不断增大,提升绳跑头力远远超过了稳车的核定使用功率,这就需要提供四台提升稳车来实现吊重作业,而四台稳车很难进行一致的提速,这样就造成了两付桅杆的受力不均,进而影响到整个提升系统的安全性,通过采用复式平衡系统对任意几台稳车的速度偏差进行平衡作用,大大的提高了各个部位的均衡受力和系统稳定性。
3.4 后仰桅杆
在对主斜架进行竖立的作业中需要考虑到主斜架的结构、受力状况以及相对于桅杆的位置,通常在设计操作过程中,通过对后仰桅杆的控制将主斜架竖立到设计的角度。在主斜架和桅杆的竖立过程中,后仰桅杆可以提供一个相对稳定的提升状态。
3.5 大提升系统
A式箱型钢井架具有结构断面大的特点,通过使用大吨位的滑车少点起吊法来适应这种结构变化,使用抗拉强度较高的大直径钢丝绳以及设集中吊点能够大大的简化提吊系统。相对于传统小吨位滑车起吊受力好,穿绳复杂的优势,大提升系统具有受力集中,故障少、工作量少的优点在煤矿井架安装过程中也应用较为广泛。
3.6 铰链索挂
井架主体在进行组装施工的过程中,根据工地现场情况用预先准备的翻转铰链对主斜架同各平台之间进行葫芦索挂,然后在主斜架起吊的初始阶段将其吊起打开,并通过控制人员与机械设备和葫芦倒链之间的配合来进行位置校正。铰链索挂实现了缩短工期的作用,且操作方式简便、节约大量人力。并且通过铰链的定位作用,确保了一些特殊结构梁及平台的几何尺寸。(见图2)
4 安装的注意事项
由于箱型钢结构井架质量重、体型大的特点,因而在施工建设过程中要设置必要的安全停靠装置,有的工况条件下必须采用断绳保护装置。停靠装置的使用也要有相关的标准,要保证可靠地大罐自重承载能力,同时要满足在核定负载条件下对相关人员和建设物料的承载作用。当大罐在空中悬挂和断绳等情况下,停靠装置要有足够的承载能力将大罐停止在箱型钢结构的井架上。当完成对箱型钢结构的施工作业后,要对支撑面进行填平处理,以免各支撑点的受力不均造成地面沉陷现象,导致井架不稳;同时在柱脚板下预留空间,以防不均匀下沉时安装大型千斤顶调整标高。
井架的相关作业人员在上岗之前必须要进行相关的高空作业培训工作才能够进行对煤矿井架的安装作业。要实行持证上岗,箱型钢井架需要进行多次的安全检测以确保其安全可靠性。对于绞车司机来说,也必须实行持证上岗作业,并对每一位绞车司机制定相关的检查安装驾驶档案。
5 箱型钢结构工艺的特点总结
在对箱型井架进行安装的过程中,对于安装方案选择是确保安装过程安全高效进行的关键。同时,制定出合理的施工方案,确保施工过程中的有条不紊,对于施工过程的安全性、节约施工时间及提高施工质量等方面都具有积极的意义。
在对井架进行吊装作业中,要充分利用单位已有的各项资源,包括符合安全规则的的机具索具等。以及对各类机械设备的应用,例如对于平衡滑车的使用,不仅能够解决系统多组复式滑车间的受力不均的问题,同时还能够确保桅杆、井架的平衡受力。这样不仅节约了大量的建设成本,同时在对吊装的初期准备工作过程中可以做到有的放矢,掌握作业的主动权。
对于新工艺和新技术的使用能够大大改善箱型钢井架安装过程中的的安全性和提高工作效率。如对于吊耳及铰链等采取新的施工工艺,刚性吊耳和销轴在起吊过程中的应用,能够有效的解决绳套捆绑发生滑动、死弯以及折断等问题。通过卸扣和销轴与滑车之间进行连接,不仅能够节省机具索具的使用,还能够确定井架竖起后各部位的尺寸。且卸扣和销轴的装拆更为方便。使用轻轨小平车,由传统的滑动方式用滚动来代替,可以有效的降低所需要的载荷量,也在一定程度上提高了施工作业的平稳性。
摘要：箱形钢井架具有较高的提升能力,较好的受力状况,因而在煤炭行业中获得了较为广泛的应用。但箱形钢井架结构复杂,质量大,因而在安装过程中也存在一定的难度。本文首先对箱型钢的结构特点进行了详细描述,然后以煤矿井架安装过程中基本A式钢井架进行了重点分析,最后对于安装过程中存在的注意事项和安装工艺特点进行了总结,希望本文能够对煤矿井架安装中箱形钢结构工艺提供一个理论依据和实践指导作用。
关键词：箱型钢结构,井架安装,A式钢井架
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石油钻机井架结构可靠性分析 篇6
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
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海洋钢结构井架 篇7
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。
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