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我国钻机提升设备的强度有限元分析

发布于:2020-04-28 19:21
有限元分析

       钻机提升设备几乎包括从天车到转盘(作为结构件)之间的所有部件及其连接件。广义地讲,纹车也应属于提升设备的范畴。不过绞车的承载能力将受到钻井绳系变化的影响,并且纹车轴都是旋转的。因此,绞车不属于本文讨论的范围,在文献所列出的提升设备内容中也不包括绞车。那么,钻机提升设备在强度分析时有哪些特点呢?
       1、钻机提升设备需要进行最大钩载时的静强度有限元分析和从零到最大钻柱重量之间反复作用的疲劳强度计算。但是,钻机提升设备的最大钩载和最大钻柱重量的比值很大,美国通常可取为2-2.5倍,而我国钻机国家标准规定比值为1.7-2.1倍。由于提升设备的疲劳强度是以最大钻柱重量乘以当量系数进行计算的,而钻机最大钩载和最大钻柱重量又有很大的比值,这样就有可能通过一定的静强度安全系数来保证疲劳强度的安全,从而能充分发挥设备的静强度和疲劳强度的潜力,这就是美国钻机的提升设备需要给出很大比值的原因。众所周知,API规范中给出的设计安全系数和最大钩载与最大钻柱重量之间的比值有关,而最大钻柱重量将影响设备的疲劳强度。因此,我国钻机提升设备的强度条件也必须考虑到钻机国家标准给出的最大钩载和最大钻柱重量之间的比值。   
       2、设计安全系数只是作为一种设计标准,在任何情况下,都不意味着设备因具有安全系数而可以超载使用,那怕是由于冲击和振动等引起的附加载荷。在所有承载条件下,最大静载荷加上附加载荷的最大值,不应超过提升设备的最大钩载,即国标中给出的最大负荷额定值。   
       3、提升设备中有很多曲杆、平面开孔或带有沟槽的表面都会产生高度的应力集中,根据实验和计算,它们的局部峰值应力与截面平均应力的比值可达2.5-5.0。
       以往我国在计算吊环、大钩钩杆、天车轴、提环等零件时,都按线弹性理论,用最大钩载时危险截面的最大应力来校核静强度。由于这些零件的应力分布极不均衡,所以一点的屈服远远表明不了该零件已丧失承载能力。因此,这种计算方法不能充分发挥设备强度的潜力,而使设备重量减轻。已经知道,在钻井过程中钻机提升设备始终承受近似于脉动的变应力幅的不稳定载荷。因此,在强度分析时,当然需要进行疲劳强度计算。但需要注意,交变载荷的最大值是最大钻柱重量,而不是最大钩载。所以,钻机提升设备在计算疲劳强度时,应按最大钻柱重量乘以当量系数进行计算。取拉伸疲劳强度的安全系数为1.5,这样当Kt =2.5-5.0时,可得到为保证疲劳安全所要求受拉伸零件的静破断安全系数料,其具体计算结果见表。   
       在静强度校核方面,由于提升设备本身所要求的破断安全系数在美国规定3.0-4.0,所以建议我国静破断(抗拉)设计安全系数不应小于3.0。因此,当理论应力集中系数K小于3. 0时,该安全系数均应取3. 0;而当K大于3.0时,则该安全系数应按表中为保证疲劳安全所要求的静强度安全系数选取。综合疲劳强度和静强度两方面的要求,对我国各级钻机的不同Kt值时,其受拉伸零件的破断设计安全系数见表。


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