石油钻机井架动态响应研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：201321202020河北工业大学硕士学位论文石油钻机井架动态响应研究论文作者：李万昊学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：段国林职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringSTUDYONTHEDYNAMICRESPONSEOFDRILLINGRIGDERRICKSbyLiWanhaoSupervisor:Prof.DuanGuolinMay2016摘要石油钻机井架是钻机井架系统中重要的组成部分，

2、在钻井作业过程中，井架是悬挂游车、大钩、天车、工作梯等设备的安装部位，是整个系统中结构制造最难、设计要求最高的部分，同时钻机井架结构的工作环境相对于一般钢架结构复杂恶劣。井架结构所承受的载荷只有自身重量为静载荷，其它载荷都是动载荷,而某公司通常采用经验和等效静力相结合的方法来设计井架结构，其仅能满足井架结构设计的基本要求，但往往导致结构重量增大，设计成本增加等。所以开展钻机井架动态响应研究对井架结构设计更准确和安全评估更合理具有重大意义。本文针对该公司石油钻机井架产品，利用ANSYS软件进行了动态响应研究，主要取得了下列研究成果：（1）对钻机井架结构承受的载荷工况进行了分析。通过现场考察及查

3、阅文献确定了该钻机井架系统进行有限元计算时的实际载荷工况，并且将载荷工况系统化，为该系统进行静力分析、动态分析及结构优化等有限元分析奠定了基础。（2）对钻机井架结构的模态及谐响应进行了分析。模态分析主要得到井架系统的固有频率和主振型，谐响应通过进行频率范围分析，得到钻机井架系统在固有频率附近简谐载荷作用下的响应。结果表明：钻机井架结构的2阶固有频率易发生共振，但可调节钻机转速来避免；模态与谐响应的分析结果与钻机井架系统实际工作情况一致，说明分析是正确的，为钻机井架系统选取配套钻机、故障诊断、预报、改进和动力特性优化等提供了参考依据。（3）对钻机井架结构的瞬态响应进行了分析。在模态分析的基础上

4、选择有限元参数、施加边界条件，分别研究了钻机井架结构在冲击钩载情况下和冲击钩载与风载荷耦合情况下的瞬态响应分析。结果表明：钻机井架结构设计满足美国API_4F标准要求；有风载荷的情况下，钻机井架整体结构振动更剧烈，而是否有风载荷，钻机井架结构在y方向始终是承受压力，而在z方向始终承受拉力。运用实际动载荷对钻机井架系统进行瞬态分析为钻机井架结构设计以及安全评估提供了参考依据。（4）对钻机井架结构的地震谱响应进行了分析。在模态分析的基础上对钻机井架结构系统进行了地震谱响应分析。结果表明：钻机井架结构在地震激励作用下谱响应值变化合理，符合美国API_4F标准要求，为石油钻机井架系统的抗震理论研究和

5、工程设计提供了参考依据。关键词：载荷工况模态分析谐响应分析瞬态分析地震谱分析IABSTRACTDrillingrigderrickisanimportantpartoftherigderricksystem.Intheprocessofdrilling,therigderrickistheequipmentinstallationpartofhangingblock,hook,crownblockandjobladder,whichisthemostdifficultinthestructuralfabricationandthehighestinthedesignrequirementsi

6、nthewholesystemstructure.Atthesametime,drillingrigderrick’sworkingenvironmentismorecomplexrelativetothegeneralsteelstructure.Amongalltheloadswhichthederrickstructurebears,onlyitsweightontheloadisstaticwithotherloadsdynamic.Acompanyusuallyadoptsthemethodtocombineexperienceandtheequivalentstatictodes

7、ignthederrickstructure,whichcansatisfythebasicrequirementofthederrickstructuredesign,whereasitoftenleadstothestructuralweightanddesigncostincrease.Sotheresearchonthedynamicresponsesofthedrillingrigderrickwh