石油钻机井架结构可靠性分析

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1、工艺与装备石油钻机井架结构可靠性分析冯少华(胜利油田井下试油测试大队，东营257061)摘要：可靠性是石油钻机井架结构的一个重要设计指标，井架的安全性设计单纯用安全系数来保证是不够的，还应从井架的可靠性方面对井架进行评估分析。根据石油钻机工作的结构及荷载特性，建立起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栽效应随机变量的分布类型及统计参数，得到了井架可靠性指标的计算方程，提出了石油钻机井架可靠性算法的计算流程，为基于可靠性标准的我国井架结构设计和评定提供理论基础。关键词：石油钻机井架可靠性抗力效应荷载效应

2、1引言引入井架的可靠性指标B，设井架抗力R及荷载效·井架是石油钻机的重要组成部分，其结构杆件多、受应S为两个正态随机变量，则z也服从正态分布，令力复杂，且使用工况恶劣。随着复杂地质条件油气田的进(4)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。可靠性是式中：mm为抗力R的均值与标准差；R、叮为荷石油钻机井架的一个十分重要的设计指标。井架的安全载效应S的均值与标准差。性评定单纯用安全系数来作保证是不够的，还应从井架令t=(Z—mz)／盯，则t服从标准正态分布，可得井架的的可靠性

3、方面对井架进行评估分析，才能保证井架安全失效概率为：可靠使用【”。P产P{(Z-mz)／or<一pl=P{t<一pJ：(一B)(5)井架结构可靠性分析，是以安全可靠性指标和失效概即：13=(1-P，)(6)率为目标，评定所设计井架的安全性、可靠性。结构的设13的物理意义为从mz到原点(即失效状态m)的计原则是抗力R不小于荷载效应S。实际上由于抗力、荷以标准差盯为测量单位的距离(标准差的倍数，即载效应及计算模式总是存在着不定性，它们都是随机变13盯)。显然，13与Pf具有数值上一一对应关系，13值越量，因此要绝对保证R总是

4、大于S是不可能的。在一般情大，Pf就越小，结构越安全，因此13和一样，可以作为况下，抗力R还是有可能小于荷载效应S，这种可能性的度量结构可靠性的一个指标，称为结构的可靠指标。大小用概率来表示就是失效概率。依据《建筑结构设计统一标准》的规定，井架的目标2井架结构可靠性指标可靠性指标取13≥3．7。根据结构可靠性的定义，设x；(i=l，2，⋯，n)为n个相3井架结构抗力分析互独立的影响井架结构可靠度的随机变量，则井架结构井架结构抗力的随机性是由材料机械性能、几何尺寸的功能函数定义为：的变异及结构设计计算模式的不定性等引起的l

5、“】。井架Z=g(X-，X2，⋯⋯X)(1)结构构件抗力R表达式为：当用结构抗力R和荷载效应S来表示其结构功能函R=RKMFP(7)数时，则式(1)可表示为：式中，R为井架构件抗力的标准值；M为材料强度与Z=g(R，S)：R—S(2)刚度的变异；F为截面几何特性的变异；P为计算模式的其中，当Z>0时井架处于可靠状态；当Z

6、函数分别为fR(R)及(s)，而R和s的联合mR=R~KFK(8)分布密度函数是f(R，S)，由于R和S相对独立，则井架VR=、／(9)结构的失效概率为：式中，KM、V为材料强度的均值系数和变异系数；KPP【Z

7、M=K．K／Ko(10)荷载等。不考虑地震和温度的影响，井架所受的自然荷载l(-，￡(11)主要有风载。Ke--'-f,,／fK(12)风载是一种随机荷载。不但随时间变化、而且随空间式中，l(0为规范规定的反映构件与试样材料性能差位置变化。其计算公式如下：别系数；fj、￡为实际构件与试样材料性能值；fk为规范规P田=k·k·F·W(21)定的试件材料性能标准值；Ks为反映构件材料性能与试式中，l(z为高度变化系数；k为结构体型系数；F为结件材料性能差别的随机变量；l(f为反映试件材料性能不构垂直风向的投影面积；W为计算风

8、压。定性的随机变量。5井架结构可靠性计算则可得M的均值变异系数V别为：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K(13)A0变量都只用它的最初的二次矩(均值和方差来表示)。v^I=、：(14)由式(2)可得，井架的极限状态方程为：式中，nVh为K的平均值和变异系