70D整移钻机底座基础设计

JIANGHANPETROLEUMSCIENCEANDTECHNOLOGYJun.201970D整移钻机底座基础设计

张秋浩

（中国石化四机石油机械有限公司，湖北荆州434000）

摘

要：随着经济的发展，人们对能源的需求不断增加，各石油公司纷纷增大开采力度，加大了对石油钻

井设备的需求量，尤其是快速移运钻机，成为钻井市场发展的重点。“优、快、省和安全”始终是钻井面临的关键问题，而“快”是钻井承包商最关注的问题，他们越来越重视中深井、深井钻机的高移运性能。70D整移钻机以半拖挂移运方式为基础，详细介绍了底座模块移运过程中的重要承载件底座基础的设计要点，以期提高钻机的整体移运性能，降低移运时间，提高工作效率。

关键词：整移钻机；底座基础；强度；刚度；稳定性目前，国际石油市场竞争日益激烈。持续的低油价迫使油田降低开采成本，这就给钻井承包商造成了巨大的经济压力。钻井承包商着力从降低钻井成本，提高钻速方面下功夫：一方面采用更先进的自动化钻机实现机器代人，提高工作效率；另一方面采用钻机整移的方式，尽可能减少搬家时间，降低钻井成本。作者以半拖挂移运方式为基础，依托参与的一个沙漠整移钻机改造项目为契机，详细介绍了底座模块移运过程中，关键承载件底座基础的强度、刚度，稳定性等设计要点。

局限性，在承受较大载荷时，很难满足结构的强度和刚度要求。若一味的选用型钢梁，因为较小的截面特性参数I/W和W/A[2]，会使得结构的重量大幅度增加。为解决这一难题，工程师们多根据自己的意愿，设计不同形式的组合梁，来达到相同强度条件下减轻自重目的。最常见的一种组合梁是由一块或两块腹板和上下翼板组成的H型梁和箱型梁，本文提及的底座基础模型即为单块腹板和上下翼板组成的H型钢模型。

2强度设计

在进行梁的强度验算时，通常需要考虑三方面的强度组合：正应力、剪应力以及局部压应力。

如图4所示，根据弹性理论，简支梁在受载情况下的弯曲应力由两部分组成，分别为材料力学中弯曲应力公式My/R，以及对应的修正系数。当梁的跨度大于4倍梁深时，梁最大弯曲应力只需修正My/R的1/60[4]。因此当跨度大于4倍梁深时，我们即可用材料力学解答，得到足够精度的解。在本项目中，梁的跨度远大于梁深，可以用材料力学公式（1）、（2）分别求解梁所受弯曲应力和剪应力。

（1）

作者简介：张秋浩，硕士研究生，助理工程师，现主要从事钻机设计工作。

1力学模型

底座低位状态时，底座基础主要受力来自钻台面传递的压力、立柱传递的压力和自身受到的重力。承受钻台重量的主要承载件为图1中八个公母座，耳座理论上不受力，因为制造中的一些误差，会有部分力传递至耳座上，计算时可忽略。立柱传递的压力按实际支撑条件分配到不同支撑点，根据以上分析可得底座基础单根梁的力学模型，如图2。

据此可绘出模型的剪力图与弯矩图。如图3所示，梁分为型钢梁和组合梁两种，由于型钢梁具有构造简单，制造方便，价格低廉等特点，常常作为工程应用的首选。但因为轧制条件的，其截面尺寸的大小和面积分布又具有

[1]

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图1底座基础图

F1=72.4KN;F2=24.7KN;F3=19.8KN;F4=23.4KN;F5=392.8KN;F6=381.5KN;F7=192.8KN;F8=143.6KN图2底座基础单根梁力学模型

图3Fs剪力图

图4M弯矩图

（2）

式中：

δ-腹板厚度。

在井架与底座结构中，当梁类构件由主梁和次梁组成时，次梁施加在主梁上的力为集中载荷，另一种情况下，在梁类构件和柱类构件连接处，相当于在支承处给梁施加了一集中载荷，此时需要计算梁的局部压应力[3]。

值得一提的是，在有限元分析中，当采用板壳单元和实体单元计算时，在集中载荷处常常出

M-结构在此处受到的弯矩；W-结构在受力点的截面抗弯模量；Q-梁的最大剪力；S-梁截面最大面积矩；I-梁截面惯性矩；

第2期张秋浩：70D整移钻机底座基础设计

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现异常高的应力数值，这是因为在弹性理论中，集中力作用在半平面上的应力表达式为[4]：

（3）

当ρ足够小时，可得到无穷大的应力值。实际上，当最大的σρ超过材料的比例极限时，弹性理式就已经不再适用，得到的自然是虚假的结果。但根据圣维南定理，在离开集中力较远位置，所得结果是可以接受的，在后处理中更应关注集中力较远的地方的应力分布情况。而在工程应用中，为简化计算，常用式（4）求解平均局部压应力。

（4）

若模型同时承受较大正应力、剪切应力及局部压应力，可按式（5）计算折合应力[3]。

（5）

并满足σz≤βf，f为许用应力，β为折算应力的强度设计值增大系数。

当正应力σ与局部压应力σc异号时，取β=1.2；当正应力σ与局部压应力σc同号时，取β=1.1。

在本项目中，根据底座基础的受力特点，组合梁弯矩引起的正应力，远远大于剪切应力及局部压应力，为简化计算，取弯矩引起的正应力作为梁设计的主要依据。改造前梁截面参数为H1210×300×35×30，材料为Q345。

梁截面抗弯模量W=1.72×10-2m3，而根据前文求得的弯矩图，梁所需截面抗弯模量W≥M/σs÷1.67)=2.1×10-2m3。若想满足强度要求，至少还应增加约20%的截面特性，为此可以尝试在上翼板焊接腹板和翼板，首先按原腹板、翼板厚度加高原高度1/5，截面模型如图5。当截面变为横向非对称时，中性层将偏离截面形心，因此欲求得合适的梁高，需不断尝试，直至找到合适的高度。

当梁原始曲率等于零，弯曲变形不大时，中性层与弯曲件的重心相重合[5]。

据此求得当增加230m高时，改造后的截面抗弯模量W=2.27×10-2m3，满足强度要求。经逐步尝试，当增加高度超过150m时，都可以满足强度要

图5改造后梁截面图

求。本项目中，考虑到别的因素，最终取梁高增加

200m。

3刚度设计

钻机底座基础属于变截面梁，在求解梁的挠度时，需要同时用到积分法和叠加法。在用积分法求解变截面梁的挠度时，对梁进行适当的分段，往往能取得事半功倍的效果，如图6所示变截面梁。

首先取AC段作为积分段，得出C点转角与挠度，分别为：

（6）（7）

再以CB段作为积分段，得出CB段挠度，方程

为：（8）

由边界条件x2=2a时，ω=0得出：

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图6变截面梁示意图

（9）

以此方法分别求出在各力作用下，梁的挠度方程。再应用叠加原理，最后求出改造后的梁最大挠度，满足设计要求。

本项目中，梁的自由长度即为整个跨度。为保证梁的整体稳定性，以梁的薄弱截面计算。由此计算得出长细比λy=50.7，进而得出整体稳定系数φb=0.984。

（11）

改造后的梁满足整体稳定性。

4稳定性设计

梁的稳定性分为整体稳定性和局部稳定性，局部稳定性设计加筋肋布置原则，已在《钢结构设计规范》中详细规定，只需按此布置加筋肋即可满足局部稳定性。这里主要阐述整体稳定性的设计要点。

截面高而窄的大跨度开口截面梁，在大刚度面内承受横向平面弯曲，当外载荷足够大时，承载梁将处于不稳定状态，微小的侧向干扰力即可导致梁的侧向扭曲，这种现象称为梁的整体失稳。梁作为结构件的主要承载件，当发生失稳时，将发生严重的工程事故。为避免发生这种侧向失稳，我国《钢结构设计规范》4.2.1条款中明确规定了可不计算梁的整体稳定性的情况，除此外必须采用规定的方法计算梁的稳定性。

根据钻机底座基础结构特点，既不属于有铺板密铺在受压翼缘板并与其牢固相连，以阻止其侧向位移，且受压翼缘的自由长度与宽度之比超过了《钢结构设计规范》规定的比值，需要对其整体稳定性进行验算。

当梁的长细比系数可用下式计算[3]：

（10）

时，梁的整体稳定

5结论

钻井的目的是发现更多油气资源和尽量提高油气产量和采收率，快速移运钻机，可够缩短搬家时间，提高钻井效率。笔者以参与的一个改造项目实例，详细地阐述了70D整移钻机底座基础的强度、刚度、稳定性等设计要点，通过现场检验表明，该系统结构合理、性能先进，能够提高钻机的整体移运性能，降低移运时间。该改造钻机自出厂至今，已安全搬家十余次，移运距离上万米，为承包商减少了大量搬家安装时间，创造了较大的经济效益。

参考文献

[1]李廉锟.结构力学[M].第4版.高等教育出版社，2008.[2]陈玮璋.起重机械金属结构[M].人民交通出版社，1986.[3]常玉连，刘玉泉.钻井井架、底座的设计计算[M].石油工业出版社，1994.

[4]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].第4版.高等教育出版社，2014.

[5]周开华.浅谈应力中性层位置的计算[J].模具工业，1985，(4):1-2.

（编辑王茜）