bop吊梁的设计及强度校核
摘 要摘 要在海洋平台的建造过程中，防喷器作为安全生产和井控装置的重要部件，对钻井、修井、试油等运转过程中井口压力的良好控制，作为防止井喷的最后一道关卡，保证其吊装的方便和安装顺利也就成为吊梁设计的一个课题。吊梁在生活中比较常见，各种吊具的结构并非一致，然而吊梁是其中不可或缺的一部分，本文主要探讨防喷器吊梁的设计方法。为了确保吊梁系统的安全性、可靠性和经济性，前期的优化设计和强度计算分析起着至关重要的作用。由于吊梁设计形状不规则，计算工作量大，安全系数不能准确确定，人工计算精度低，故本文利用Femap有限元软件在各种工况下对吊梁结构进行强度校核，并对其计算结果进行分析，结构设计上参考分析结果，并参照吊梁设计规范对结构采取最优设计。关键词：防喷器；吊梁；有限元分析目 录
第1章 绪论 1
1.1 防喷器使用现状 1
1.2 电动葫芦吊简介 4
1.2.1 电动葫芦的现状与用途 4
1.2.2 电动葫芦主要结构 6
1.3 防喷器安装系统简介 7
1.3.1 防喷器组井口安装技术背景 7
1.3.2 国内外钻井防喷器快速安装技术发展情况 7
1.4 本文研究主要内容 9
第2章 防喷器吊梁的设计 10
2.1 吊梁强度 10
2.1.1吊梁的强度分析 10
2.1.2吊梁剪力和弯矩的分析方法 10
2.1.3提高吊梁强度的方法 10
2.2 吊梁刚度 10
2.2.1吊梁刚度分析 10
2.2.2吊梁变形的分析方法 11
2.2.3提高吊梁刚度的方法 11
2.3 吊梁稳性 11
2.3.1吊梁稳性分析 11
2.3.2提高吊梁稳定性的方法 11
第3章 防喷器吊梁设计技术方案 12
3.1 防喷器吊梁总体设计方案 12
3.2 设计和图纸绘制步骤 13
第4章 防喷器吊梁的有限元分析 14
4.1 Femap软件介绍 14
4.2 BOP吊梁有限元模型的建立 15
第5章
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
梁稳性分析 11
2.3.2提高吊梁稳定性的方法 11
第3章 防喷器吊梁设计技术方案 12
3.1 防喷器吊梁总体设计方案 12
3.2 设计和图纸绘制步骤 13
第4章 防喷器吊梁的有限元分析 14
4.1 Femap软件介绍 14
4.2 BOP吊梁有限元模型的建立 15
第5章 吊梁结构分析 17
5.1 眼板和销的强度校核 17
5.1.1 眼板和销上的载荷 17
5.1.2 眼板和销的强度校核 17
5.1.3 悬臂上的眼板 17
5.1.4 可移动吊梁上的眼板 20
5.1.5 销孔应力校核 23
5.2 吊梁强度校核 24
5.2.1 设计标准 24
5.3 有限元模型描述 26
5.3.1 坐标系 26
5.3.2 有限元模型的单位系统和元素类型 26
5.3.3 结构尺寸和材料 26
5.3.4 边界条件 27
5.4 设计载荷 27
5.4.1 重力载荷 27
5.4.2 甲板活载 27
5.4.3 设备载荷 27
5.4.4 功能载荷 28
5.5 载荷状况 28
5.6 分析结果 30
5.7 附录 31
结 语 46
致 谢 47
参 考 文 献 48
绪论
防喷器使用现状
作为井控的核心装备，防喷器在控制井口压力，在实现钻井的平衡和欠压补齐方面有重要的作用，能够有效的提高钻探速度和钻探质量。在作业过程中，操作人员根据即时的钻探情况判断是否关井，一旦有溢流、井涌、井喷等情况发生，需要立刻启动关井设备，降低损失和环境破坏。
在石油天然气勘探开发中,地层流体(油、气、水) 一旦失去控制, 就会导致井喷失控, 造成钻井设备损坏, 危及钻井人员安全、破坏油气资源、污染自然环境、导致油气井报废等严重后果。[1]当一种包含高压流体的地下构造被刺穿时，流体的局部压力可能会完全超过位于它上面的泥浆的液压头或水压头。这样就会发生井涌并且最终导致来自于井环的钻井泥浆的井喷。防喷器作为及时发现和控制溢流，防止井喷，避免油气资源浪费，保护设备及人身安全的井控装置中的关键部件，对钻井、修井、试油等整个钻井工程作业过程中控制井口压力，防止井喷事故，起着非常重要的作用。因此，国内外石油界对其给以高度重视。美国内政部地质调查局根据联邦法律的授权，制定了钻井承包商必须安装使用防喷器等井控装备一系列有关井控的法规，我国也很重视井控设备的研制与使用。现代钻井工艺对井控设备的要求已从单一的静态指标转为使用过程的动态性能，即要求使用安全可靠、开关迅速灵活、多功能、耐高压、结构轻便、环境适应性强。
防喷器系统经历了三个发展阶段：第一阶段为手动闸板防喷器；第二阶段为液压闸板防喷器和环形防喷器；第三阶段仍为液压防喷器，以高压、大通径、可变径和不断完善的结构为主要特征。现在国外正在开发完善第四代产品即井下防喷器。[2]手动防喷器结构简单、成本低、耐压低。液压防喷器操作简单、较为安全可靠，是正在完善与提高的一类井口防喷装置。但是目前仍然存在安全性较差的问题，特别是必须借助于操作人员的责任心来保证钻井工作的安全，在保证安全生产上 具有较大的不确定性。目前国内外井控防喷器的类型：
（1）闸板防喷器 主要由壳体、闸板、油缸总成、铰链部分、二次密封装置、手控总成等组成。
（2）环形防喷器 类型有锥形胶芯环形防喷器、球形胶芯环形防喷器、组合胶芯环形防喷器
（3）旋转防喷器 它是欠平衡钻井专用井控设备（又称旋转放喷头，或旋转控制头），由底座、液压卡框、大直径高压密封组件、现场测试装置、高压动密封旋转轴承总成等组成。
（4）钻具内防喷器装置 包括放钻杆上，下旋塞、放钻杆防护阀、钻具回压阀。
欠平衡钻井技术是今后发展的趋势, 意味着旋转控制头（RCH）的大力发展。国外防喷器经过八十几年的发展，目前已经发展成规格齐全、功能较完善的系列产品。目前，世界上生产井控设备的国家主要有：美国、原苏联、罗马尼亚等．主要厂家有：美国的欧福尔(SHAFFER)公司、海德里（HYDRIL)公司． 卡麦隆(CAMERON)公司、库麦(KOOMEY)公司、麦克沃衣(MCEVOY)公司、罗马尼亚的鲁耶什蒂“五一”厂等．美国研制生产防喷器的时间最长，产品种类数量最多，技术上也处于领先地位，代表了当今世界的先进水平。美国有Cameron,Shaffer和Hydril三家公司生产防喷器。
我国防喷器的研制开始于1974年，经过30多年的发展，开始初步建立了自己的防喷器制造业。我国的防喷器在采用先进标准、光弹性应力分析、三维有限元计算、优化设计、新产品样机壳体进行应力应变电测及产品的互换性、可靠性等方面均有较大的发展和进步．与国外产品在技术性能上的差距正日益缩小，在向
第1章 绪论 1
1.1 防喷器使用现状 1
1.2 电动葫芦吊简介 4
1.2.1 电动葫芦的现状与用途 4
1.2.2 电动葫芦主要结构 6
1.3 防喷器安装系统简介 7
1.3.1 防喷器组井口安装技术背景 7
1.3.2 国内外钻井防喷器快速安装技术发展情况 7
1.4 本文研究主要内容 9
第2章 防喷器吊梁的设计 10
2.1 吊梁强度 10
2.1.1吊梁的强度分析 10
2.1.2吊梁剪力和弯矩的分析方法 10
2.1.3提高吊梁强度的方法 10
2.2 吊梁刚度 10
2.2.1吊梁刚度分析 10
2.2.2吊梁变形的分析方法 11
2.2.3提高吊梁刚度的方法 11
2.3 吊梁稳性 11
2.3.1吊梁稳性分析 11
2.3.2提高吊梁稳定性的方法 11
第3章 防喷器吊梁设计技术方案 12
3.1 防喷器吊梁总体设计方案 12
3.2 设计和图纸绘制步骤 13
第4章 防喷器吊梁的有限元分析 14
4.1 Femap软件介绍 14
4.2 BOP吊梁有限元模型的建立 15
第5章
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
梁稳性分析 11
2.3.2提高吊梁稳定性的方法 11
第3章 防喷器吊梁设计技术方案 12
3.1 防喷器吊梁总体设计方案 12
3.2 设计和图纸绘制步骤 13
第4章 防喷器吊梁的有限元分析 14
4.1 Femap软件介绍 14
4.2 BOP吊梁有限元模型的建立 15
第5章 吊梁结构分析 17
5.1 眼板和销的强度校核 17
5.1.1 眼板和销上的载荷 17
5.1.2 眼板和销的强度校核 17
5.1.3 悬臂上的眼板 17
5.1.4 可移动吊梁上的眼板 20
5.1.5 销孔应力校核 23
5.2 吊梁强度校核 24
5.2.1 设计标准 24
5.3 有限元模型描述 26
5.3.1 坐标系 26
5.3.2 有限元模型的单位系统和元素类型 26
5.3.3 结构尺寸和材料 26
5.3.4 边界条件 27
5.4 设计载荷 27
5.4.1 重力载荷 27
5.4.2 甲板活载 27
5.4.3 设备载荷 27
5.4.4 功能载荷 28
5.5 载荷状况 28
5.6 分析结果 30
5.7 附录 31
结 语 46
致 谢 47
参 考 文 献 48
绪论
防喷器使用现状
作为井控的核心装备，防喷器在控制井口压力，在实现钻井的平衡和欠压补齐方面有重要的作用，能够有效的提高钻探速度和钻探质量。在作业过程中，操作人员根据即时的钻探情况判断是否关井，一旦有溢流、井涌、井喷等情况发生，需要立刻启动关井设备，降低损失和环境破坏。
在石油天然气勘探开发中,地层流体(油、气、水) 一旦失去控制, 就会导致井喷失控, 造成钻井设备损坏, 危及钻井人员安全、破坏油气资源、污染自然环境、导致油气井报废等严重后果。[1]当一种包含高压流体的地下构造被刺穿时，流体的局部压力可能会完全超过位于它上面的泥浆的液压头或水压头。这样就会发生井涌并且最终导致来自于井环的钻井泥浆的井喷。防喷器作为及时发现和控制溢流，防止井喷，避免油气资源浪费，保护设备及人身安全的井控装置中的关键部件，对钻井、修井、试油等整个钻井工程作业过程中控制井口压力，防止井喷事故，起着非常重要的作用。因此，国内外石油界对其给以高度重视。美国内政部地质调查局根据联邦法律的授权，制定了钻井承包商必须安装使用防喷器等井控装备一系列有关井控的法规，我国也很重视井控设备的研制与使用。现代钻井工艺对井控设备的要求已从单一的静态指标转为使用过程的动态性能，即要求使用安全可靠、开关迅速灵活、多功能、耐高压、结构轻便、环境适应性强。
防喷器系统经历了三个发展阶段：第一阶段为手动闸板防喷器；第二阶段为液压闸板防喷器和环形防喷器；第三阶段仍为液压防喷器，以高压、大通径、可变径和不断完善的结构为主要特征。现在国外正在开发完善第四代产品即井下防喷器。[2]手动防喷器结构简单、成本低、耐压低。液压防喷器操作简单、较为安全可靠，是正在完善与提高的一类井口防喷装置。但是目前仍然存在安全性较差的问题，特别是必须借助于操作人员的责任心来保证钻井工作的安全，在保证安全生产上 具有较大的不确定性。目前国内外井控防喷器的类型：
（1）闸板防喷器 主要由壳体、闸板、油缸总成、铰链部分、二次密封装置、手控总成等组成。
（2）环形防喷器 类型有锥形胶芯环形防喷器、球形胶芯环形防喷器、组合胶芯环形防喷器
（3）旋转防喷器 它是欠平衡钻井专用井控设备（又称旋转放喷头，或旋转控制头），由底座、液压卡框、大直径高压密封组件、现场测试装置、高压动密封旋转轴承总成等组成。
（4）钻具内防喷器装置 包括放钻杆上，下旋塞、放钻杆防护阀、钻具回压阀。
欠平衡钻井技术是今后发展的趋势, 意味着旋转控制头（RCH）的大力发展。国外防喷器经过八十几年的发展，目前已经发展成规格齐全、功能较完善的系列产品。目前，世界上生产井控设备的国家主要有：美国、原苏联、罗马尼亚等．主要厂家有：美国的欧福尔(SHAFFER)公司、海德里（HYDRIL)公司． 卡麦隆(CAMERON)公司、库麦(KOOMEY)公司、麦克沃衣(MCEVOY)公司、罗马尼亚的鲁耶什蒂“五一”厂等．美国研制生产防喷器的时间最长，产品种类数量最多，技术上也处于领先地位，代表了当今世界的先进水平。美国有Cameron,Shaffer和Hydril三家公司生产防喷器。
我国防喷器的研制开始于1974年，经过30多年的发展，开始初步建立了自己的防喷器制造业。我国的防喷器在采用先进标准、光弹性应力分析、三维有限元计算、优化设计、新产品样机壳体进行应力应变电测及产品的互换性、可靠性等方面均有较大的发展和进步．与国外产品在技术性能上的差距正日益缩小，在向
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