API 4F钻井和修井结构规范

API 规范4F 钻井和修井结构规范

表5 — 最小设计风载Vdes，m/s (节)

作业和起升 有绷绳桅杆式井架 无绷绳桅杆式井架 塔形井架 12.7(25) 16.5(32) 16.5(32) 陆上 非预期 30.7(60) 30.7(60) 30.7(60) 预期 38.6(75) 38.6(75) 38.6(75) 作业和起升 21.6(42) 21.6(42) 24.7(48) 海洋 非预期 36(70) 36(70) 36(70) 预期 47.8(93) 47.8(93) 47.8(93) 8.3.1.3海上风

作业、安装和运输环境下的设计参考风速Vref应按照买方的规定。

对于预期风的设计环境，海上钻井结构的Vref应从ISO 19901-1获得，但墨西哥湾所用结构的预期风速应从API 2INT-MET获得。该值应为3秒阵风，单位：节 (1.15英里/小时=1节=0.514m/s)，在开阔水面10 m（33ft）高度处测量，相应重现期100年。对于这些规范没有明确涵盖的地区，Vref应从原始资料获得，例如从公认的权威机构或政府气象部门获得，或者可以采用符合ISO指南的现场特定研究。

对于非预期风条件，立根可能排放在钻井井架中，除非在预期风暴情况之前，风暴警报系统和钻机作业程序允许有足够的时间下放立根，非预期风Vref应为预期风暴Vref的100%。在墨西哥湾，非预期风条件的Vref风速应不小于40.1m/s（78节）。对于其他热带风暴地区，可以采用符合ISO指南的现场特定研究来确定非预期风条件的Vref。该值应为3秒阵风，单位：m/s（节），在开阔水面10 m（33ft）高度处测量，相应重现期100年，因为那些风暴形成和加强的速度所允许的报警足以满足全部立根安全下放所要求的作业时限。

对于每一种风环境，各种结构安全级别（SSL）的最大额定设计风速Vdes，是通过设计参考风速Vref乘以表4中所列的海上系数α海来确定，但不小于表5中的规定：

Vdes = Vref X α海

在所有情况下，风向可来自任何方位。8.3.1.4中论述的方法可用于在设计中确定当地的风速。

8.3.1.4当地风速

采用表3和表4计算的最大额定设计风速Vdes，要乘以适当的高度系数β，以获得按8.3.3估算风力所用的当地风速。

Vz=Vdes× β

式中：

β — 高度不超过4.6m（15ft）时0.85；

0.211(2.01?(z/900)β — 高度大于4.6m（15ft）时为，z = 地平面或平均海平面之

上的高度（ft）；

β — 列于表6。

本标准为翻译稿，仅供使用人员阅读原文时参考，不作为设计、制造、检验的依据。使用者应以英文原文为准。

11

API 规范4F 钻井和修井结构规范

表6 — 高度系数β，位置：全部a b 在地面或MSL之上的高度(m) 0 ~ 4.6 6 7.6 9 12.2 15.2 18.3 21.3 24.4 27.4 30.5 36.6 42.7 48.8 54.9 61 76.2 91.4 106.7 121.9 137.2 152.4 ab在地面或MSL之上的高度 (ft) 0 ~ 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 250 300 350 400 450 500 高度系数 0.92 0.95 0.97 0.99 1.02 1.05 1.07 1.08 1.10 1.11 1.12 1.15 1.17 1.18 1.20 1.21 1.24 1.26 1.28 1.30 1.32 1.33 可接受高度中间值的线性内插值。 在10 m（33 ft）数值等于1.00。 8.3.2 风载

除了正好在挡风墙前面或后面的结构可以不包括外，风力应施加在整个结构上。风面积的计算应包括所有已有的或预期的结构和附件，例如设备、挡风墙以及安装或附属于钻井结构上的附件。结构上的总风力应按照8.3.3所述的方法估计。

制造商在钻机手册中，应包括设计中被用于无遮蔽投影面积所有零部件清单。该清单应包括至少两个相互垂直方向的面积。此外，制造商应说明面积总和，以及面积沿选择方向在所讨论的钻井结构底座附近的一阶矩。为了计算风面积的一阶矩，游动设备的位置应假定在结构距底座净高的0.7倍处。 8.3.3 逐件法 8.3.3.1 总则

结构上的总风力应通过单个构件和附件上作用的风力的向量总和估计。必须考虑和确定对结构上的每个零部件会产生最大应力的风向。应根据下列公式和表计算各种设计风速的风力：

Fm=0.00338×Ki×Vz2×Cs×A

本标准为翻译稿，仅供使用人员阅读原文时参考，不作为设计、制造、检验的依据。使用者应以英文原文为准。

12

API 规范4F 钻井和修井结构规范

Ft=Gf×Ksh×ΣFm

式中：

Fm — 垂直于个别构件纵轴、或挡风墙表面、或附件投影面积的风力，lb； Ki — 考虑个别构件纵轴与风之间倾角φ的系数；

1.0，当风向垂直于构件（φ=90°），或对于附件，包括挡风墙； sin2φ，按8.3.3.3，当风与个别构件的纵轴成角度φ，单位：度（°）；

Vz — 按8.3.1.4计算的在高度z的当地风速，单位：节； Cs — 按8.3.3.5计算的形状系数；

A — 按8.3.3.6计算的单个构件的投影面积，等于构件长度乘其相对于风法向分量

的投影宽度，或挡风墙的垂直表面积，或按8.3.3.7计算的附件而非挡风墙的投影面积，ft2； Ft — 作用在整个钻井结构的每个个别构件或附件上风力的向量和乘以系数Gf和

Ksh。Ft不应小于裸钻井结构每个单个构件计算风力的向量和；

Gf — 按8.3.3.4考虑空间相干性的阵风作用系数；

Ksh — 按8.3.3.2考虑构件或附件全部遮蔽和构件或附件端部周围气流变化的换算系

数；

设计人员应考虑到整个钻井结构上的遮蔽是不均匀的，而且任何个别构件或局部的构件总成可能没有遮蔽。这种考虑应形成文件。设计人员至少应采用全风载Ft分析的构件力和由于构件本身或未遮蔽的局部构件总成而产生的构件附加超载计算个别构件的相互作用比率。未遮蔽的构件上的附加载荷计算如下：

Fm × (1 – Ksh × Gf)

8.3.3.2 遮蔽与纵横比校正系数

校正系数Ksh用于计算全部遮蔽的影响和构件或附件端部周围气流的变化。仅当计算Ft时，才应采取Ksh。

对于塔形井架，Ksh的计算基于实积比ρ，适用于塔形井架框架内的所有构件。

Ksh=1.11ρ2－1.64ρ＋1.14

0.5 ≤ Ksh ≤ 1.0

当计算构件的Ksh时，实积比ρ规定为裸框架前面所有构件的投影面积除以由框架外部构件封闭的投影面积，投影垂直于风向。

当计算塔形井架其他零部件的全部遮蔽影响时，包括但不限于挡风墙、立根盒、导轨、天车、排放管、顶驱和人字架，Ksh应等于0.85。

对于桅杆式井架，在所有风向下，所有的构件或附件的遮蔽与纵横比校正系数Ksh应为0.9。 8.3.3.3 构件倾角

倾角φ规定为构件纵轴与风向之间的夹角，单位：度（°）（见图1）。

本标准为翻译稿，仅供使用人员阅读原文时参考，不作为设计、制造、检验的依据。使用者应以英文原文为准。

13

API 规范4F 钻井和修井结构规范

图1—构件倾角

构件方位角θ规定为垂直于纵轴作用的风的分量与构件主轴之间的角度（单位度），主轴垂直于纵轴（法向）。角θ所在的平面垂直于纵轴（法向），用于按8.3.3.5选择形状系数。对于挡风墙，Ki等于1.0。 8.3.3.4 阵风作用系数

应采用表7所列的阵风作用系数。应基于钻井桅杆式井架或塔形井架总投影面积选择Gf，该面积规定为投影垂直于风向的框架外部构件包含的投影面积。仅当计算结构上作用的总风力时，才采用Gf。当计算单个构件或附件上用的风力时，不施加Gf。

表7 — 阵风作用系数

总投影面积（m） ＞65 37.2 ~ 65 9.3 ~ 37.1 ＜9.3 2总投影面积（ft） ＞700 400 ~700 100 ~ 399 ＜100 2系数 0.85 0.90 0.95 1.00 8.3.3.5 构件或附件形状系数

表8提供了各种典型的形状系数。

在部分结构中，大量构件非常靠近，例如在钻台总成内，逐件法将高估总成上的风力。在这种范围内，该总成可以采用相应形状系数为1.5的封闭区域予以代替。 8.3.3.6 构件投影面积

单个构件投影面积A的计算是相对于与纵轴垂直的风分量（Vzsinφ）。因此，对φ的所有数值，构件的投影面积将等于构件长度L乘以构件相对于风垂直分量的投影宽度w。此外，计算的风力将垂直作用于构件的纵轴上（即垂直于投影面积）（见图2）。

本标准为翻译稿，仅供使用人员阅读原文时参考，不作为设计、制造、检验的依据。使用者应以英文原文为准。

14