4F 中文
钻井和修井井架、底座规范Specification for Drilling and Well Servicing Structures
API Spec 4F
2013年1月，第4版
生效日期：2013年8月1日
（内部资料注意保存）
宝鸡石油机械有限责任公司研究院
综合管理部标准室
编译小组
编辑：杨玉刚翻译：杨玉刚
李唐都校对：杨玉刚审核：孙娟批准：黄悦华
钻井和修井井架、底座规范
目 次
特别说明............................................................................III 前言.................................................................................IV
1 范围 (1)
2 规范性引用文件 (1)
3 术语和定义 (1)
4 产品规范级别 (4)
5 标志和信息 (4)
5.1 铭牌 (4)
5.2 塔形井架和桅杆式井架铭牌信息 (4)
5.3 修井机桅杆式井架铭牌信息 (5)
5.4 底座铭牌信息 (5)
5.5 天车总成铭牌信息（仅当天车总成与塔形井架一起使用时要求） (6)
6 结构安全级别 (6)
7 设计载荷 (7)
8 设计规范 (7)
8.1 许用应力 (8)
8.2 工作载荷 (8)
8.3 风载荷 (9)
8.4 动力载荷 (16)
8.5地震载荷 (16)
8.6冰载荷 (16)
8.7 安装载荷 (16)
8.8 运输载荷 (16)
8.9倾覆和滑动 (16)
8.10 设计验证 (17)
9 材料 (17)
9.1 总则 (18)
9.2 书面规范 (18)
9.3 力学性能 (18)
9.4 材料质量鉴定 (18)
9.5 材料制造 (18)
9.6 螺栓 (18)
9.7 钢丝绳 (18)
10 焊接要求 (18)
10.1 总则 (18)
10.2 焊接评定 (18)
10.3 书面文件 (18)
10.4 焊接材料的控制 (18)
10.5 焊缝性能 (19)
I
API Spec 4F
10.6 焊后热处理 (19)
10.7 质量控制要求 (19)
10.8 特定要求——补焊 (19)
11 质量控制 (19)
11.1总则 (19)
11.2 质量控制人员资格 (19)
11.3 测试设备 (19)
11.4 无损检测 (19)
11.5 尺寸验证 (20)
11.6 工艺质量和修整 (20)
11.7 采购方的检验和拒收 (20)
11.8 试验 (21)
11.9 追溯性 (21)
11.10要求确认的过程 (21)
12 文件 (22)
12.1 总则 (22)
12.2 制造商保存的文件 (22)
12.3 设备交付时的随机文件 (22)
附 录 A （规范性附录）附加要求 (24)
附 录 B （资料性附录）注解 (25)
附 录 C （资料性附录） API 会标 (33)
附 录 D （资料性附录）采购指南 (34)
参考文献 (39)
图1 构件倾角 (12)
图2 构件投影面积 (13)
表1 钻井结构设计载荷 (7)
表2 修井机桅杆式井架设计载荷 (7)
表3 陆上结构安全级别系数α陆上 (9)
表4 海上结构安全级别系数α海洋 (9)
表5 最小设计风速V des，m/s（节） (10)
表6 高度系数β，位置：所有 (11)
表7 阵风作用系数 (13)
表8 形状系数 (14)
表 A.1 小尺寸冲击试样的调整系数 (24)
II
钻井和修井井架、底座规范
特别说明
API出版物只能针对一些共性问题。有关特殊问题，宜查阅地方、州和联邦的法律法规。
API或API的任何雇员、分包商、顾问、委员会或其他受托人，均不担保也不承诺（无论明指还是暗示）本标准中所包含的信息的准确性、完整性和适用性，对于本标准中所披露的任何信息的使用及其后果，也不承担任何义务和责任。API或API的任何雇员、分包商、顾问或其他受托人，也不承诺本标准的使用不会侵犯其他人的专有权利。
任何愿意使用API出版物的人都可以任意使用。API已经尽了一切努力来保证这些出版物中所含数据的准确性与可靠性；然而，关于本标准API不做任何承诺、担保或保证，在此明确声明，由于使用本标准而造成的任何损失，或者因本标准与当地法规有冲突而造成违法，API将不承担任何义务和责任。
出版API标准是为了使公众能够更方便地获取已经证实的、良好的工程与操作惯例。但至于何时何地应当使用这些出版物，仍需要用户依据自身的实践经验而做出明智的判断。API标准的制定和出版，无意以任何方式限制任何人使用任何其他操作惯例。
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保存本文件中的任何内容或者采用电子、机械、复印、录像或者其他方式传播本文件中的任何内容。
请联系出版商美国石油学会出版业务部，地址：1220 L Street, NW, Washington, DC 20005。
版权 ? 2013美国石油学会
III
API Spec 4F
IV
前 言
API出版物中的任何内容，都不能解释为（以暗示或其他方式）赋予任何人制造、销售或使用专利
权所涵盖的任何方法、仪器或产品的权力；也不能解释为担保任何人侵犯专利权而不承担责任。
应：在标准中使用时，“应”表示符合该规范的最低要求。
宜：在标准中使用时，“宜”表示推荐或建议但并不是必需符合该规范。
本文件是按照API标准化工作程序制定的，该程序保证了制定过程的透明度和广泛参与；本文件被认定为API标准。关于本标准内容解释方面的有关问题，或者关于标准制定程序方面的看法和问题，应以书面形式提交给美国石油学会标准部主任，地址是：1220 L Street, N.W., Washington, D.C. 20005。如果需要复制或翻译本标准的全部或部分内容，也请与标准部主任联系。
通常，API标准最长每隔五年就要复审一次，复审的结果是修订、确认或撤销。该五年复审周期可以延期一次，但延期最长不超过两年。可以从API标准部查询某项出版物的状况，电话是(202) 682-8000。API每年发布出版物目录，每季度更新。
欢迎用户提出修订建议，这类建议应提交给API标准和出版部，地址是：1220 L Street, N.W., Washington, D.C. 20005，或发送电子邮件：standards@https://www.wendangku.net/doc/083933145.html,。
钻井和修井井架、底座规范
钻井和修井井架、底座规范
1 范围
本规范规定了石油工业钻井和修井作业用钢结构的要求和推荐作法，提供了统一的钢结构检定方法以及两种产品规范级别（PSL）。
本规范适用于本规范生效日期后制造的所有新的钢制塔形井架、桅杆式井架（包括绷绳桅杆式井架和修井机桅杆式井架）、底座和天车总成。
附录A规定了一些标准附加要求（SR），只有当采购方指定时才适用。附录B是关于注解的资料性附录，用来帮助理解和（或）应用本API规范。附录C是关于API会标纲要和API会标标志要求的资料性附录。附录D是关于采购指南的资料性附录，用来帮助采购方采购按本API文件要求制造的设备。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
API RP 2A-WSD 海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法工作应力设计
API Bulletin 2INT-MET 墨西哥湾飓风条件临时指南
API RP 4G 钻井和修井井架、底座的检查、维护、修理与使用的推荐作法
API Spec 8C 钻井和采油提升设备规范（PSL 1和PSL 2）
API Spec 9A 钢丝绳规范
API RP 9B 油田用钢丝绳的应用、维护和使用推荐作法
AISC 335-891）结构钢建筑物规范许用应力设计和塑性设计
ASCE/SEI 7-052）建筑物和其它结构的最低设计载荷
ASTM A3703）钢产品力学性能标准试验方法及定义
ASTM A578/A578M 特殊用途的扎制钢板直波束超声检验标准规范
AWS D1.1/D1.1M4）钢结构焊接规范
ISO 97125）无损检测人员资格鉴定与认证
ISO 19901-1第1部分海洋气象设计和运行研究
ISO 19902 海上固定钢结构
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
横摇角 angle of roll
纵摇角 angle of pitch
从垂线向一侧运动的角度。
1）美国钢结构学会，1 East Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, Illinois 60601, https://www.wendangku.net/doc/083933145.html,.
2）美国土木工程师学会，1801 Alexander Bell Drive Reston, Virginia 20191, https://www.wendangku.net/doc/083933145.html,.
3）美国材料和试验协会，100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, Pennsylvania 19428-2959, https://www.wendangku.net/doc/083933145.html,.
4）美国焊接学会，550 Northwest LeJeune Road, Box 351040, Miami, Florida 33135, https://www.wendangku.net/doc/083933145.html,.
5）国际标准化组织，1 rue de Varembé, Case postale 56, CH-1211 Geneva 20, Switzerland, https://www.wendangku.net/doc/083933145.html,.
1
API Spec 4F
3.2
附件 appurtenances
连接的但不是裸钻井结构一部分的所有零部件。
3.3
裸钻井结构 bare drilling structure
钻井结构的结构件，如适用，包括天车、天车台、天车台人字架。
3.4
关键零部件 critical component
保持结构稳定性所必需的，当结构按第7章设计载荷加载时，位于结构主载荷路径内的零部件。3.5
关键焊缝 critical weld
连接关键零部件的焊缝。
3.6
天车总成 crown block assembly
安装在塔形井架或桅杆式井架顶部的定滑轮组或其总成。
3.7
制造日期 date of manufacture
在开始制造和交付给采购方之间存在的制造商选择的日期。
3.8
塔形井架 derrick
四侧构件格构或桁构的横截面为正方形或矩形的结构塔架。
注： 它可以用或不用绷绳加固。
3.9
设计载荷 design load
结构设计承受的不超过任何构件内许用应力的力或力的组合。
3.10
设计参考风速 design reference wind velocity
V ref
在10 m (33 ft)参考高度，3秒阵风条件下的风速，单位节，用于对预期钻井位置合理周期的重现。
3.11
动力载荷 dynamic loading
因运动而在结构上施加的载荷。
3.12
起升载荷 erection load
起升和下放期间，在桅杆式井架及其支承结构或井架底座上产生的载荷。
3.13
导轨和导向小车 guide track and dollies
在各种操作期间，用来把游动设备相对于塔形井架保持在正确位置的设备。
注： 可伸缩的导向小车用于将游动设备在钻井位置与返回位置之间水平移动。
3.14
绷绳 guy line
在设计载荷条件下，给桅杆式井架提供结构和（或）横向支承，一端连接桅杆式井架总成，另一端连接在合适的锚具上的钢丝绳。
3.15
2
钻井和修井井架、底座规范
绷绳图 guying pattern
相对于井眼中心线，制造商推荐的绷绳位置及其在锚具外的距离的平面图。
3.16
塔形井架和无绷绳桅杆式井架的高度 height of derrick and mast without guy lines
从钻台顶面到天车支承梁底面的最小垂直距离。
3.17
有绷绳桅杆式井架的高度 height of mast with guy line
从地面到天车支承梁底面的最小垂直距离。
3.18
冲击载荷 impact loading
几乎瞬时改变的力所产生的载荷。
3.19
桅杆式井架 mast
横截面为矩形的前开口式格构塔架。
3.20
桅杆式井架安装距离 mast set-up distance
为了帮助钻机安装而由制造商规定的从井眼中心线到桅杆式井架结构指定点的距离。
3.21
最大额定设计风速 maximum rated design wind velocity
V des
通过陆上或海洋系数对10 m (33 ft)参考高度3秒阵风进行SSL调整之后的风速，单位节，用来计算钻井结构设计所能承受的力。
3.22
最大额定静钩载 maximum rated static hook load
游动设备重量和游动设备上施加的静载荷组成的载荷。
注： 在本标准规定的指南范围内，在规定的游车穿绳数和没有立根排放、抽油杆或风载荷的情况下，该载荷是结构可以施加的最大载荷。假定死绳锚和绞车在指定位置。
3.23
钢丝绳总成公称强度 nominal wire rope assembly strength
钢丝绳的公称强度乘以符合API 9B的端部附件的效率。
3.24
周期 period
τ
（横摇、纵摇或升沉）
一个完整循环要求的时间。
3.25
钻杆倾角 pipe lean
排放的典型钻杆立根与铅垂线的夹角。
3.26
产品规范级别 Product Specification Level
PSL
涵盖设备主承载件材料和过程控制的级别。
3.27
二层台 racking platform
3
API Spec 4F
4 位于钻台之上一定距离的平台，横向支承排放的立根的上端。
3.28
转盘额定静载荷 rated static rotary load
转盘支承梁所能支承的最大重量。
3.29
额定立根载荷 rated setback load
底座立根盒内所能支承的管材的最大重量。
3.30
抽油杆平台 rod board
抽油杆悬挂器 rod hanger
位于钻台之上一定距离的平台，用来支承抽油杆。
3.31
修井机桅杆式井架 service rig mast
设计具有额定操作值（有或没有立根排放或抽油杆）的桅杆式井架。
注： 见表2。
3.32
结构安全级别 Structural Safety Level
SSL
采购方对钻井结构的应用进行分类，以反映各种不同程度的失效结果，考虑生命安全和其它问题，例如污染、经济损失和公众关注。
3.33
底座 substructure
传递大钩载荷、转盘载荷和（或）立根载荷的任何结构。
3.34
风环境 wind environment
在给定的风载下，所要考虑的钻机结构的组合和载荷的组合。
4 产品规范级别
本标准确立了钻井和修井结构的两种PSL要求，这两种PSL规定了两种级别的技术和质量要求。这些要求反映了制造业目前普遍执行的作法。PSL 1包括制造业目前普遍执行的作法。PSL 2包括PSL 1的所有要求，以及附加要求。
5 标志和信息
5.1 铭牌
按照本标准制造的钻井和修井结构，应采用铭牌予以识别，铭牌上至少应有5.2～5.5中规定的信息，如适用，包括测量单位。标志应为凸或凹。铭牌应牢固地固定在结构的醒目位置。
5.2 塔形井架和桅杆式井架铭牌信息
注： 修井机桅杆式井架铭牌信息见5.3。
应提供下列信息：
a) 制造商名称；
b) 制造商地址；
c) 制造日期，包括年和月；
d) 编号；
e) 高度，m (ft)；
钻井和修井井架、底座规范
f) 在规定的游车绳数下，带有绷绳时（如适用）的最大额定静钩载，kN（短吨）；
g) 在平均海平面或地面之上10 m (33 ft)的参考高度，3秒阵风，带有绷绳（如适用），排放额定
容量立根时的最大额定设计风速V des，m/s（节）；
h) 在平均海平面或地面之上10 m (33 ft)参考高度，3秒阵风，带有绷绳（如适用时），不排放立
根时的最大额定设计风速V des，m/s（节）；
i) 风载设计所用的平均海平面或地面之上的塔形井架或桅杆式井架的基本高度，m (ft)；
j) API Spec 4F，第4版；
k) 制造商的绷绳图，如适用；
l) 下列字样：
注意：加速度或冲击、以及排放立根、抽油杆和风载均会降低最大额定静钩载能力。
m) 制造商的载荷分布图（可放在桅杆式井架说明书中）；
n) 在满额定立根排放和最大游车绳数下，许用静钩载与各种风速（零到最大额定设计风速V des）之间绘制的关系曲线；
o) 有绷绳桅杆式井架的安装距离，m (ft)；
p) PSL 2（如适用）；
q) 特定SR内规定的附加信息，如适用（见附录A）。
5.3 修井机桅杆式井架铭牌信息
a) 制造商名称；
b) 制造商地址；
c) 制造日期，包括年和月；
d) 编号；
e) 高度，m (ft)；
f) 在规定的游车绳数下，带有绷绳时（如适用）的最大额定静钩载，kN（短吨）；
g) 在规定的游车绳数下，带有绷绳（如适用），在桅杆式井架额定立根排放能力和最大额定抽油
杆悬挂能力（kN（短吨），（如适用））时的许用静钩载，kN（短吨）；
h) 在平均海平面或地面之上10 m (33 ft)的参考高度，3秒阵风，带有绷绳（如适用），排放额定
容量立根时的最大额定设计风速V des，m/s（节）；
i) 在平均海平面或地面之上10 m (33 ft)参考高度，3秒阵风，带有绷绳（如适用时），不排放立
根时的最大额定设计风速V des，m/s（节）；
j) 风载设计所用的平均海平面或地面之上的塔形井架或桅杆式井架的基本高度，m (ft)；
k) API Spec 4F，第4版；
l) 制造商的绷绳图，如适用；
m) 下列字样：
注意：加速度或冲击、以及排放立根、抽油杆和风载均会降低最大额定静钩载能力。
n) 制造商的载荷分布图（可放在桅杆式井架说明书中）；
o) 在满额定立根排放、但无抽油杆和最大游车绳数下，许用静钩载与各种风速（零到最大额定设计风速V des）之间绘制的关系曲线；
p) 有绷绳桅杆式井架的安装距离，m (ft)；
q) PSL 2（如适用）；
r) 特定SR内规定的附加信息，如适用（见附录A）。
5.4 底座铭牌信息
应提供下列信息：
a) 制造商名称；
b) 制造商地址；
5
API Spec 4F
6 c) 制造日期，包括年和月；
d) 编号；
e) 最大额定静钩载，kN（短吨）；
f) 转盘最大额定静载能力，kN（短吨）；
g) 额定立根排放能力；
h) 额定静钩载和额定立根排放的最大组合能力，kN（短吨）；
i) 转盘额定静载和额定立根排放的最大组合能力，kN（短吨）；
j) 以下方面的内容适用于支承塔形井架或桅杆式井架的底座：
—— 最大额定设计风速V des，m/s（节），在平均海平面或地面之上10 m (33 ft)的参考高度，3秒阵风，带有绷绳（如适用），排放额定容量的立根；
—— 最大额定设计风速V des，m/s（节），在平均海平面或地面之上10 m (33 ft)的参考高度，3秒阵风，带有绷绳（如适用），不排放立根；
—— 风载设计所用的平均海平面或地面之上的底座基本高度，m (ft)；
k) API Spec 4F，第4版；
l) PSL
2（如适用）；
m) 特定SR内规定的附加信息，如适用（见附录A）。
5.5 天车总成铭牌信息（仅当天车总成与塔形井架一起使用时要求）
应提供下列信息：
a) 制造商名称；
b) 制造商地址；
c) 制造日期，包括年和月；
d) 编号；
e) 最大额定静钩载，kN（短吨）；
f) API Spec 4F，第4版；
g) PSL 2（如适用）；
h) 特定SR内规定的附加信息，如适用（见附录A）。
6 结构安全级别
钻井结构按照其SSL进行鉴定。针对于每一个具体的位置，制造商和采购方协商选择预期或非预期的SSL（例如SSL E2/U1）。对于给定的SSL和位置，设计环境条件可以根据遵循的指南制定。
SSL级别反映各种不同程度的失效结果，考虑生命安全和其它有关问题，例如污染、经济损失和公众关注。它也反映期望（预期或非预期）的环境事件。下面的矩阵中给出了这些SSL。每个结构有两个SSL，第一个是预期环境事件，第二个是非预期环境事件（例如SSL E2/U1）。
其它问题
（污染、经济损失和公众关注等）
生命安全
高中低高 E1或U1 E1或U1 E1或U1
中 E1或U1 E2或U2 E2或U2
低 E1或U1 E2或U2 E3或U3
结构安全级别E1或U1——用于高失效结果的结构。
结构安全级别E2或U2——用于中失效结果的结构。
结构安全级别E3或U3——用于低失效结果的结构。
钻井和修井井架、底座规范
7
前缀E 指预期环境事件，例如大飓风或风暴，事先可作准备。前缀U 指非预期环境事件，例如突然的风暴或地震，不允许充分的准备。如果结构在预期的严重事件前撤离，有人事件的SSL 可不同于所撤离的严重事件的SSL 。
可运输的“不固定”钻井结构
通常，钻井结构在其寿命期间用于不同的位置，因此，评价其在给定位置使用的稳定性，必须考虑在该位置的环境条件、安装高度和新安装的SSL 。
对于相同的SSL ，塔形井架或桅杆式井架的设计风载是相同的，不管是固定设施还是移动设施（例如固定钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台或钻井船）。 7 设计载荷
每个钻井结构应按照表1或表2的组合载荷设计（如适用）。按照第8章相应的设计规范进行的结构设计应满足或超过这些条件。
表1 钻井结构设计载荷a
状况 设计载荷条件
自重b （％）
钩载c, d （％）
转盘载荷 （％）
立根载荷d, e （％）
环境载荷f
1a 工作 100 100 0 100 100％工作环境 1b 工作 100 TE 100 100 100％工作环境 2 预期 100 TE 100 0 100％预期风暴环境 3a 非预期 100 TE 100 100 100％非预期风暴环境 3b 非预期 100 适用时 适用时 适用时 100％地震 4 起升 100 适用时 适用时 0
100％起升环境
5
运输
100
适用时
适用时
适用时 100％运输环境
a 不包括修井机桅杆式井架（见表2）。
b 对于稳定性计算，应按照8.9考虑自重的下限值。
c
对于非工作有风环境，如适用，在所有载荷情况下，应考虑天车悬挂的所有游动设备和钻井钢丝绳的重量（TE ）。d 不支承桅杆式井架或塔形井架的底座不需要按钩载设计。同样地，不支承立根的底座不需要按立根载荷设计。 e 钻杆倾角是应考虑的立根载荷的一个组成要素。
f
环境载荷包括立根设计的所有受凤面积，如适用。
表2 修井机桅杆式井架设计载荷
状况 设计载荷条件
自重a （％）
钩载b （％）
抽油杆载荷（％）
立根载荷 （％）
环境载荷c
1a 工作 100 100 0 0 100％工作环境
1b 工作 100 TBD （待定）100 0 100％工作环境 1c 工作 100
TBD （待定）
100 100 100％工作环境
2 预期 100 TE 0 0 100％预期风暴环境 3a 非预期 100 TE 100 100 100％非预期风暴环境 3b 非预期 100 适用时 适用时
适用时 100％地震
4 起升 100 适用时 0 0 100％起升环境 5
运输
100
适用时
适用时
适用时 100％运输环境
a 对于稳定性计算，应按照8.9考虑自重的下限值。
b 对于非工作有风环境，如适用，在所有载荷情况下，应考虑天车悬挂的所有游动设备和钻井钢丝绳的重量（TE ）。c
环境载荷包括立根和抽油杆设计的所有受凤面积，如适用。
8 设计规范
API Spec 4F
8.1 许用应力
8.1.1 总则
除非本标准另有规定，否则，钢结构应按照AISC 335-89进行设计。AISC 335-89许用应力设计（通常称为弹性设计）部分，应用来确定许用单位应力。不允许使用第5部分第N章—塑形设计。AISC 335-89应用来确定许用单位应力和考虑次应力，但现行作法和经验并未规定需要遵循AISC 335-89的“承受疲劳载荷的构件及其连接件”（第K4章），除非采购方另有规定。
对于本标准而言，在格构或桁架结构的独立构件中，由于弹性变形和节点刚性而引起的应力规定为次应力。这些次应力可以取下列两个应力的差值：一个是假定节点完全刚性，而载荷只作用在节点上分析所得到的应力，另一个是按节点为铰接作类似分析得到的应力。因节点偏心连接、节点之间的构件横向载荷或外加力矩而引起的应力，应认为是主应力。
对于除地震载荷外的所有载荷，当把计算的次应力增加到独立构件中的主应力时，许用单位应力可增加20%。但是，主应力不应超过许用单位应力。除8.1.2中允许的增加外，当考虑次应力时，还可以增加许用应力。
地震载荷和有关的许用应力，在8.5中专门表述。冰载荷和有关的许用应力，在8.6中专门表述。8.1.2 风和动应力
在工作和安装条件下，许用单位应力不应（应力修改系数=1.0）超过8.1.1中规定的基本许用应力。在运输条件下，如果采购方规定，许用单位应力可比8.1.1中规定的基本许用应力增加三分之一（应力修改系数=1.33）。
对于预期和非预期的风暴设计条件，当由风载荷或动载荷单独作用或者与设计静载荷和动载荷联合作用产生时，许用单位应力可比8.1.1中规定的基本许用应力增加三分之一（应力修改系数=1.33）。
为了规定5.2 n)或5.3 o)要求的许用静钩载与风速之间的铭牌关系曲线，采用的应力修改系数可以从操作情况的1.0线性过渡到非预期风暴情况的1.33。
8.1.3 钢丝绳
钢丝绳的尺寸和型式应按照API 9A和API 9B的规定。
当通过钢丝绳总成起升和下放时，钻井结构用钢丝绳总成的设计公称强度应不小于安装时该总成最大设计载荷的2.5倍。
绷绳所用钢丝绳总成的公称强度，应不小于载荷条件引起的最大绷绳载荷的2.5倍。
按照API 9B，由于端部连接效率和D/d之比小于18，因此应降低钢丝绳总成的强度值。
8.1.4 天车轴
天车轴，包括快绳和死绳滑轮支承轴，除弯曲屈服安全系数应大于1.67外，应按照AISC 335-89（见8.1.1）设计。钢丝绳滑轮和轴承的规定应按照API 8C。
8.1.5 桅杆式井架和底座起升液缸
对于整个起升轨迹上的预期起升载荷，桅杆式井架和底座起升液缸应按AISC组合屈曲和弯曲安全系数设计。该分析宜考虑液缸安装条件和液缸公差而导致的初始缺陷。
8.2 工作载荷
工作载荷应包括下列一项或表1的多项组合和买方的规定。
a) 在每一个适用的穿绳条件下，最大额定静钩载与快绳和死绳载荷的联合作用；
b) 转盘最大额定静载荷；
c) 最大额定立根载荷；
d) 钻井结构总成自重；
e) 与钻井结构组成一体的所有管道系统和储罐内的流体载荷。应考虑满罐和空罐两种情况，以便
按8.9进行稳定性计算；
f) 买方和制造商协商确定的因辅助设备而同时附加的载荷或独立载荷。
8
钻井和修井井架、底座规范
对于所有钻井结构，制造商应将其零部件的清单包括在钻机手册中，这些零部件应包括设计时所用
的自重和总成重量。此外，制造商应规定总的重量和在自重和总成重量条件下在钻井结构底座上产生的
静力矩。
8.3 风载荷
8.3.1 设计用风
8.3.1.1 总则
每个钻井结构应按照下列适用的设计用风的值进行设计。底座设计的风速应与支承结构的风速相
同。
钻井结构按照其SSL和位置分为陆上或海上两类。钻井结构的SSL反映各种不同程度的失效结果，
考虑生命安全和其它问题，例如污染、经济损失和公众关注。
在给定的风环境下应考虑钻井结构的外形。以下规定了风的环境。
a) 工作时的风——在此之下，可以连续无限制地进行钻井作业；
b) 安装时的风——在此之下，可以连续地进行正常的钻机安装作业；
c) 运输时的风——在此之下，可以连续地进行买方规定的特殊运输作业；
d) 非预期的风——突然到来的飓风或风暴，没有足够的时间进行所有准备，因此，在计算风载时，
需考虑立根排放；
e) 预期的风——已知到来的飓风或风暴，有足够的时间进行准备，例如放下立根。
8.3.1.2 陆上风
工作、安装和运输环境下的设计参考风速V ref应按照买方的规定。
对于美国陆上非工作设计环境，预期风暴条件的V ref从ASCE/SEI 7-05风速图获得。对于其它陆地场
所，V ref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。应在下列条件下选择风速：3秒阵
风，单位节（1节=1.15 mph），在开阔地带10 m (33 ft)高度处测量，相应重现期50年。
对于非预期风条件，立根也许排放在钻井井架上，V ref应不小于预期风暴V ref的75%。
对于每一种风环境，各种SSL的最大额定设计风速V des，是通过设计参考风速V ref乘以表3中所列的陆
上系数α陆上来确定，但不小于表5中的规定。
V des = V ref×α陆上
在所有情况下，风的方向可来自于任何方位。8.3.1.4中论述的方法可用于在设计中确定当地的风速。
表3 陆上结构安全级别系数α陆上
情况设计载荷条件结构安全级别 SSL系数α陆上近似重现期（年）
1a 工作所有 1.00 不适用
1b 工作所有 1.00 不适用
2 预期E1 1.07 100
2 预期E2 1.00 50
2 预期E
3 0.93 25
3 非预期U1 1.07 不适用
3 非预期U2 1.00 不适用
3 非预期U3 0.93 不适用
4 起升所有 1.00 不适用
5 运输所有 1.00 不适用
表4 海上结构安全级别系数α海洋
情况设计载荷条件结构安全级别 SSL系数α海洋近似重现期（年）
1a 工作所有 1.00 不适用
1b 工作所有 1.00 不适用
9
API Spec 4F
10
表4（续）
情况 设计载荷条件
结构安全级别 SSL 系数α海洋
近似重现期（年）
2 预期 E1 1.09 200 2 预期 E2 1.00 100 2 预期 E
3 0.91 50 3 非预期 U1 1.09 不适用 3 非预期 U2 1.00 不适用 3 非预期 U3 0.91 不适用
4 起升 所有 1.00 不适用 5
运输
所有
1.00
不适用
表5 最小设计风速V des ，m/s （节）
陆上
海洋
工作和起升
非预期
预期
工作和起升
非预期
预期
有绷绳轻便井架 12.7(25) 30.7(60) 38.6(75) 21.6(42) 36(70) 47.8(93) 无绷绳轻便井架
16.5(32) 30.7(60) 38.6(75) 21.6(42) 36(70) 47.8(93) 塔形井架
16.5(32) 30.7(60) 38.6(75) 24.7(48) 36(70) 47.8(93)
8.3.1.3 海上风
工作、安装和运输环境下的设计参考风速V ref 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V ref 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 mph=1节=0.514 m/s ），在开阔水面10 m (33 ft)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，V ref 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，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，立根也许排放在钻井井架中，除非在预期风暴情况之前，风暴警报系统和钻机操作程序允许足够的时间下放立根，非预期风V ref 应为预期风暴V ref 的100%。在墨西哥湾，非预期风条件的V ref 应不小于40.1 m/s （78节）。对于其它热带风暴地区，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V ref 。该值应为3秒阵风，单位m/s （节），在开阔水面10 m (33 ft)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操作时限。
对于每一种风环境，各种SSL 的最大额定设计风速V des ，是通过设计参考风速V ref 乘以表4中所列的海上系数α海上来确定，但不小于表5中的规定。
V des = V ref × α海上在所有情况下，风的方向可来自于任何方位。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 当地的风速
采用表3和表4计算的最大额定设计风速V des ，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的风速。
V z = V des × β 式中：
β——高度不超过4.6 m (15 ft)时85.0； β——高度＞4.6 m (15 ft)时为211
.0)900/(01.2(z ×，z =地平面或平均海平面之上的高度(ft)；
β——列于表6。 8.3.2 风载
钻井和修井井架、底座规范
11
除了正好在挡风墙前面或后面的结构可以不包括外，风的力应施加在全部结构上。风面积的计算应包括所有已知的或预期的结构和附件，例如设备、挡风墙以及安装或附属在钻井结构上的附件。结构上的总风力应按照8.3.3叙述的方法估计。
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的所有零部件清单。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。
表6 高度系数β，位置：所有a, b
在地面或MSL 之上的高度
（m ）
在地面或MSL 之上的高度
（ft ）
高度系数 0～4.6 0～15
0.92
6 20 0.95
7.6 25 0.97
9 30 0.99
12.2 40 1.02
15.2 50 1.05
18.3 60 1.07
21.3 70 1.08
24.4 80 1.10
27.4 90 1.11
30.5 100 1.12
36.6 120 1.15
42.7 140 1.17
48.8 160 1.18
54.9 180 1.20
61 200 1.21
76.2 250 1.24
91.4 300 1.26
106.7 350 1.28
121.9 400 1.30
137.2 450 1.32
152.4 500 1.33
a
高度中间值的线性内插值是可以接受的。 b
在10 m (33 ft)数值等于1.00。
8.3.3 逐项方法
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：
F m = 0.00338 × K i × V z 2 × C s × A F t =
G f × K sh × ΣF m 式中：
F m ——垂直于单个构件纵轴、或挡风墙表面、或附件投影面积的风力，lb ； K i ——考虑单个构件纵轴与风之间倾角φ的系数；
1.0，当风垂直于构件（φ = 90°），或对于附件，包括挡风墙；
API Spec 4F
12
sin2φ，按8.3.3.3，当风与单个构件的纵轴成角度φ（单位度）；
V z——按8.3.1.4在高度Z的当地风速，单位节；
C s——按8.3.3.5的形状系数；
A——按8.3.3.6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的附件而非挡风墙的投影面积，ft2；
F t——作用在整个钻井结构的每个单独构件或附件上风力的向量和乘以系数
G f和K sh。F t不应小于裸
钻井结构每个单独构件计算风力的向量和；
G f——按8.3.3.4考虑空间相干性的阵风作用系数；
K sh——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，而且任何单独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F t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单独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：
F m×(1－K sh×
G f)
8.3.3.2 遮蔽和方位比例校正系数
校正系数K sh用来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F t时，才应采用K sh。
对于塔形井架，K sh的计算基于实积比ρ，用于塔形井架框架内的所有构件。
K sh= 1.11ρ2 – 1.64ρ+ 1.14 0.5 ≤K sh≤ 1.0
当计算构件的K sh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。
当计算塔形井架其它零部件的全部遮蔽影响时，包括但并不局限于挡风墙、立根盒、导轨、天车、排放管、顶驱和人字架，K sh应等于0.85。
对于桅杆式井架，在所有风向下，所有构件或附件的遮蔽和方位比例校正系数K sh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角度，单位为度（见图1）。
纵轴
风（V z）风分量
主轴
图1 构件倾角
钻井和修井井架、底座规范
13
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。角度θ所在的平面垂直于纵轴，用来按8.3.3.5选择形状系数。对于挡风墙，K i 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G f ，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G f 。当计算单个构件或附件上作用的风力时，不施加G f 。
表7 阵风作用系数
总投影面积 （m 2）
总投影面积 （ft 2）
系数
>65 >700 0.85 37.2～65 400～700 0.90 9.3～37.1 100～399
0.95
<9.3 <100 1.00
8.3.3.5 构件或附件形状系数
表8中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，逐项法将高估总成上的风力。在这种范围内，该总成的形状系数可以采用封闭区域相应形状系数1.5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（V z sin φ）。因此，对于所有数值的φ，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）。
纵轴
长度
风
构件相对于风垂直分量的投影宽度W
主轴
V z sin φ、X ′、Y ′在构件横截面主轴平面内
图2 构件投影面积
8.3.3.7 附件投影面积
API Spec 4F
14 附件（不同于挡风墙）的投影面积A ，应为在垂直于风向的平面上的投影面积。此外，计算的风力作用的方向与风向相同。
表8 形状系数
截面
型式
形状
风向（θ）：所有方向
结构件
角钢、槽钢、工字钢、T 形钢
1.8
组合构件
2.0
正方形
1.5
管材 矩形
1.5
圆形
0.8
附件
棱边平直的非结构件的任何
构件（例如天车组、下拖式潜水工作舱、游车、大钩、顶驱）
1.2
表面连续的即棱边不平直的
非管状构件的任何构件（例如立管、软管、接箍、电缆）
0.8
立根和抽油杆
正方形或矩形
1.2