海洋修井機(jī)井架承載能力評(píng)估及分級(jí)研究

張士超，張 臣，吳奇兵，徐光鵬，楊國斌

中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司 （天津300450）

修井機(jī)井架作為修井機(jī)起升設(shè)備的重要組成部分，在海洋石油修井作業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。在未有統(tǒng)一的井架安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)之前，國內(nèi)主要采用結(jié)構(gòu)可靠性理論進(jìn)行評(píng)估，通過求得可靠性指標(biāo)判定井架安全性能[1-4]。在2012年推出標(biāo)準(zhǔn)SY 6326—2012《石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測(cè)評(píng)定方法及分級(jí)規(guī)范》[5]，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了井架承載能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)評(píng)定周期及報(bào)廢條件，為石油井架承載能力檢測(cè)評(píng)定的具體實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)API Spec 4F—2013《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》[6]和AISC 335—1989《鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]推薦的相關(guān)理論和方法進(jìn)行計(jì)算評(píng)定，規(guī)范了實(shí)際工程中井架檢測(cè)評(píng)定內(nèi)容及要求。

目前國內(nèi)對(duì)鉆修井井架承載能力評(píng)定都是以SY 6326—2012為基礎(chǔ)，但針對(duì)不同形式的井架并沒有進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化[8-11]。以某B平臺(tái)修井機(jī)井架為研究對(duì)象，參照標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合井架特性及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，對(duì)井架應(yīng)力測(cè)試加載方法進(jìn)行優(yōu)化。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦的結(jié)構(gòu)校核理論，基于VB編寫了井架承載能力評(píng)估軟件進(jìn)行井架結(jié)構(gòu)校核。此外，為全面綜合的評(píng)估井架承載能力，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)井架進(jìn)行多種工況下的仿真分析。

1 井架承載能力測(cè)試

1.1 測(cè)試儀器

應(yīng)力測(cè)試采用美國BDI（Bridge Diagnostics,Inc.）結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括應(yīng)變傳感器、節(jié)點(diǎn)模塊、工作基站及移動(dòng)電源。BDI應(yīng)變傳感器具有高精、智能、便攜、高效的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用無線測(cè)量技術(shù)，免除了電纜運(yùn)輸和連接的繁重工作，大大地提高了測(cè)試效率和測(cè)試人員的安全性，非常適合在石油井架等塔架結(jié)構(gòu)中使用。

1.2 布點(diǎn)方案

B平臺(tái)修井機(jī)井架為直立、前開口K型、側(cè)開門、無繃?yán)K、液壓起升、液壓伸縮結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)最大鉤載為2 250 kN。井架高33 m，分為井架上段、井架下段、人字架三部分。底座包括上底座、下前底座及下后底座，整個(gè)井架結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱。

布點(diǎn)位置的確定應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[5]測(cè)點(diǎn)布置原則，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下盡量選擇現(xiàn)場(chǎng)易操作的位置。確定加載布點(diǎn)截面為兩個(gè)，詳細(xì)布點(diǎn)方案如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.3 加載工況

B平臺(tái)修井機(jī)井架最大承載能力為2 250 kN。測(cè)試載荷為鉤載，按要求應(yīng)不小于設(shè)計(jì)鉤載的25%（562.5 kN）。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，重復(fù)3次測(cè)試，每次測(cè)試不少于5個(gè)載荷值，見表1。測(cè)試前儀器初始化調(diào)零，加載時(shí)每一級(jí)載荷靜止30 s以便記錄數(shù)據(jù)。加載方式利用大鉤上提放置在底座轉(zhuǎn)盤主梁處的加載工裝，通過指重表直接讀取施加載荷值。

1.4 測(cè)試數(shù)據(jù)采集

按照加載方案進(jìn)行逐級(jí)加載，采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖2所示。

2 井架結(jié)構(gòu)校核軟件開發(fā)

2.1 結(jié)構(gòu)校核理論

對(duì)于石油鉆機(jī)、在用修井機(jī)井架的承載能力極限狀態(tài)計(jì)算按AISC 335—1989的規(guī)定進(jìn)行[5]。井架強(qiáng)度應(yīng)滿足公式（1）和公式（2）的要求。

表1 井架應(yīng)力測(cè)試加載載荷值

圖2 載荷-應(yīng)變曲線圖

在上式中，與下標(biāo)b、m和e結(jié)合在一起的下標(biāo)x和y表示某一應(yīng)力或設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的彎曲軸。

式中：fa為井架承受設(shè)計(jì)最大鉤載時(shí)測(cè)試桿件的軸心拉壓應(yīng)力，MPa；Fa為容許采用的軸心拉壓應(yīng)力，MPa；fb、Fb分別為井架承受設(shè)計(jì)最大鉤載時(shí)測(cè)試桿件的x軸、y軸壓縮彎曲應(yīng)力，MPa；Fbx、Fby分別為只有彎矩存在時(shí)x軸、y軸容許采用的彎曲應(yīng)力，MPa；Fex′為x軸除以安全系數(shù)后的歐拉應(yīng)力，MPa，F(xiàn)ey′為y軸除以安全系數(shù)后的歐拉應(yīng)力，MPa，采用式（4）進(jìn)行計(jì)算；Fy為材料屈服應(yīng)力，MPa；Cmx與Cmy為系數(shù)，對(duì)于端部受約束的構(gòu)件：Cm=0.85[7]。

式中：E為彈性模量，MPa；lb為彎曲平面內(nèi)的實(shí)際無支撐長度，mm；rb為回轉(zhuǎn)半徑，mm；K為彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù)，mm。

當(dāng)只有軸心拉壓應(yīng)力存在時(shí)容許采用的軸心拉壓應(yīng)力Fa按下列公式計(jì)算。

1）當(dāng)任一無支撐部分的最大有效長細(xì)比Kl/r小于Cc時(shí)，橫截面符合AISC 335—1989標(biāo)準(zhǔn)1.9節(jié)的規(guī)定，其毛截面上的容許拉壓應(yīng)力Fa按公式（5）計(jì)算：

式中：l為彎曲平面內(nèi)的實(shí)際無支撐長度，mm；r為回轉(zhuǎn)半徑，mm；K為彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù)，mm；Fy為桿件材料的最小屈服應(yīng)力，MPa；Cc為區(qū)分彈性和非彈性屈曲的桿件的長細(xì)比。

2）當(dāng)Kl/r大于Cc時(shí)，軸心受拉壓構(gòu)件毛截面上的容許拉壓應(yīng)力按公式（7）計(jì)算：

2.2 校核軟件開發(fā)

在利用校核公式進(jìn)行井架承載能力評(píng)估工作中，計(jì)算過程繁瑣、復(fù)雜，且易出錯(cuò)。針對(duì)這種狀況，筆者應(yīng)用VB開發(fā)工具，編寫了井架承載能力評(píng)估分級(jí)軟件（圖3）。該軟件包括基本參數(shù)輸入、應(yīng)力數(shù)據(jù)輸入、應(yīng)力擬合、結(jié)構(gòu)校核計(jì)算及自動(dòng)評(píng)級(jí)等功能模塊。

圖3 井架承載能力評(píng)估分級(jí)軟件

本套軟件特點(diǎn)：①有原始應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)處理能力，可自動(dòng)擬合出井架額定鉤載下的應(yīng)力值；②考慮了海油系統(tǒng)內(nèi)井架應(yīng)力測(cè)試習(xí)慣，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工況靈活選擇載荷輸入模式，可輸入多級(jí)載荷值；③多種桿件界面類型；④以VB工具為開發(fā)平臺(tái)，利于功能擴(kuò)展；⑤無需安裝，打開即可使用。

2.3 校核結(jié)果及驗(yàn)證

該井架主肢為矩形鋼，截面尺寸：長200 mm、寬180 mm、厚8.5 mm，井架上段斷面A處桿件無支撐長度2 400 mm，井架下段斷面B處桿件無支撐長度2 625 mm。鋼材為Q345A，彈性模量2.06×105MPa，屈服極限345 MPa。

將井架相關(guān)力學(xué)參數(shù)，桿件參數(shù)及測(cè)試數(shù)據(jù)輸入到軟件中，計(jì)算出結(jié)構(gòu)校核系數(shù)UC值見表2。

表2 井架結(jié)構(gòu)校核系數(shù)結(jié)果

為驗(yàn)證軟件計(jì)算程序正確性，筆者采用Excel等軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果復(fù)驗(yàn)，證明軟件計(jì)算結(jié)果可靠。

通過結(jié)構(gòu)校核結(jié)果可知：該井架在外加載荷2 250 kN作用下，井架承載最不利位置出現(xiàn)在A斷面右前腿處，最大校核系數(shù)為0.57＜1.0，因此該井架強(qiáng)度滿足要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定條件，該井架實(shí)際承載能力為2 250 kN，評(píng)為A級(jí)，有效期為3年。

3 井架及底座有限元仿真

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試能最真實(shí)反映井架現(xiàn)有承載能力，但只能評(píng)估出井架靜載、無風(fēng)等理想工況下的受力狀態(tài)，有一定局限性。為全面評(píng)估出B平臺(tái)修井機(jī)井架及底座安全狀況與作業(yè)能力，對(duì)其進(jìn)行多種工況下的有限元分析，探討其現(xiàn)有承載能力，以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的不足。

3.1 井架及底座有限元模型

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及圖紙資料，獲取修井機(jī)井架及底座總體結(jié)構(gòu)尺寸以及桿件的截面參數(shù)。由于井架及底座的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了減少計(jì)算工作量，在使用ABAQUS建模時(shí)，結(jié)合井架及底座的特點(diǎn)，在滿足計(jì)算精度的情況下，對(duì)井架及底座的實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，建立接近實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型[10-12]。井架及底座分別選用Q345A鋼及Q235鋼，彈性模量為206×103MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

3.2 載荷及分析工況

井架載荷包括恒載、工作載荷、風(fēng)載荷、立根載荷。根據(jù)設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，計(jì)算匯總見表3。

參考API規(guī)范[6]，結(jié)合修井機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，該井架及底座包括以下幾種載荷工況，見表4。

在修井作業(yè)過程中，修井機(jī)上底座的位置會(huì)根據(jù)不同的井口進(jìn)行相應(yīng)的變化。由于B平臺(tái)油井有3列，因此本修井機(jī)上底座有3個(gè)不同的工作位置，位置1靠近左側(cè)的生活區(qū)，從左側(cè)至右側(cè)，依次為位置1至位置3，如圖4所示。

修井機(jī)在不同井位不同工況時(shí)傾覆力矩各不相同。從修井機(jī)結(jié)構(gòu)和工作井位布置分析可知，不同工況下修井機(jī)在1井位時(shí)對(duì)平臺(tái)導(dǎo)軌偏載，整個(gè)結(jié)構(gòu)偏心最大，穩(wěn)定性最差，為結(jié)構(gòu)受力最不利位置。因此只要修井機(jī)處于1位置時(shí)在各工況下滿足承載能力要求，則修井機(jī)在任何井位時(shí)均可滿足要求。

表3 井架載荷匯總表

表4 井架作業(yè)工況

圖4 井架及底座位置示意圖

3.3 有限元結(jié)果計(jì)算分析

3.3.1 有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證并修正有限元模型，對(duì)B平臺(tái)修井機(jī)井架施加與測(cè)試工況一致的載荷（只包含井架最大鉤載、鋼絲繩作用力），修井機(jī)井架應(yīng)力分布見圖5；有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比情況見表5。

圖5 50 kN鉤載下井架與底座應(yīng)力及位移云紋圖

由表5中數(shù)據(jù)可知，該有限元模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較小，最大誤差為9.4%，有限元模型滿足仿真要求。

由最大鉤載工況下的應(yīng)力分布圖5可得，井架主肢應(yīng)力較大，橫撐和斜撐的應(yīng)力情況均較小，這與主肢為井架主要承載桿件的事實(shí)相符。井架最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在第8節(jié)右前肢，應(yīng)力為155.4 MPa，因?yàn)榫軓脑撎庨_始變徑，彎曲應(yīng)力變大，且該位置處于前開口處，剛度小。

井架第1節(jié)4個(gè)主肢應(yīng)力范圍40～50 MPa，井架第6節(jié)4個(gè)主肢應(yīng)力范圍在76～90 MPa間。原因是井架第1節(jié)存在加強(qiáng)斜撐，該加強(qiáng)斜撐能將井架下體所承受作用力傳遞至人字架和鉆臺(tái)上，故井架第1節(jié)主肢受力較小。

井架上段前主肢受力基本上在90 MPa左右，后主肢受力基本在75 MPa附近，井架上段前主肢受力大于后主肢，原因是前主肢間無橫撐、斜撐，剛度較小，井架工作載荷在前主肢中產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。

由位移分布圖可見，井架整體上段位移相對(duì)下段位移大，最大位移處發(fā)生在第8節(jié)與第9節(jié)交界處，位移值1.95 cm。井架上段桿件剛度小，且結(jié)構(gòu)形式為前開口式導(dǎo)致桿件活動(dòng)自由。而由于井架底部受到約束，側(cè)向變形小。

3.3.2 各工況下的分析結(jié)果

通過對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，對(duì)組合的6種工況進(jìn)行有限元計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見表6。

通過計(jì)算，得到B平臺(tái)修井機(jī)井架在所有工況載荷下的最大應(yīng)力為190.40 MPa，出現(xiàn)在等候天氣工況（無鉤載、滿立根、側(cè)向風(fēng)速47.84 m/s），位置在人字架與鉆臺(tái)支點(diǎn)。該應(yīng)力值小于井架所用材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)為1.81。其他工況下最大應(yīng)力均小于190.40 MPa，表明在上述工況下井架強(qiáng)度滿足工作要求。所有載荷工況下的最大位移為149.20 mm，出現(xiàn)在保全設(shè)備工況（無鉤載、無立根、正向風(fēng)速55.04 m/s），位置處于天車頂橫梁處。

表5 有限元結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表6 B平臺(tái)修井機(jī)井架及底座有限元計(jì)算結(jié)果

底座最大應(yīng)力出現(xiàn)在最大鉤載工況（最大鉤載、滿立根、正向風(fēng)速25.21 m/s），其應(yīng)力值為107.50 MPa，位于上底座右前主肢處。該應(yīng)力值小于底座所用材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)為3.21。其他工況下最大應(yīng)力均小于107.5 MPa，表明在上述工況下底座強(qiáng)度滿足工作要求。底座最大位移為2.51 mm，出現(xiàn)在上底座左前段，此值相對(duì)于底座自身尺寸較小，說明井架整體剛度較大。

4 結(jié)論

1）該井架實(shí)際承載能力為2 250 kN，根據(jù)井架分級(jí)評(píng)定規(guī)范井架評(píng)定級(jí)別為A級(jí)，有效期為3年。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，編寫的軟件系統(tǒng)計(jì)算井架承載能力結(jié)果與井架實(shí)際承載能力基本相符，軟件運(yùn)行正確，應(yīng)用方便，簡化了井架承載能力評(píng)估工作并大幅提高評(píng)估效率。

3）有限元分析計(jì)算結(jié)果顯示井架及底座滿足強(qiáng)度要求。