東方13-2B鉆井平臺(tái)自升式井架設(shè)計(jì)分析

，，

(1.中國(guó)船級(jí)社，西安 710065； 2.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，蘭州 730314)

東方13-2B鉆井平臺(tái)是計(jì)劃在南海作業(yè)的自升式鉆井平臺(tái)，配套4 500 kN級(jí)別的自升井架。該型井架是以H型鋼為主腿的前開口式無繃?yán)K“K”型井架, 在作業(yè)過程和起升過程中承受多種載荷作用，需要滿足海上作業(yè)和整體運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)度要求。由于安裝在海洋平臺(tái)上，改進(jìn)井架的結(jié)構(gòu)，減少其質(zhì)量，提高安全性能，為平臺(tái)節(jié)約空間至關(guān)重要。建立準(zhǔn)確的力學(xué)分析模型，并使用高效可靠的分析方法是改進(jìn)產(chǎn)品的關(guān)鍵一環(huán)。本文選取井架作業(yè)工況和起升工況對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。

由于井架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用專業(yè)分析軟件SAFI對(duì)其進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)井架結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)建議，為后續(xù)研究風(fēng)振以及溫度等對(duì)井架的載荷效應(yīng)提供理論基礎(chǔ)。

1 井架結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該型井架與天車、液壓絞車等部件配套成額定靜鉤載4 500 kN，鉆深7 000 m的海洋鉆井模塊。游車和頂部驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)有雙軌道，使游車和頂部驅(qū)動(dòng)裝置上下運(yùn)行平穩(wěn)。為運(yùn)輸方便，井架主體分6段，每段分左右2片，以后側(cè)中心線為界分開。在現(xiàn)場(chǎng)將第2段以上各段左右段用高強(qiáng)度螺栓分別連成整體，用彎銷鎖緊螺母防松。井架體段與段之間采用銷軸連接，方便快捷。在井架底段設(shè)置有特制的起升滑輪組、定位裝置以及導(dǎo)向裝置等，其中導(dǎo)向裝置由井架各段的H型主腿立柱和設(shè)置在基段上的導(dǎo)向輪組成。該井架起升系統(tǒng)簡(jiǎn)單，安裝方便，起升力小，相對(duì)常規(guī)“K”型井架，起升時(shí)占地面積小。井架底段開檔可充分利用臺(tái)面空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，鉆臺(tái)面積利用率高，非常適合于海洋平臺(tái)及陸地的山區(qū)、丘陵、城鎮(zhèn)地帶油、水井鉆井作業(yè)時(shí)使用。將液壓絞車集成到井架底段部位，利用在井架底段的液壓絞車和滑輪組將其余的井架各段垂直起升至工作位置，安裝、拆卸時(shí)不需要專門的起吊設(shè)備。采用分段連接技術(shù)，特別適合于海洋鉆井平臺(tái)或山區(qū)、丘陵、城鎮(zhèn)等井場(chǎng)場(chǎng)地小的環(huán)境[1]。該產(chǎn)品有逐漸取代其它類型井架的趨勢(shì)，例如常規(guī)“K”型井架和塔型井架等，在國(guó)內(nèi)外各海洋平臺(tái)逐步開始廣泛應(yīng)用。井架主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—井架底段；2—井架二段；3—井架三段；4—井架四段；5—井架五段；6—井架頂段。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

井架型式 K型

最大鉤載 4 500 kN

工作高度 47 m

立根容量 28 m立根 220柱(6 000 m)

井架起放和作業(yè)抗風(fēng)能力 33.1 m/s

結(jié)構(gòu)安全等級(jí) E2U2

起升方式 自舉式

2 井架建模及分析計(jì)算

井架是海洋平臺(tái)的重要承載部件之一，因強(qiáng)度不夠、失穩(wěn)而破壞的情況在國(guó)內(nèi)外都曾發(fā)生過[2]。本文采用專為鉆機(jī)設(shè)備提供的分析計(jì)算軟件SAFI 9.0.10對(duì)該井架進(jìn)行分析與計(jì)算。由于井架整個(gè)起升過程很慢，可認(rèn)為起升時(shí)井架在每個(gè)位置都處于受力平衡狀態(tài)[3]，因此在起升的各個(gè)位置都按靜力分析研究。遵循API Spec 4F 第4版及AISC 335—89規(guī)范中的相關(guān)要求對(duì)該井架進(jìn)行靜態(tài)特性分析，分析其應(yīng)力和應(yīng)變。考慮設(shè)計(jì)周期的時(shí)效性，選取井架的作業(yè)工況和起升工況對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。在井架的設(shè)計(jì)選材過程中，反復(fù)循環(huán)：計(jì)算-設(shè)計(jì)修改-計(jì)算驗(yàn)證。最終以相對(duì)較快的設(shè)計(jì)周期，達(dá)到優(yōu)化井架結(jié)構(gòu)、保證井架強(qiáng)度和生產(chǎn)周期的效果。

2.1 模型建立

井架整體結(jié)構(gòu)為空間鋼架結(jié)構(gòu)，將井架各桿件的焊接連接處或銷軸連接處取為計(jì)算節(jié)點(diǎn)[4-5]。在建立井架模型時(shí)，去掉井架梯子及套管扶正臺(tái)等附屬結(jié)構(gòu)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。在SAFI軟件中所建有限元模型如圖2所示，其中井架模型全局坐標(biāo)系如圖3所示。

全局坐標(biāo)系遵循右手法則：

+x： 大門側(cè)。

+y： 垂直地面向上方向。

+z： 司鉆側(cè)。

坐標(biāo)原點(diǎn)： 甲板平面井眼中心。

2.2 材料性能參數(shù)

該井架主體及附件主要構(gòu)件均由型鋼和組焊型鋼焊接制成，其中主要承載構(gòu)件由低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345材料制成[6]，附件構(gòu)件主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235材料制成，銷子主要由35CrMo等材料制成。材料參數(shù)如表1所示。

圖2 井架有限元模型

圖3 井架模型全局坐標(biāo)系

2.3 各工況輸入數(shù)據(jù)及載荷

井架起升時(shí)，由液壓絞車提供動(dòng)力，通過鋼絲繩和滑輪把力傳給井架，使井架垂直起升。井架起升到達(dá)最后階段時(shí)，起升力、各構(gòu)件受力達(dá)到最大。因此，以該狀態(tài)的載荷來計(jì)算井架起升受力狀況。

結(jié)構(gòu)重力+設(shè)備重力=1 330 kN，其中結(jié)構(gòu)重力為井架主體結(jié)構(gòu)重力，設(shè)備重力為液壓絞車、頂驅(qū)等配套設(shè)備的重力；大鉤載荷=4 500 kN；立根盒載荷=2 700 kN，對(duì)風(fēng)載的計(jì)算已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行過很詳細(xì)的論述[7-10]，在此不再累述。

設(shè)計(jì)載荷(結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：E2U2)[11]如表2所示。

2.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)AISC規(guī)范中組合應(yīng)力校核公式，在SAFI后處理模塊中對(duì)所建有限元模型中的單元進(jìn)行校核,并以UC值(limit states summary)[12]加以表示。

(1)

(2)

(3)

式中：fa為算得的軸向應(yīng)力，MPa；Fa為只有軸向力作用時(shí)允許的壓應(yīng)力，MPa；fb為在計(jì)算點(diǎn)算得的壓彎應(yīng)力，MPa；Fb為只有彎矩作用時(shí)允許的彎曲應(yīng)力，MPa；Cm為彎曲計(jì)算中的系數(shù)值，取值依據(jù)如：①對(duì)于框架主體中受節(jié)點(diǎn)位移(側(cè)移)的壓縮構(gòu)件和彎曲平面中兩端旋轉(zhuǎn)自由度約束的構(gòu)件，Cm=0.85；②對(duì)于彎曲平面中兩端旋轉(zhuǎn)自由度未約束的構(gòu)件，Cm=1.0；下標(biāo)x和y表示對(duì)應(yīng)坐標(biāo)方向中相應(yīng)值的分量；Fe由式(4)求得：

(4)

式中：lb是彎曲平面中的實(shí)際無支撐的長(zhǎng)度，m；rb是對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)半徑，m；K是彎曲平面的有效長(zhǎng)度因子。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

表2 作業(yè)工況和起升工況的設(shè)計(jì)載荷組合

整體結(jié)構(gòu)的UC值如圖4～5所示，可以看出，在作業(yè)工況和起升工況下井架所有構(gòu)件UC值均小于1，井架能夠抵抗作業(yè)工況和起升工況的組合載荷，證明該井架符合API Spec 4F第四版的規(guī)范要求。

圖4 井架在作業(yè)工況下的構(gòu)件UC值

圖5 井架最大起升力工況下的構(gòu)件UC值

3 結(jié)論

1) 采用SAFI 9.0.10軟件對(duì)東方13-2B鉆井平臺(tái)井架的作業(yè)工況和起升工況進(jìn)行了有限元計(jì)算，通過計(jì)算—設(shè)計(jì)修改—計(jì)算驗(yàn)證，為井架結(jié)構(gòu)的選材和減重提供了改進(jìn)參考，并使該型井架在客戶要求的設(shè)計(jì)周期內(nèi)通過最終的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

2) 東方13-2B鉆井平臺(tái)井架的設(shè)計(jì)模型吸取了國(guó)內(nèi)外海洋平臺(tái)井架設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，游車和頂部驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置雙軌道，使游車和頂部驅(qū)動(dòng)裝置上下運(yùn)行平穩(wěn)。井架整體結(jié)構(gòu)拆裝方便、占地面積小，適合平臺(tái)吊裝機(jī)械安裝，解決了海洋平臺(tái)操作空間緊張的問題，其綜合性能和技術(shù)水平優(yōu)異。主要應(yīng)用對(duì)象是國(guó)內(nèi)外海洋鉆修井平臺(tái)，也可將相關(guān)設(shè)計(jì)理念拓展至對(duì)施工面積有局部限制的陸地鉆井平臺(tái)。

3) 本文在分析中未考慮風(fēng)振和溫度等對(duì)井架的荷載效應(yīng)，如果考慮海洋鉆井平臺(tái)的極端環(huán)境，如何在計(jì)算時(shí)合理地加載這些載荷，以期得到更加精確合理的計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)而指導(dǎo)井架的設(shè)計(jì)優(yōu)化，是未來需要和試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行探索研究的課題。