自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)研究

(太重(天津)濱海重型機(jī)械有限公司，天津 300457)

自升式鉆井平臺(tái)以其移動(dòng)方便、升降靈活、定位能力強(qiáng)及自持能力長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)， 在海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。懸臂梁是自升式鉆井平臺(tái)的重要組成部分，通過(guò)其滑移實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)平臺(tái)上實(shí)施鉆完井作業(yè)和修井作業(yè)，它增加了平臺(tái)在一次插樁的鉆井?dāng)?shù)量，極大地提升了鉆井效率，增加了鉆井作業(yè)的靈活性。懸臂梁內(nèi)配置了眾多的鉆井設(shè)備，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證整個(gè)鉆井系統(tǒng)在海上安全作業(yè)的關(guān)鍵性因素。在懸臂梁、鉆臺(tái)、井架及鉆井系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)安裝完成，并實(shí)現(xiàn)功能性調(diào)試后，需要進(jìn)行懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)，加載設(shè)計(jì)載荷來(lái)驗(yàn)證懸臂梁的強(qiáng)度及剛度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求[3-4]。

本文以某一自升式鉆井平臺(tái)的懸臂梁為試驗(yàn)對(duì)象，在設(shè)備和系統(tǒng)功能性調(diào)試完成，稱(chēng)重試驗(yàn)、懸臂梁及鉆臺(tái)滑移試驗(yàn)完成之后，對(duì)懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究。對(duì)負(fù)荷試驗(yàn)的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)程序等試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了闡述，并對(duì)試驗(yàn)荷載、試驗(yàn)壓載方案、預(yù)壓載方案等試驗(yàn)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究?；谟邢拊椒ㄕ撟C了采用等效荷載進(jìn)行試驗(yàn)的可能性，并對(duì)平臺(tái)試驗(yàn)壓載操作流程給出了建議，得出的結(jié)論對(duì)降低試驗(yàn)難度、增加試驗(yàn)安全性具有重大意義，為后續(xù)懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)提供有力指導(dǎo)。

1 懸臂梁基本設(shè)計(jì)參數(shù)

本懸臂梁屬于常規(guī)懸臂梁，井口位移由懸臂梁滑移和鉆臺(tái)滑移實(shí)現(xiàn)[5]。懸臂梁采用液壓移動(dòng)系統(tǒng)在主甲板上可以進(jìn)行前后移動(dòng)，懸臂梁(以轉(zhuǎn)盤(pán)中心為基準(zhǔn))最大外伸22.5m。懸臂梁結(jié)構(gòu)為箱型結(jié)構(gòu)，主要由懸臂梁箱體、基座、鎖緊機(jī)構(gòu)、液壓缸移動(dòng)系統(tǒng)等組成，懸臂梁在任何位置都能夠被移動(dòng)和固定。懸臂梁箱體由兩道強(qiáng)縱向外壁、懸臂梁下底板、懸臂梁中間甲板和懸臂梁上堆場(chǎng)甲板及前后封閉外壁組成。懸臂梁上層甲板設(shè)有管架排放區(qū)，如圖1所示。懸臂梁基本尺寸及重量重心如表1所示，懸臂梁及鉆臺(tái)許用可變載荷如表2所示。

表1 懸臂梁設(shè)計(jì)尺寸及重量重心

表2 許用鉆臺(tái)可變載荷與懸臂梁外伸和鉆臺(tái)底座移動(dòng)關(guān)系表

圖1 懸臂梁的三維模型圖

2 試驗(yàn)?zāi)康募耙?guī)程

自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)作為自升式鉆井平臺(tái)極為關(guān)鍵的試驗(yàn)項(xiàng)目，其目的主要是：驗(yàn)證懸臂梁在最大外伸位置時(shí)，懸臂梁結(jié)構(gòu)和主船體所能承受的載荷是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，以及在此狀態(tài)下的懸臂梁撓度變形量[6]。

試驗(yàn)主要步驟：

(1)確定試驗(yàn)載荷、試驗(yàn)壓載及預(yù)壓載方案；進(jìn)行試驗(yàn)前預(yù)壓載及試驗(yàn)狀態(tài)壓載；

(2)操作人員到位，試驗(yàn)前檢查，確認(rèn)懸臂梁和鉆臺(tái)滑移系統(tǒng)處于可工作狀態(tài)，確認(rèn)所用提升移動(dòng)系統(tǒng)安全可靠；

(3)將主船體升高至距碼頭地面合適的距離，滿(mǎn)足試驗(yàn)提升吊索具和配重對(duì)升船高度的要求，調(diào)平主船體；操縱懸臂梁液壓缸向外推動(dòng)懸臂梁，直至鉆臺(tái)井口中心伸出量為22.5m，并記錄此狀況下懸臂梁變形量；

(4)將鉆臺(tái)移動(dòng)至左舷側(cè)4.57m，鎖緊鉆臺(tái)。測(cè)量并記錄此狀況下懸臂梁變形量；

(5)在碼頭邊試驗(yàn)區(qū)域?qū)⑴渲販?zhǔn)備好，降下大鉤(或頂驅(qū))，用吊索具連接大鉤與配重450t，緩慢提升大鉤，使配重脫離地面高度約100mm，記錄在此負(fù)荷情況下懸臂梁標(biāo)識(shí)點(diǎn)處的變形量。

(6)降下大鉤釋放大鉤載荷，測(cè)量并記錄卸載后懸臂梁變形量。將鉆臺(tái)移動(dòng)至右舷側(cè)4.57m，緊固鉆臺(tái)，重復(fù)操作步驟再次進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)。

(7)回收懸臂梁、降下主船體，懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)束。結(jié)束后，對(duì)鎖緊座等重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查并配以MT探傷檢查，以確保在負(fù)荷試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)未被損壞。

3 試驗(yàn)荷載確定

由于懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)主要是確定懸臂梁的負(fù)荷情況，對(duì)確定試驗(yàn)荷載工況等要求較高。試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)懸臂梁及鉆臺(tái)稱(chēng)重試驗(yàn)獲取的重量、重心參數(shù)更新懸臂梁載荷表，確定試驗(yàn)工況的載荷。本文根據(jù)懸臂梁及鉆臺(tái)許用可變載荷，試驗(yàn)荷載可能有兩種工況，即：

(1)懸臂梁伸至-22.5，鉆臺(tái)位于中心，可變載荷1150t；

(2)懸臂梁伸至-22.5，鉆臺(tái)+4.57m(或-4.57m)，可變載荷450t；

因1150t配重準(zhǔn)備及實(shí)施難度非常大， 本文采用有限元方法對(duì)兩種試驗(yàn)工況進(jìn)行分析，論證僅采用試驗(yàn)工況2作為等效試驗(yàn)的可能性。

懸臂梁工作方式為多種基本載荷的組合工況形式，計(jì)算時(shí)充分考慮懸臂梁及鉆臺(tái)的可變載荷、自重載荷、風(fēng)載荷等，規(guī)范要求對(duì)此類(lèi)組合工況的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核[7-8]。懸臂梁和主甲板采用底座連接，在艏部支座及艉部支座采用鉸接模擬邊界條件。懸臂梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在艉部支座處懸臂梁滑移平板結(jié)構(gòu)，懸臂梁的應(yīng)力及位移結(jié)果如表3、圖2-5所示。

表3 懸臂梁應(yīng)力及位移結(jié)果

圖3 試驗(yàn)工況2下懸臂梁應(yīng)力云圖(DH36板材)

圖4 試驗(yàn)工況1下懸臂梁位移云圖

圖5 試驗(yàn)工況2下懸臂梁位移云圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種試驗(yàn)工況的應(yīng)力及位移水平相當(dāng)，因此，采用試驗(yàn)工況2(即懸臂梁伸至-22.5，鉆臺(tái)-4.57m，可變載荷450t)中的載荷作為懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)載荷來(lái)驗(yàn)證驗(yàn)證懸臂梁剛度及強(qiáng)度是合理的。這將大大降低試驗(yàn)難度，這一論證結(jié)論對(duì)降低試驗(yàn)難度、增加試驗(yàn)安全性具有重大意義。

4 試驗(yàn)壓載及預(yù)壓載配載確定

懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)前鉆井平臺(tái)應(yīng)進(jìn)行插樁預(yù)壓載，并進(jìn)行試驗(yàn)配載。因此，下文將對(duì)試驗(yàn)壓載方案、預(yù)壓載方案等進(jìn)行分析討論。

4.1 試驗(yàn)壓載方案及建議

試驗(yàn)過(guò)程中懸臂梁將大幅度伸出主船體外且配有大量配重，為防止平臺(tái)某一樁腿對(duì)地比壓過(guò)大，保證平臺(tái)穩(wěn)定性，需對(duì)平臺(tái)進(jìn)行配載。試驗(yàn)壓載方案如表4及圖6所示。此時(shí)樁靴的對(duì)地比壓為28.9t/m2。

表4 試驗(yàn)壓載方案

圖6 試驗(yàn)壓載方案

圖7 試驗(yàn)預(yù)壓載方案

平臺(tái)試驗(yàn)常規(guī)操作通常為先按照試驗(yàn)壓載方案對(duì)平臺(tái)進(jìn)行壓載后再操縱懸臂梁液壓缸向外推動(dòng)懸臂梁。因壓載方案為首部壓載，在懸臂梁未外伸時(shí)按試驗(yàn)配載方案配載后的首樁對(duì)地比壓非常大，可達(dá)36.3t/m2。因此，建議將先操作液壓缸向外推動(dòng)懸臂梁直至鉆臺(tái)井口中心伸出量為22.5m后再進(jìn)行配載，此時(shí)最大對(duì)地比壓為29.7t/m2。

4.2 試驗(yàn)預(yù)壓載方案及建議

試驗(yàn)前要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)壓載以保證試驗(yàn)過(guò)程中的穩(wěn)定性，預(yù)壓荷載應(yīng)充分考慮試驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大對(duì)地壓力荷載。試驗(yàn)中出現(xiàn)的最大對(duì)地比壓即為4.1中所述的29.7t/m2。因此，預(yù)壓載調(diào)配方案如表5及圖7所示，此時(shí)預(yù)壓載對(duì)地比壓為30.0t/m2，滿(mǎn)足試驗(yàn)預(yù)壓載要求。

表5 試驗(yàn)前預(yù)壓載方案

5 結(jié) 論

本文以某一自升式鉆井平臺(tái)的懸臂梁為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)負(fù)荷試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)程序等試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了闡述，并對(duì)試驗(yàn)荷載、試驗(yàn)壓載方案、預(yù)壓載方案等試驗(yàn)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果如下：

(1)懸臂梁設(shè)計(jì)通常為等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，可采用某一組試驗(yàn)難度較低、安全性高的試驗(yàn)荷載為代表進(jìn)行懸臂梁的負(fù)荷試驗(yàn)。

(2)懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)的大量配載均位于平臺(tái)艏部，因此建議先將懸臂梁滑移至試驗(yàn)位置再進(jìn)行配載，可以有效避免首樁對(duì)地比壓過(guò)大的情況。

(3)為保證平臺(tái)穩(wěn)定性，負(fù)荷試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓載，僅考慮試驗(yàn)狀態(tài)出現(xiàn)的對(duì)地比壓對(duì)確定預(yù)壓荷載并不夠，預(yù)壓荷載應(yīng)充分考慮試驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大對(duì)地壓力荷載

以上結(jié)論對(duì)降低試驗(yàn)難度、增加試驗(yàn)安全性具有重大意義，為后續(xù)懸臂梁負(fù)荷試驗(yàn)提供有力指導(dǎo)。