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        7 000m海洋模塊鉆機滑軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        2012-12-05 02:41:52張建勇胡澤剛李玉鵬
        石油礦場機械 2012年6期
        關(guān)鍵詞:翼緣板滑軌筋板

        張建勇,王 寧,胡澤剛,陶 強,李玉鵬

        (1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 油田建設(shè)工程分公司,天津 300452;2.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,深圳 518067)

        海洋平臺模塊鉆機的DES鉆井模塊通常由下底座和鉆臺面2部分構(gòu)成,可通過雙向滑移來覆蓋整個井口區(qū),以完成鉆修井作業(yè)。鉆機滑軌采用焊接方法固定在平臺組塊頂層甲板主梁上方,用于承載DES模塊的整體作業(yè)載荷和滑移載荷。

        在海洋平臺模塊鉆機的鉆井深度達到7 000m時,大鉤載荷4 500kN,立根載荷2 700kN,井架、絞車、泥漿罐和振動篩的質(zhì)量也明顯增大。平臺甲板滑軌作為重要的承載結(jié)構(gòu),受到的支點反力比5 000m鉆機增加約30%[1]。本文應(yīng)用有限元法對模塊鉆機滑軌結(jié)構(gòu)進行強度和剛度分析,在不改變滑軌主結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出適應(yīng)7 000m模塊鉆機滑軌的優(yōu)化設(shè)計方案。

        1 模塊鉆機支點反力

        模塊鉆機支點反力是滑軌的翼緣板、腹板和筋板設(shè)計的控制因素,對平臺組塊甲板框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計有重要影響。

        影響模塊鉆機支點反力的主要因素有4個方面。

        1)模塊鉆機DES模塊上的機械、電氣、儀表、通訊、配管和舾裝等專業(yè)設(shè)備的載荷。這部分荷載是支點反力的主要組成部分,也是結(jié)構(gòu)設(shè)計控制因素之一。

        2)模塊鉆機總體布置方案。主要指滑軌間距,DES模塊各層甲板面積、層高以及設(shè)備布置時的偏心情況等,這些是影響支點反力分配的重要因素。

        3)平臺井口區(qū)布置形式,例如井口數(shù)量、間距和與滑軌的距離等。鉆機作業(yè)需要覆蓋所有的井位,當井口區(qū)某一方向的井位較多或是井口偏向一側(cè)滑軌時,會引起該側(cè)滑軌支點反力急劇增加,甚至80%以上的鉆機載荷都會集中在該側(cè)滑軌上,對滑軌的結(jié)構(gòu)強度非常不利。

        4)模塊鉆機結(jié)構(gòu)框架方案設(shè)計。一方面是指合理設(shè)置支點數(shù)量,另一方面是指在滿足剛度和強度的前提下,控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量,優(yōu)化傳力路徑,從而減小支點反力。

        通過搜集整理國內(nèi)多個模塊鉆機項目資料,統(tǒng)計出4 000、5 000及7 000m模塊鉆機的滑軌支點反力,如表1所示。

        表1 滑軌支點反力對比數(shù)據(jù)

        2 滑軌加強方案

        1)在滑軌翼緣板下方增加垂直于腹板的筋板,筋板間距根據(jù)支點反力大小進行調(diào)整。

        2)增加翼緣板、腹板和筋板的厚度或提高材料等級。

        對于7 000m模塊鉆機,甲板滑軌的翼緣板厚度為70mm,腹板厚度為50mm,筋板厚度為38 mm,筋板間距為280mm。通過增加板厚、加密筋板的方式提高滑軌承載力,會大幅增加滑軌鋼材用量和現(xiàn)場焊接檢驗難度,而且容易出現(xiàn)焊接變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象[2]。

        通過多種加強方式的對比研究,設(shè)計出滑軌加強方式的優(yōu)化和改進方案:在滑軌翼緣板下方,設(shè)置兩條平行于腹板的縱向筋板,高100mm、厚25 mm。通過這種改進方式,在不改變滑軌結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上,能夠大幅提高滑軌的承載能力,如圖1。

        圖1 滑軌優(yōu)化和改進方案

        3 有限元方法分析

        為準確模擬滑軌的受力情況,將鉆機滑軌以及甲板組塊的主梁、主立柱和斜撐結(jié)構(gòu)都進行了模擬[3],如圖2~3。

        圖2 滑軌無縱向筋板

        圖3 滑軌有縱向筋板

        滑軌的邊界條件選取原則是:組塊主立柱端部為6個自由度全部約束,組塊斜撐端部約束3個位移自由度,組塊H型鋼端部約束x和y方向位移自由度。

        選擇模塊鉆機位于極限井位時最大的支點反力,如表2。圖4為有限元模型加載及邊界條件示意圖。

        表2 滑軌支點反力的最大值 kN

        圖4 滑軌模型邊界條件及加載

        4 結(jié)果對比分析

        未設(shè)置縱向筋板時,翼緣板中心線附近,即與腹板連接位置,出現(xiàn)較大面積應(yīng)力超標情況;設(shè)置縱向筋板后,翼緣板應(yīng)力超標范圍大幅減小,僅在爬行器開孔處的角點附近出現(xiàn)局部應(yīng)力超標。同時,滑軌整體變形也由9.2mm降低為7.3mm,證明增加縱向筋板可以提高滑軌剛度[4]。應(yīng)力云圖如圖5~6。

        圖5 滑軌翼緣板局部應(yīng)力云圖(無縱向筋板)

        圖6 滑軌翼緣板局部應(yīng)力云圖(有縱向筋板)

        增加縱向筋板與提高板厚的效果對比如表3所示。

        表3 增加縱向筋板與增加板厚效果對比

        5 結(jié)論

        1)在滑軌翼緣板下方增加縱向筋板后,除爬行器開孔處應(yīng)力集中點外,滑軌結(jié)構(gòu)的強度完全滿足規(guī)范要求。應(yīng)力集中點的最大應(yīng)力值由528MPa降低為476MPa,變形也由9.2mm降低為7.3mm。表明增加縱向筋板的加強方案能夠在節(jié)約鋼材的前提下,使滑軌承載能力從7 000kN提高到8 800kN。

        2)引起模塊鉆機支點反力較大的主要因素是鉆井深度增加造成設(shè)備升級和作業(yè)載荷增大。建議在模塊鉆機方案設(shè)計階段綜合考慮各方面因素,通過縮小滑軌間距,合理控制井口數(shù)量以及縮小井口間距,使得鉆機總體布置盡量避免偏心,從而降低鉆機支點反力,保障鉆機作業(yè)安全。

        [1]胡鵬飛,馮翠鑫.PEMEX海洋模塊鉆機技術(shù)方案的實施[J].石油工程建設(shè),2010,36(3):28-32.

        [2]王玉萍,馬永剛,裴志明,等.固定式作業(yè)平臺鉆機移動系統(tǒng)的研制[J].石油礦場機械,2006,35(2):73-75.

        [3]徐田甜.渤海7號鉆井船與渤中26-2平臺適應(yīng)性改造工程中的滑軌設(shè)計[J].中國海上油氣,2004,16(2):126-128.

        [4]韓 宇,栗國浩.海洋模塊鉆機移動步行器優(yōu)化設(shè)計[J].石油礦場機械,2011,40(2):84-86.

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