李小龍

中國石化集團海上石油工程技術局檢驗中心 （山東 東營 257000）

井架是石油鉆（修）井系統(tǒng)中的關鍵設備之一，其安全性能[1]直接關系到整個平臺的安全生產(chǎn)。海洋石油井架長期在海域使用，環(huán)境惡劣，使用過程中結構會逐漸產(chǎn)生腐蝕、變形、疲勞、裂紋以及其它局部或整體的損失等缺陷,導致井架結構承載能力下降，難于滿足設計要求，成為海洋鉆井或修井作業(yè)安全生產(chǎn)中的重大事故隱患[2,3]。因此，準確檢測和評定海洋平臺鉆（修）井機井架承載能力具有重要意義。

1 檢測檢驗的相關法規(guī)和標準

按照國家安全生產(chǎn)管理總局2006年發(fā)布的《海洋石油安全生產(chǎn)規(guī)定》的規(guī)定，海洋平臺鉆（修）井機井架屬于專業(yè)設備，實行發(fā)證檢驗制度，需要由專業(yè)設備檢測機構對井架進行定期檢測。SY 6500-2010《灘（淺）海石油設施檢驗規(guī)程》要求在役井架檢測檢驗進行年度檢驗和定期檢驗，并規(guī)定了檢測檢驗項目和內容,定期檢驗的周期為5年。SY 6442-2010《石油鉆機、修井機井架分級規(guī)范》將石油鉆（修）井機井架按承載能力分為A、B、C、D、E 5個等級，鉆機井架的承載能力為最大承載能力，修井機井架承載能力為額定承載能力。A級檢測周期為5年，B級和C級檢測周期為2年，D級檢測周期為1年。SY/T 6326規(guī)定鉆（修）井機井架應進行外觀檢查和無損檢測，并規(guī)定井架主要受力部位、承受交變應力部位、腐蝕部位、損傷部位、天車底座焊縫等關鍵部位應進行壁厚測量和焊縫的無損檢測，綜合評定方法采用以井架承載能力試驗為主，使用情況調查和井架外觀檢查為輔的評定原則，檢測周期為3年。對前次評定的井架承載能力為設計能力的60%～85%的井架，檢測周期為2年。按照SY/T 6326-2008的要求，海洋石油鉆機和修井機井架承載能力的評定按照SY/T 5025的規(guī)定執(zhí)行。SY/T 5025-1999《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》等效于API Spec 4F《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》，SY/T 5025現(xiàn)已變更為國家推薦性標準。2010年國家質檢總局和標準化委員會發(fā)布了GB/T 25428-2010《石油天然氣工業(yè)鉆井和采油設備鉆井和修井井架、底座》標準。

另外，為保證井架安全運行，國內石油行業(yè)根據(jù)API RP4 G 2002《鉆井和修井井架、底座的檢查、維護、修理與使用的推薦作法》，制定了SY/T 6408-2004《鉆井和修井井架、底座的檢查、維護、修理與使用的推薦作法》，將井架檢查（測）分為I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4類，對于不同的檢查（測）類別，檢查（測）內容和周期不同。

由上述可以看出，海洋石油井架檢測和承載能力評估的相關標準有著不同的要求，建議標準修訂時，將檢測項目、檢測周期、定級方法和標準等做出統(tǒng)一的要求，提高標準可操作性。檢測內容和檢測方法規(guī)定比較粗，檢測機構在對井架進行檢測時，主要檢查井架桿件的變形、損傷、磨損、腐蝕等、井架大腿與桿件測厚、關鍵焊縫的無損檢測及承載能力試驗。井架檢測檢驗和承載能力測試的正確度與檢測檢驗人員的經(jīng)驗和技術水平有著較大的關系。

2 海洋平臺井架承載能力強度計算[4,5]

井架結構件的應力與結構所承受的載荷成線性關系[6]，測試井架結構在2個不同載荷下的應力，依據(jù)線性關系進行外延推算井架結構在極限允許應力條件下的承載能力[4]。跟陸地鉆機和修井機井架相比，海洋平臺井架承載能力測試與計算時應考慮海洋環(huán)境的影響，承載能力評估和井架定級應計算風載所引起的井架桿件應力。

承載能力計算時，風載為:

式中 F—風力，N；

p—風壓，Pa；

A—與風向垂直平面上的總投影面積，m2。

風壓為:

式中 p—風壓；

Vk—風速，m/s；

Ch—高度系數(shù),根據(jù)處于海平面高度進行取值；

Cs—形狀系數(shù),鉆井井架的形狀系數(shù)等于1.25。

當式（3）、（4）≤0.15 時，式（5）可用來替代式（3）和（4）。

在式（3）、（4）和（5）中，與下標 b、m 和 e 結合在一起的下標x和y表示某一應力或設計參數(shù)所對應的彎曲軸。

式中 fa—井架承受設計最大鉤載時，測試桿件的軸心拉壓應力，MPa；Fa—只有軸心拉壓應力存在時容許采用的軸心拉壓應力，MPa；

Fb—只有彎矩存在時容許采用的彎曲應力，MPa；

Cm—系數(shù)，對于端部受約束的構件:Cm=0.85。Fe除以安全系數(shù)后的歐拉應力，采用式（6）進行計算:

式中 E—彈性模量，MPa；

lb—彎曲平面內的實際無支撐長度，mm；

rb—回轉半徑，mm；

k—彎曲平面內的有效長度系數(shù)，mm。

只有軸心拉壓應力存在時容許采用的軸心拉壓應力（Fa）按下式計算:

（1）當任一無支撐部分的最大有效長細比（Kl/r）小于Cc時，橫截面屬于軸心受壓桿件，其毛截面上的允許拉壓應力（Fa）為:

式中 Fy—桿件材料的最小屈服應力，MPa；

Cc—區(qū)分彈性和非彈性屈曲的桿件的長細比。

（2）當（Kl/r）大于 Cc時，軸心受拉壓構件毛截面上的容許拉壓應力為:

井架承載能力計算過程繁瑣，效率低，且容易出錯。為提高分析效率，保證計算結果正確可靠，依據(jù)上述公式和計算方法，用VB開發(fā)了海上石油井架承載能力計算評估軟件（圖1）。進行承載能力檢測分析時，只需要將井架的特征數(shù)據(jù)資料和試驗載荷下測到的應力等輸入軟件，計算和分析過程由軟件進行。

3 承載能力檢測與評估案例

塔形井架HJJ450/47-T某海洋平臺鉆機井架，總高47000mm，下部開口寬度為9144mm，上部開口寬度為3500mm，正面大門高度15500mm，側門高度 6500mm，立柱采用 H300×300×10×16/Q345D，設計極限風速51.5m/s，設計載荷4500kN。

井架常見的缺陷有局部腐蝕、桿件局部彎曲和變形、載荷偏心和焊縫開裂，不同缺陷對井架承載能力有著不同的影響。井架承載能力由其應力最大桿件的應力水平?jīng)Q定。因此，在進行井架檢測和承載能力評估時應對承載能力影響大的缺陷進行重點檢測，應力測試點應選在應力最大的桿件部位。利用Ansys軟件對井架進行有限元分析，分析確定井架工作時應力最大桿件部位，指導架承載能力檢測測試工作，有利于提高海洋平臺井架檢測評估質量。

建立了HJJ450/47-T海洋井架有限元分析模型（圖2）。利用Ansys軟件分析缺陷對井架承載能力的影響及井架最大應力部位（圖3）。分析時，將導致桿件承載截面減小的缺陷都按腐蝕減薄考慮。由圖3可知，腐蝕對塔形井架桿件承載能力的影響最大。井架檢測時，應重點檢查桿件的腐蝕、焊縫裂紋，應力大的桿件壁厚測量。

應用Ansys分析軟件對平臺井架進行有限元分析，建立海洋平臺井架結構桿件應力數(shù)據(jù)庫，針對不同類型和規(guī)格的井架編制檢測操作規(guī)程，明確檢測項目、檢測方法、應力測試點，實現(xiàn)井架檢測操作的標準化。

現(xiàn)場應力測試選用BF120-4BB-11/W應變片，應變傳感器節(jié)點采用SG402無線應變傳感器，該傳感器系統(tǒng)基于802.15.4協(xié)議，可自組織形成星型、線型和網(wǎng)狀網(wǎng)等多種網(wǎng)絡拓撲結構，檢測采用32個節(jié)點，通過BeeData軟件進行應力測試數(shù)據(jù)讀取和存儲，利用軟件進行井架承載能力計算和定級。

在1125kN和1575kN的載荷條件下測試井架大腿的應力值，每種工況測試3次，測試點應力值（表1），以平均值作為承載能力計算的輸入值，經(jīng)計算井架可承載4620kN，高于設計載荷，級別為A。

表1 井架應力測試數(shù)據(jù)

4 結 論

（1）海上平臺石油井架檢測和承載能力評估的相關法規(guī)和標準要求不統(tǒng)一，在標準修訂時應統(tǒng)一標準的要求。

（2）海上平臺石油井架承載能力計算評估時應考慮風載的影響，計算時將風載產(chǎn)生的應力值與試驗測試計算的載荷應力值后進行評定。

（3）開發(fā)了海上石油井架承載能力計算評估軟件，用軟件進行計算可提高計算效率和正確性。

[1]清澄,鄭勇,周娜.在用井架安全性測評技術及方法[J].天然氣工業(yè),1993,13(5):47-49.

[2]萬夫.現(xiàn)役鉆機井架仿真技術及軟件系統(tǒng)研究[D].成都:四川大學,2005.

[3]付春艷,李淼,萬夫,等.海洋鉆機井架承載能力安全評價方法[J].中國測試技術,2008,34(4):109-111.

[4]SY/T 6326-2008石油鉆機和修井機機架、底座承載能力檢測評定方法[S].

[5]GB/T 25428—2010石油天然氣工業(yè)鉆井和采油設備鉆井和修井井架、底座[S].

[6]吳文秀,陳勇,韓興.在役鉆機井架承載能力極限狀態(tài)評定方法及應用[J].石油天然氣學報,2008,30(5):155-157.