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(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

海洋井架作為鉆井平臺(tái)鉆機(jī)起升系統(tǒng)的主要設(shè)備[1]，其承受的載荷比陸地鉆機(jī)要復(fù)雜得多，不僅承受工作載荷和風(fēng)載的作用，還承受海浪和海流等動(dòng)載作用。塔型井架橫截面為矩形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，承載能力強(qiáng)[2-3]，主要起到懸掛頂驅(qū)、游車、吊環(huán)及支撐天車等作用，內(nèi)部頂驅(qū)導(dǎo)軌對(duì)頂驅(qū)具有導(dǎo)向作用。海洋塔型井架主要由井架本體、天車臺(tái)、天車架、二層臺(tái)和立管平臺(tái)等組成[4]。海洋鉆井平臺(tái)承受海洋風(fēng)、浪、流、冰載荷以及地震載荷等作用，載荷不確定，工況十分復(fù)雜，因此，設(shè)計(jì)海洋鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)件時(shí)，強(qiáng)度分析是其設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵步驟。

1 總體方案與結(jié)構(gòu)說明

HJJ450/47-T塔型井架是7 000 m海洋鉆機(jī)的關(guān)鍵承載部件，其主要作用是用于起下鉆桿、排放立根和懸掛頂驅(qū)等。HJJ450/47-T井架結(jié)構(gòu)見圖1，特點(diǎn)如下。

圖1 HJJ450/47-T塔型井架結(jié)構(gòu)方案

1)井架整體形狀為瓶頸式結(jié)構(gòu)，也稱酒瓶式結(jié)構(gòu)。井架主體分為上體和下體。整個(gè)井架主體橫截面為方形，井架結(jié)構(gòu)為可拆卸，采用螺栓封裝連接的鋼架結(jié)構(gòu)。井架四面在二層臺(tái)上方發(fā)生變化，且四面錐度均相同，井架四面下段為直立結(jié)構(gòu)。井架下部空間大，能滿足臺(tái)面和二層臺(tái)處的各種機(jī)械設(shè)備的布置和操作，絞車安裝在井架內(nèi)。目前，海洋平臺(tái)大部分鉆機(jī)井架都是采用的瓶頸式塔型結(jié)構(gòu)[5]。

2)采用兩個(gè)大角鋼，尺寸為200 mm×200 mm×20 mm，兩角相對(duì)焊成十字形截面組成井架主腿。4根主腿和橫撐斜撐經(jīng)過螺栓連成一個(gè)整體組成井架主體，其穩(wěn)定性好，承載能力強(qiáng)。

3)采用菱形桁架結(jié)構(gòu)組成四面腹桿結(jié)構(gòu)，減少了風(fēng)力對(duì)井架的載荷作用。

4)二層臺(tái)安裝高度距離鉆臺(tái)面為26.5 m，二層臺(tái)由臺(tái)體、擋風(fēng)墻、遮陽棚、走道及井架工操作臺(tái)等組成；臺(tái)體邊緣焊有擋腳板以加強(qiáng)井架工的操作安全性，指梁上設(shè)有安全鏈及卡板方便放置立根；二層臺(tái)上還配有氣動(dòng)絞車用于排放鉆鋌和鉆桿。

5)井架配有立管臺(tái)、套管扶正臺(tái)、死繩固定器及大鉗平衡重等裝置，還配有通往天車及二層臺(tái)的梯子及防墜落裝置。

①井架主要技術(shù)參數(shù)。

最大靜鉤載(無風(fēng)載、無立根、6×7繩系)為4 500 kN；

井架有效高度47 m；

井架底部開檔 (正面×側(cè)面)9.144 m×9.144 m；

井架頂部開檔 (正面×側(cè)面)3.8 m×3.8 m；

二層臺(tái)高度26.5 m。

②二層臺(tái)容量。

5"鉆桿，28 m立根5 000 m；

5-1/2"鉆桿，28 m立根1 500 m；

8"鉆鋌12柱；

9-1/2"鉆鋌6柱；

11"鉆鋌1柱

③允許風(fēng)速。

預(yù)期工況(無鉤載，無立根，游吊自重)58.7 m/s(114 kn)；

非預(yù)期工況(無鉤載，滿立根，游吊自重)51.7 m/s(100 kn)；

工作工況(最大鉤載，滿立根)33.2 m/s(65 kn)。

2 井架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

采用專業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件SAFI對(duì)井架和天車結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。SAFI軟件是加拿大SAFI Quality Software公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件，廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)計(jì)算分析[6]。SAFI軟件中的PSE模塊，即石油結(jié)構(gòu)工程分析軟件主要用于石油鉆井結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度分析和校核，PSE模塊完全能夠滿足各種環(huán)境載荷(風(fēng)、浪、流、冰和地震等)的自動(dòng)施加和計(jì)算，完成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和分析。

SAFI軟件采用通用的交互式界面建立有限元模型、加載、施加邊界條件、結(jié)果查看和處理等，所有軟件動(dòng)作均能在同一個(gè)界面完成并生成有限元計(jì)算分析報(bào)告。

2.1 模型處理

結(jié)構(gòu)主要由井架和天車等組成。井架分為井架上體和井架下體，由角鋼及H型鋼構(gòu)成。桿件之間通過螺栓連接，井架整體為空間鋼架結(jié)構(gòu)。為了有限元分析的需要，特對(duì)井架力學(xué)分析模型做如下處理。

1)井架的各桿件均連接可靠，各連接結(jié)點(diǎn)處理成剛性連接方式；由于采用螺栓連接，有些連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度可能達(dá)不到要求，因此在模型處理時(shí)對(duì)單板連接的端點(diǎn)處理成沿連接板面方向不約束。

2)井架與臺(tái)面4個(gè)支腿連接點(diǎn)采用固定連接(FIX)。

3)天車臺(tái)、二層臺(tái)和井架主體在建模時(shí)設(shè)為一整體結(jié)構(gòu)，靜鉤載、死繩力、快繩力等作用在天車梁上。立根風(fēng)載和立根對(duì)井架的靠力作用在二層臺(tái)上。

4)井架附件，如梯子、天車欄桿、大鉗平衡重、套管扶正臺(tái)等在建模時(shí)予以忽略，在計(jì)算井架自重時(shí)通過乘以一定的放大系數(shù)(1.55)而考慮附件的重量，天車上增加60 kN的集中載荷，以考慮天車滑輪和輔助滑輪的重量影響；

5)根據(jù)截面尺寸不同，把各桿件劃分為角鋼(L)、窄邊工字鋼(W)、寬邊工字鋼(W)、矩管(HSS)、管(HSS)、槽鋼(C)等單元類型[7-8]。

2.2 載荷計(jì)算

井架主要承受最大額定靜鉤載、風(fēng)載、二層臺(tái)立根水平靠力、天車死繩力和快繩力等載荷作用。具體可分為以下幾類。

1)靜載荷。即作用在井架上的不變固定載荷，包括井架自身的重量以及安裝在井架上的各種設(shè)備工具的重量。在SAFI軟件中，井架重量可自動(dòng)施加，其他附件和工具的重量可以通過集中載荷的方式均勻分布到相應(yīng)的各井架節(jié)點(diǎn)上。

2)作業(yè)載荷。主要是井架在鉆井過程中，作用在井架上的載荷，包括最大額定靜鉤載、立根水平靠力、天車死繩力和快繩力、頂驅(qū)扭矩等。

7 000 m塔型井架在工作工況時(shí)的鉤載為4 500 kN。其余工況下的鉤載為游動(dòng)系統(tǒng)的重量。

立根對(duì)井架的水平靠力為

F=G/2tanθ

(1)

式中：G——立根重力;

θ——立根向前、向左(右)與鉛垂線夾角。

θ根據(jù)鉆臺(tái)面立根盒和二層臺(tái)位置尺寸設(shè)計(jì)確定。此處，立根向左(右)水平靠力為FR1=((3 00/4)tan1.6°)/1 975=10.6 N/mm；向前FR2=((3 000/4)tan1.6°)/2 700=7.75 N/mm。該1.6°是根據(jù)鉆臺(tái)面立根盒和二層臺(tái)位置尺寸設(shè)計(jì)確定的。

死繩拉力FS=4 610/12=384.2 kN?？炖K拉力FK=4 610×0.106=488.7 kN。頂驅(qū)工況轉(zhuǎn)矩為87 kN·m。

3)風(fēng)載。根據(jù)API 4F第3版[9]規(guī)范要求，風(fēng)載的計(jì)算包括井架各個(gè)構(gòu)件的風(fēng)載、擋風(fēng)墻風(fēng)載、立根承受的風(fēng)載及游動(dòng)系統(tǒng)風(fēng)載等。

SAFI軟件能夠自動(dòng)施加風(fēng)載于井架構(gòu)件。擋風(fēng)墻按照投影面積及形狀系數(shù)計(jì)算風(fēng)載?？紤]建模的準(zhǔn)確性，取井架構(gòu)件和擋風(fēng)墻的屏蔽和縱橫比修正系數(shù)Ksh為0.85。

在工作工況和非預(yù)期工況下需計(jì)算立根排放時(shí)的風(fēng)力對(duì)整個(gè)井架的影響。

計(jì)算游動(dòng)設(shè)備風(fēng)載時(shí)，假定游動(dòng)設(shè)備距鉆臺(tái)面高度為井架有效高度的0.7倍處進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)立根靠力加速度沿單獨(dú)X、Z方向時(shí)，加速度為0.23g，沿45°、135°、225°、315°方向時(shí)加速度為0.164g。

根據(jù)API規(guī)范分別校核井架在工作工況、預(yù)期工況、非預(yù)期工況和地震工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。載荷組合工況見表1。其中，每個(gè)工況根據(jù)風(fēng)向的變化又可分為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°共8個(gè)工況。

表1 載荷組合工況

2.3 計(jì)算結(jié)果

圖2 幾種工況的ULS值

SAFI軟件中，提供“極限狀態(tài)”(Limit States)值來評(píng)判結(jié)構(gòu)中各單元的分析結(jié)果，且提供了兩種載荷組合類型可供選擇，即“強(qiáng)度極限狀態(tài)”(ultimate limit state，ULS)和“工作性能極限狀態(tài)”(serviceability limit state，SLS)。井架分析中，選用ULS來評(píng)定單元的分析結(jié)果，其等效于SACS軟件提供的“單元檢查”(unity check，UC值)[10-11]。該值代表了單元實(shí)際受力和許用力的比值，綜合考慮了單元受拉、壓、剪切、壓彎和拉彎等各種載荷情況的計(jì)算結(jié)果，完全遵循AISC 335—89規(guī)范要求，只要ULS<1.0，表示該單元強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足AISC規(guī)范要求[12]。幾種工況的ULS值見圖2。從圖2的ULS值可見，井架在工作工況、預(yù)期工況、非預(yù)期工況和地震工況下，所有井架構(gòu)件的ULS值均小于1，說明HJJ450/47-T塔型井架整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。

3 井架測(cè)試試驗(yàn)

3.1 測(cè)點(diǎn)布置依據(jù)

根據(jù)井架的實(shí)際受力情況以及受力特點(diǎn)，井架的4個(gè)主大腿及天車梁為主要承受載荷構(gòu)件，因此布點(diǎn)著重考慮井架大腿和天車梁。井架從上到下總共選取6個(gè)測(cè)試截面，即井架上段天車附近、井架上段中部、二層臺(tái)縮口處、井架下段中部和井架底部開口處截面。對(duì)稱布置測(cè)點(diǎn)，總共布置的測(cè)點(diǎn)為74個(gè)。井架應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)見圖3。全部測(cè)試點(diǎn)均按圖示位置，沿桿件軸線受力方向貼片，分組公共補(bǔ)償。

圖3 井架應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)示意

3.2 測(cè)試方案

對(duì)井架進(jìn)行最大靜鉤載試驗(yàn)，單獨(dú)制作井架試驗(yàn)裝置，采用絞車提升游車大鉤進(jìn)行井架的靜鉤載加載試驗(yàn)，采用DH5923型動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，該分析系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。井架加載試驗(yàn)主要用到的設(shè)備見表2。

表2 靜鉤載試驗(yàn)設(shè)備

大鉤負(fù)荷實(shí)驗(yàn)前反復(fù)加載大鉤，載荷負(fù)荷值不超過500 kN，使各種測(cè)試狀態(tài)處于最佳狀態(tài)時(shí)開始測(cè)試。按1 700，2 250，2 850，3 150，3 600，4 000，4 500 kN逐級(jí)加載，重復(fù)測(cè)試次數(shù)為3次。其中最大靜鉤載加載時(shí)間為5 min。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

記錄應(yīng)變值，通過σ=E×ε，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。應(yīng)力在天車梁部分A系列節(jié)點(diǎn)、二層臺(tái)部分E系列節(jié)點(diǎn)和井架大腿與鉆臺(tái)連接處H系列節(jié)點(diǎn)應(yīng)力相對(duì)較大。加載4 500 kN測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 HJJ450/47-T井架應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由于井架作業(yè)狀態(tài)時(shí)的絞車快繩拉力、死繩固定器位置等因素的影響，應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示各大腿應(yīng)力不太均勻。試驗(yàn)鉤載達(dá)到4 500 kN時(shí)，井架大腿各測(cè)點(diǎn)受力基本正常，左右大腿受力比較均衡，后大腿受力稍大于前大腿受力。

井架主體材料Q345，屈服強(qiáng)度σ1=345 MPa;天車材料為HG785D，屈服強(qiáng)度σ2=685 MPa。API(美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))認(rèn)為井架靜強(qiáng)度安全系數(shù)必須達(dá)到1.67以上才能符合安全要求。因此井架主題和天車梁的許用安全應(yīng)力為

井架承受最大鉤載4 500 kN時(shí)，井架主體最大應(yīng)力σ1max=189.03 MPa，天車梁最大應(yīng)力σ2max=316.21 MPa，均小于許用安全應(yīng)力。

經(jīng)測(cè)量天車梁位置偏移，得到井架頂部正面(前、后)位移為45 mm，側(cè)位移(左、右)為39 mm。且卸載后井架能回復(fù)到原位，各部位無殘余變形，焊縫不開裂，銷子、螺栓等連接部位無壓潰情況。井架的靜鉤載試驗(yàn)結(jié)果滿足強(qiáng)度和剛度要求。

4 結(jié)論

1)利用SAFI軟件進(jìn)行海洋井架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核非常方便，完全滿足各種風(fēng)、地震等各種環(huán)境載荷的加載和計(jì)算，整個(gè)分析計(jì)算相比其他有限元分析軟件更加簡(jiǎn)便，SAFI可以作為石油鉆井結(jié)構(gòu)件的便捷計(jì)算分析工具。

2)靜載荷測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)有限元仿真分析過程的正確性，因此在進(jìn)行計(jì)算機(jī)有限元分析時(shí)，對(duì)加載沒有影響的附屬構(gòu)件可做簡(jiǎn)化處理，如此可減少計(jì)算分析的工作量。

3)通過有限元分析和測(cè)試試驗(yàn)的結(jié)果能夠判別井架作業(yè)時(shí)的富裕構(gòu)件、危險(xiǎn)構(gòu)件及危險(xiǎn)截面，為后續(xù)的海洋平臺(tái)鉆井井架的使用維護(hù)及延壽等提供參考和依據(jù)。

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