韓學武

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

鉆井支持駁船模塊海固設計方法

韓學武

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

鉆井支持駁船（drilling tender barge）是近幾年出現(xiàn)的新型鉆井設施，鉆機模塊裝載在駁船上一同運輸?shù)阶鳂I(yè)海域，再由駁船自身吊機將模塊吊裝安裝到目標平臺進行鉆井作業(yè)。鉆機模塊在運輸過程中需要通過海固（sea-fastening）結(jié)構(gòu)固定在駁船主甲板上。論文主要研究鉆井支持駁船模塊海固結(jié)構(gòu)的設計方法，可為今后類似設施的海固設計工作提供一定的參考。

鉆井支持駁船；拖航運輸；海固結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著海洋石油行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對海上鉆井作業(yè)的需求日益增多，這導致鉆井設施的日租費用水漲船高，同時鉆井設施的運輸和安裝費用也越來越高。鉆井支持駁船（見圖1）是近幾年出現(xiàn)的一種新型鉆井設施，它分為船體和鉆機模塊兩個部分。在運輸過程中鉆機模塊固定在駁船主甲板上，到達目標作業(yè)海域后，通過駁船自身吊機將鉆機模塊吊裝安裝到目標平臺上進行鉆井作業(yè)，同時駁船通過臍帶電纜和軟管為鉆機模塊提供油、水、氣、電和泥漿等鉆井耗材。泥漿池、管堆場和生活樓這些荷載比較大的設施也布置在駁船上，這樣對目標平臺的承載能力要求就大大降低。

圖1 作業(yè)中的鉆井支持駁船

鉆機模塊在拖航運輸過程中需要通過海固結(jié)構(gòu)固定在駁船甲板上。和常規(guī)的一次性運輸海固結(jié)構(gòu)不同，鉆井支持駁船的模塊海固結(jié)構(gòu)需要能夠反復利用。由于駁船主甲板在鉆井作業(yè)時用來儲存鉆桿，所有的海固結(jié)構(gòu)要能夠可拆卸。為方便后期存放，海固結(jié)構(gòu)要能夠拆解成小塊結(jié)構(gòu)。下面將詳細介紹鉆井支持駁船模塊海固結(jié)構(gòu)的設計流程和方法。

1 總體布置

總體布置是將所有的鉆機模塊根據(jù)外形尺寸和重量重心布置擺放到船甲板上?？偛贾弥饕P(guān)注兩方面因素：一是模塊外形，因為船甲板空間極為有限和寶貴，合理地布置模塊十分重要；二是模塊的重量重心，由于所有模塊后期安裝到目標平臺上都要依靠駁船自身吊機，一定要根據(jù)每個模塊重量重心位置和吊機能力曲線核實能否完成模塊吊裝。

在實際的項目中發(fā)現(xiàn)鉆機模塊在船甲板上的布置非常重要，有可能會影響到船體結(jié)構(gòu)設計。所以一定要在項目初期就考慮鉆機模塊的海固總體布置，否則到后期會造成很多麻煩和甚至建造返工。圖2是完成的DTB項目鉆機模塊海固總體布置圖，鉆機模塊已經(jīng)布滿整個駁船甲板面，空間十分緊張。表1是每個模塊的重量信息，可以看出目前的布置每個模塊的重量都小于吊機的吊裝能力，即可以通過駁船自身主吊機完成所有模塊的吊裝安裝。

圖2 DTB項目鉆機模塊海固總體布置圖

表1 DTB項目鉆機模塊重量信息

2 拖航運輸工況荷載選取

海固結(jié)構(gòu)在拖航運輸過程中必須要滿足以下需求：

1）承載模塊豎直向下荷載；

2）抵抗模塊沿船長方向的移動；

3）抵抗模塊沿船寬方向的移動；

4）抵抗模塊由于船體升沉運動產(chǎn)生的向上的荷載。

在拖航運輸過程中對于海固結(jié)構(gòu)的荷載主要有模塊自重、船體運動產(chǎn)生的荷載、摩擦力和風力。

2.1 模塊自重

模塊自重只和模塊質(zhì)量有關(guān)，在分析過程中為保守考慮一般會在模塊質(zhì)量基礎(chǔ)上增加 10%的余量。

2.2 船體運動荷載

船體運動產(chǎn)生的荷載主要是船體橫搖、縱搖和升沉產(chǎn)生的加速度。船體坐標系與運動參數(shù)關(guān)系見圖3。

圖3 船體坐標系與運動參數(shù)

由于船體運動的不確定性，在分析中通常選取以下八個可能發(fā)生的工況組合：

1）+Roll +Heave；

2）+Roll –Heave；

3）–Roll +Heave；

4）–Roll –Heave

5）+Pitch +Heave；

6）+Pitch –Heave

7）–Pitch +Heave；

8）–Pitch –Heave。

2.3 風力

風力的選取需要根據(jù)運輸海域的氣象記錄，如果運輸時間超過30天，那么需要選取10年一遇（周期1 min）的風力[1]進行核算。

2.4 摩擦力

模塊和海固結(jié)構(gòu)間的摩擦力是和模塊的運動趨勢反向的，所以對于海固結(jié)構(gòu)是有利的。摩擦系數(shù)的選取在Noble Denton 0030（Guidelines for Marine Transportations）[2]中給予了推薦，詳見表2。

表2 Noble Denton對應不同重量的貨物最大摩擦系數(shù)選取推薦值

3 模塊海固結(jié)構(gòu)分析

下面將選取DTB項目中井架模塊（Mast）的海固結(jié)構(gòu)分析過程進行詳細介紹。

井架海固結(jié)構(gòu)布置圖如圖 4～圖 6所示。其中，圖4是井架海固結(jié)構(gòu)的平面布置圖和每個支點的編號。由于所有海固結(jié)構(gòu)都需要在鉆井作業(yè)時拆除，所以井架的海固結(jié)構(gòu)是通過插銷固定在甲板上的固定板上的。圖5是結(jié)構(gòu)固定板的布置圖。圖6是井架海固結(jié)構(gòu)立面圖。

圖4 井架海固結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖5 海固結(jié)構(gòu)固定板布置圖

3.1 結(jié)構(gòu)材質(zhì)選取

結(jié)構(gòu)材質(zhì)要根據(jù)項目的實際情況和強度需求選

取，此項目中海固結(jié)構(gòu)主要使用表3所示的幾種材質(zhì)。

圖6 井架海固結(jié)構(gòu)立面圖

表3 海固結(jié)構(gòu)材質(zhì)信息

3.2 許用應力

根據(jù) ABS MODU（Mobile Offshore Drilling Units）[3]規(guī)范，拖航工況結(jié)構(gòu)許用應力分別為：

最大許用剪應力：τmax=0.53Fy。

最大綜合應力：σmax=0.90Fy。

其中，F(xiàn)y為結(jié)構(gòu)材料屈服強度。

3.3 荷載計算

1）井架自重為 W=143×1.1[MT]，在分析過程中增加10%的系數(shù)；

2）船體運動產(chǎn)生的荷載。

此項目計劃使用的干拖運輸船船長為LOA=180[m]，船寬為 LWL=170[m]，型深為B=32[m]。根據(jù) Noble Denton[2]船體運動參數(shù)推薦，此運輸船的極限運動參數(shù)應取Case-1：

最大橫搖 θ=20°，最大縱搖 Φ=10°，周期Tp=10 s，最大升沉0.2g。詳見表4。

表4 Noble Denton船體運動參數(shù)推薦

其次，根據(jù)井架重心與運輸船轉(zhuǎn)動中心相對位置關(guān)系（詳見圖 7）以及船體運動參數(shù)計算出井架模塊在船長（X）、船寬（Y）和豎向（Z）三個方向的受力。

圖7 模塊重心和船體轉(zhuǎn)動中心水平和豎向位置關(guān)系

r值計算：橫搖 rY= sqrt(b2+aY2)；縱搖 rx=sqrt(b2+aX2)。

角加速度計算：橫搖α=θ×π×(2π/Tp)/180。

縱搖β=Φ×π×(2π/Tp)/180。

水平力計算如下：

（1）橫搖（船寬方向）

靜力：重力GHR=Wsinθ ；升沉HHR=0.2Wsinθ；

動力：RH=W×α×b/g。

（2）縱搖（船長方向）

靜 力 ： 重 力 GHP=WsinΦ ； 升 沉HHP=0.2WsinΦ；

動力：PH=W×β×b/g。

豎向力計算如下：

（1）橫搖

靜 力 ： 重 力 GVR=Wcosθ； 升 沉HVR=0.2Wcosθ；

動力：RV=W×a×aY/g。

（2）縱搖

靜 力 ： 重 力 GVP=WcosΦ ； 升 沉HVP=0.2WcosΦ；

動力：PV=W×β×aX/g。

船體運動產(chǎn)生的各個方向荷載詳見表5。

表5 船體運動工況組合

圖8為C1荷載組合示意圖。

圖8 工況C1荷載分解示意圖

3）風力荷載

拖航計算中一般選取10年一遇，周期為1 min的海域風力（海平面以上10 m高度平均風速）。

模塊所受風力荷載的計算公式為：F=(ρ/2)u2CsA

式中，F(xiàn)為風力；ρ為空氣密度；u為模塊受風面積形心高度的風速；Cs為形狀系數(shù)；A為模塊受風面積。其中，u=u0×(1+0.137ln(H/10))。見圖9。

Cs可以根據(jù) API RP 2A[4]在 0.5～1.5之間選取。

圖9 模塊受風面積與高度示意圖

由于風向的不確定性，在分析過程中需要考慮從各個方向吹向模塊的可能性（見圖10）。經(jīng)過必選，最后選取了8個最危險的工況組合，如表6所示。

圖10 風力和船體運動工況組合示意圖

4）摩擦力

根據(jù)表2中的推薦值，井架模塊可以選取0.1的摩擦系數(shù)。用摩擦系數(shù)乘以模塊和海固結(jié)構(gòu)間的壓力得到摩擦力 Ff，在校核海固結(jié)構(gòu)時可從水平力中減去摩擦力。

經(jīng)過以上工況荷載組合可以得到井架模塊在拖航運輸過程中所受的荷載總和，然后將這個總和分解到8個支點上，最終得到這8個支點對應的海固結(jié)構(gòu)所需要承受的最大荷載，詳見表7。

表6 風力和船體運動工況組合

表7 井架模塊在拖航運輸過程中各支點最大荷載

圖11 井架模塊601支點海固結(jié)構(gòu)圖

3.4 結(jié)構(gòu)強度分析

本文選取601支點的海固結(jié)構(gòu)進行簡要的分析說明。601支點的海固結(jié)構(gòu)是由鋼板焊接而成，詳細尺寸見圖11和圖12。

結(jié)構(gòu)分析選用了有限元分析軟件ANSYS，結(jié)構(gòu)模型的建立選用了板殼單元SHELL181。

601支點的海固結(jié)構(gòu)只承載豎向（Z）荷載和沿船長（X）方向的荷載。井架的豎向和水平荷載通過銷子鉸接點C點傳遞給海固結(jié)構(gòu)；海固結(jié)構(gòu)通過和船體連接的鉸接點A和B將水平力傳遞給船體結(jié)構(gòu)，通過底板將豎向力傳遞給船體結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際受力情況進行的約束和加載方式詳見圖13。海固鉸接點、模型邊界約束、模型荷載施加見

圖14～圖16。

圖12 海固結(jié)構(gòu)現(xiàn)場建造照片

圖13 601支點海固結(jié)構(gòu)ANSYS分析模型

圖14 海固鉸接點示意圖

圖15 模型邊界約束示意圖

圖16 模型荷載施加示意圖

經(jīng)過ANSYS運算分析得到601支點海固結(jié)構(gòu)最大綜合應力為 52.96 MPa（小于許用綜合應力319.5 MPa），最大剪切應力28.15 MPa（小于許用剪切應力188.15 MPa）。應力值及分布情況詳見圖17和圖 18。分析結(jié)果顯示海固結(jié)構(gòu)強度滿足強度需求。

圖17 601支點海固結(jié)構(gòu)綜合應力示圖

圖18 601支點海固結(jié)構(gòu)剪切應力示圖

4 建造和安裝問題

在后期的現(xiàn)場建造和安裝過程中，發(fā)現(xiàn)了一些設計中考慮不周到的地方，這些問題對以后的設計工作有著非常重要的指導意義。

1）設計冗余量過大。設計人員經(jīng)常容易犯的一個問題就是設計的結(jié)構(gòu)過強，也即設計冗余量過大。設計冗余量過大往往會帶來建造成本的浪費和施工及安裝麻煩。

2）吊裝吊點。后期發(fā)現(xiàn)每塊海固結(jié)構(gòu)重量都有幾百公斤以上，現(xiàn)場工人根本無法人工搬運，需要在海固結(jié)構(gòu)上又增加了自身吊裝吊點。

3）建造公差和安裝配合。由于鉆井支持駁船要求海固結(jié)構(gòu)可以反復利用，所以海固結(jié)構(gòu)與船體以及鉆機模塊之間有很多的銷子或螺栓連接配合，如果使用連接件應留有足夠的公差許用量，需要的話可以采取現(xiàn)場確定開孔的做法。圖19和圖20是井架模塊安裝到海固結(jié)構(gòu)上的過程。

圖19 井架模塊安裝到海固結(jié)構(gòu)上

5 結(jié)論

2014年 7月以來石油價格的驟降給石油行業(yè)特別是鉆井行業(yè)帶來了沉重的打擊，對于鉆井費用的降低變得迫在眉睫。特別是小型邊際油田的開發(fā)，更是需要一種簡便低廉的鉆井設施。鉆井支持駁船是一種非常好的方案，并且逐漸被市場所接受。鉆機模塊在船體上的運輸海固設計是整個設施必不可少的一部分，起著關(guān)鍵性作用，一個好的設計可以節(jié)省大量的建造/安裝時間及成本。

圖20 井架模塊和海固結(jié)構(gòu)銷孔對接安裝

本文從荷載選取、工況組合、結(jié)構(gòu)分析以及實際建造中遇到的問題等幾個方面介紹了鉆井支持駁船模塊海固結(jié)構(gòu)的設計方法。希望對于以后的類似設施海固設計能夠起到啟發(fā)和指導作用。同時需要注意的是，設計必須基于實際的項目情況來開展，不可以死板照搬。

[1]DNV.DNV OS H101, Offshore Standard Marine Operations General[S].2011.

[2]Noble Denton.Noble Denton 0030ND Rev 5-22 June 2013 Guidelines for Marine Transportations[Z].2013.

[3]ABS MODU.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2015.

[4]WSD.API RP 2A-WSD, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms (WSD 21st edition)[Z].2007.

Design Philosophy of Module Sea-fastening on Drilling Tender Barge

Han Xue-wu
(Shanghai Richtech Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

Drilling tender barge is a new type drilling facility appeared in recent years.Drilling modules are loaded on the tender barge and are transported to the target area, then installed on the topside by the barge own crane.The sea-fastening structure is required to secure the drilling modules fixed on the barge main deck during the process of transportation.The paper mainly studies the design philosophy of modules sea-fastening on drilling tender barge, which hopefully can provide a reference for the similar sea-fastening design.

drilling tender barge; offshore-transportation; sea-fastening structure

U663.7

A

10.14141/j.31-1981.2016.06.010

韓學武（1983—）男，工程師，研究方向：海洋工程、鉆井設施設計。