張士超,張 臣,吳奇兵,徐光鵬,楊國斌
中海油安全技術服務有限公司 (天津300450)
修井機井架作為修井機起升設備的重要組成部分,在海洋石油修井作業(yè)中起著至關重要的作用。在未有統(tǒng)一的井架安全評定標準之前,國內(nèi)主要采用結構可靠性理論進行評估,通過求得可靠性指標判定井架安全性能[1-4]。在2012年推出標準SY 6326—2012《石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規(guī)范》[5],此標準規(guī)定了井架承載能力分級標準、檢測評定周期及報廢條件,為石油井架承載能力檢測評定的具體實施奠定了基礎。該標準依據(jù)API Spec 4F—2013《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》[6]和AISC 335—1989《鋼結構建筑設計規(guī)范》[7]推薦的相關理論和方法進行計算評定,規(guī)范了實際工程中井架檢測評定內(nèi)容及要求。
目前國內(nèi)對鉆修井井架承載能力評定都是以SY 6326—2012為基礎,但針對不同形式的井架并沒有進行相應的優(yōu)化[8-11]。以某B平臺修井機井架為研究對象,參照標準要求,結合井架特性及現(xiàn)場作業(yè)情況,對井架應力測試加載方法進行優(yōu)化。依據(jù)標準推薦的結構校核理論,基于VB編寫了井架承載能力評估軟件進行井架結構校核。此外,為全面綜合的評估井架承載能力,運用ABAQUS有限元分析軟件對井架進行多種工況下的仿真分析。
應力測試采用美國BDI(Bridge Diagnostics,Inc.)結構應力測試系統(tǒng)。系統(tǒng)包括應變傳感器、節(jié)點模塊、工作基站及移動電源。BDI應變傳感器具有高精、智能、便攜、高效的優(yōu)點。系統(tǒng)采用無線測量技術,免除了電纜運輸和連接的繁重工作,大大地提高了測試效率和測試人員的安全性,非常適合在石油井架等塔架結構中使用。
B平臺修井機井架為直立、前開口K型、側開門、無繃繩、液壓起升、液壓伸縮結構,設計最大鉤載為2 250 kN。井架高33 m,分為井架上段、井架下段、人字架三部分。底座包括上底座、下前底座及下后底座,整個井架結構左右對稱。
布點位置的確定應依據(jù)標準[5]測點布置原則,同時結合現(xiàn)場情況,在滿足標準要求的前提下盡量選擇現(xiàn)場易操作的位置。確定加載布點截面為兩個,詳細布點方案如圖1所示。
圖1 測點布置示意圖
B平臺修井機井架最大承載能力為2 250 kN。測試載荷為鉤載,按要求應不小于設計鉤載的25%(562.5 kN)。為保證數(shù)據(jù)準確性,重復3次測試,每次測試不少于5個載荷值,見表1。測試前儀器初始化調(diào)零,加載時每一級載荷靜止30 s以便記錄數(shù)據(jù)。加載方式利用大鉤上提放置在底座轉盤主梁處的加載工裝,通過指重表直接讀取施加載荷值。
按照加載方案進行逐級加載,采集的應變數(shù)據(jù)如圖2所示。
對于石油鉆機、在用修井機井架的承載能力極限狀態(tài)計算按AISC 335—1989的規(guī)定進行[5]。井架強度應滿足公式(1)和公式(2)的要求。
表1 井架應力測試加載載荷值
圖2 載荷-應變曲線圖
在上式中,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)對應的彎曲軸。
式中:fa為井架承受設計最大鉤載時測試桿件的軸心拉壓應力,MPa;Fa為容許采用的軸心拉壓應力,MPa;fb、Fb分別為井架承受設計最大鉤載時測試桿件的x軸、y軸壓縮彎曲應力,MPa;Fbx、Fby分別為只有彎矩存在時x軸、y軸容許采用的彎曲應力,MPa;Fex′為x軸除以安全系數(shù)后的歐拉應力,MPa,F(xiàn)ey′為y軸除以安全系數(shù)后的歐拉應力,MPa,采用式(4)進行計算;Fy為材料屈服應力,MPa;Cmx與Cmy為系數(shù),對于端部受約束的構件:Cm=0.85[7]。
式中:E為彈性模量,MPa;lb為彎曲平面內(nèi)的實際無支撐長度,mm;rb為回轉半徑,mm;K為彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù),mm。
當只有軸心拉壓應力存在時容許采用的軸心拉壓應力Fa按下列公式計算。
1)當任一無支撐部分的最大有效長細比Kl/r小于Cc時,橫截面符合AISC 335—1989標準1.9節(jié)的規(guī)定,其毛截面上的容許拉壓應力Fa按公式(5)計算:
式中:l為彎曲平面內(nèi)的實際無支撐長度,mm;r為回轉半徑,mm;K為彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù),mm;Fy為桿件材料的最小屈服應力,MPa;Cc為區(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按公式(7)計算:
在利用校核公式進行井架承載能力評估工作中,計算過程繁瑣、復雜,且易出錯。針對這種狀況,筆者應用VB開發(fā)工具,編寫了井架承載能力評估分級軟件(圖3)。該軟件包括基本參數(shù)輸入、應力數(shù)據(jù)輸入、應力擬合、結構校核計算及自動評級等功能模塊。
圖3 井架承載能力評估分級軟件
本套軟件特點:①有原始應力測試數(shù)據(jù)處理能力,可自動擬合出井架額定鉤載下的應力值;②考慮了海油系統(tǒng)內(nèi)井架應力測試習慣,可依據(jù)現(xiàn)場測試工況靈活選擇載荷輸入模式,可輸入多級載荷值;③多種桿件界面類型;④以VB工具為開發(fā)平臺,利于功能擴展;⑤無需安裝,打開即可使用。
該井架主肢為矩形鋼,截面尺寸:長200 mm、寬180 mm、厚8.5 mm,井架上段斷面A處桿件無支撐長度2 400 mm,井架下段斷面B處桿件無支撐長度2 625 mm。鋼材為Q345A,彈性模量2.06×105MPa,屈服極限345 MPa。
將井架相關力學參數(shù),桿件參數(shù)及測試數(shù)據(jù)輸入到軟件中,計算出結構校核系數(shù)UC值見表2。
表2 井架結構校核系數(shù)結果
為驗證軟件計算程序正確性,筆者采用Excel等軟件對計算結果復驗,證明軟件計算結果可靠。
通過結構校核結果可知:該井架在外加載荷2 250 kN作用下,井架承載最不利位置出現(xiàn)在A斷面右前腿處,最大校核系數(shù)為0.57<1.0,因此該井架強度滿足要求。根據(jù)標準的評定條件,該井架實際承載能力為2 250 kN,評為A級,有效期為3年。
現(xiàn)場應力測試能最真實反映井架現(xiàn)有承載能力,但只能評估出井架靜載、無風等理想工況下的受力狀態(tài),有一定局限性。為全面評估出B平臺修井機井架及底座安全狀況與作業(yè)能力,對其進行多種工況下的有限元分析,探討其現(xiàn)有承載能力,以彌補現(xiàn)場測試的不足。
通過現(xiàn)場實測以及圖紙資料,獲取修井機井架及底座總體結構尺寸以及桿件的截面參數(shù)。由于井架及底座的結構較為復雜,為了減少計算工作量,在使用ABAQUS建模時,結合井架及底座的特點,在滿足計算精度的情況下,對井架及底座的實際結構進行簡化,建立接近實際結構的力學模型[10-12]。井架及底座分別選用Q345A鋼及Q235鋼,彈性模量為206×103MPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。
井架載荷包括恒載、工作載荷、風載荷、立根載荷。根據(jù)設計資料及現(xiàn)場調(diào)研,計算匯總見表3。
參考API規(guī)范[6],結合修井機現(xiàn)場作業(yè)情況,該井架及底座包括以下幾種載荷工況,見表4。
在修井作業(yè)過程中,修井機上底座的位置會根據(jù)不同的井口進行相應的變化。由于B平臺油井有3列,因此本修井機上底座有3個不同的工作位置,位置1靠近左側的生活區(qū),從左側至右側,依次為位置1至位置3,如圖4所示。
修井機在不同井位不同工況時傾覆力矩各不相同。從修井機結構和工作井位布置分析可知,不同工況下修井機在1井位時對平臺導軌偏載,整個結構偏心最大,穩(wěn)定性最差,為結構受力最不利位置。因此只要修井機處于1位置時在各工況下滿足承載能力要求,則修井機在任何井位時均可滿足要求。
表3 井架載荷匯總表
表4 井架作業(yè)工況
圖4 井架及底座位置示意圖
3.3.1 有限元計算結果驗證
為驗證并修正有限元模型,對B平臺修井機井架施加與測試工況一致的載荷(只包含井架最大鉤載、鋼絲繩作用力),修井機井架應力分布見圖5;有限元計算結果和現(xiàn)場測試結果對比情況見表5。
圖5 50 kN鉤載下井架與底座應力及位移云紋圖
由表5中數(shù)據(jù)可知,該有限元模型計算結果與現(xiàn)場實測結果誤差較小,最大誤差為9.4%,有限元模型滿足仿真要求。
由最大鉤載工況下的應力分布圖5可得,井架主肢應力較大,橫撐和斜撐的應力情況均較小,這與主肢為井架主要承載桿件的事實相符。井架最大軸向應力出現(xiàn)在第8節(jié)右前肢,應力為155.4 MPa,因為井架從該處開始變徑,彎曲應力變大,且該位置處于前開口處,剛度小。
井架第1節(jié)4個主肢應力范圍40~50 MPa,井架第6節(jié)4個主肢應力范圍在76~90 MPa間。原因是井架第1節(jié)存在加強斜撐,該加強斜撐能將井架下體所承受作用力傳遞至人字架和鉆臺上,故井架第1節(jié)主肢受力較小。
井架上段前主肢受力基本上在90 MPa左右,后主肢受力基本在75 MPa附近,井架上段前主肢受力大于后主肢,原因是前主肢間無橫撐、斜撐,剛度較小,井架工作載荷在前主肢中產(chǎn)生較大的彎曲應力。
由位移分布圖可見,井架整體上段位移相對下段位移大,最大位移處發(fā)生在第8節(jié)與第9節(jié)交界處,位移值1.95 cm。井架上段桿件剛度小,且結構形式為前開口式導致桿件活動自由。而由于井架底部受到約束,側向變形小。
3.3.2 各工況下的分析結果
通過對有限元模型進行修正,對組合的6種工況進行有限元計算,其計算結果見表6。
通過計算,得到B平臺修井機井架在所有工況載荷下的最大應力為190.40 MPa,出現(xiàn)在等候天氣工況(無鉤載、滿立根、側向風速47.84 m/s),位置在人字架與鉆臺支點。該應力值小于井架所用材料的許用應力,安全系數(shù)為1.81。其他工況下最大應力均小于190.40 MPa,表明在上述工況下井架強度滿足工作要求。所有載荷工況下的最大位移為149.20 mm,出現(xiàn)在保全設備工況(無鉤載、無立根、正向風速55.04 m/s),位置處于天車頂橫梁處。
表5 有限元結果與現(xiàn)場應力測試結果對比
表6 B平臺修井機井架及底座有限元計算結果
底座最大應力出現(xiàn)在最大鉤載工況(最大鉤載、滿立根、正向風速25.21 m/s),其應力值為107.50 MPa,位于上底座右前主肢處。該應力值小于底座所用材料的許用應力,安全系數(shù)為3.21。其他工況下最大應力均小于107.5 MPa,表明在上述工況下底座強度滿足工作要求。底座最大位移為2.51 mm,出現(xiàn)在上底座左前段,此值相對于底座自身尺寸較小,說明井架整體剛度較大。
1)該井架實際承載能力為2 250 kN,根據(jù)井架分級評定規(guī)范井架評定級別為A級,有效期為3年。
2)現(xiàn)場應用表明,編寫的軟件系統(tǒng)計算井架承載能力結果與井架實際承載能力基本相符,軟件運行正確,應用方便,簡化了井架承載能力評估工作并大幅提高評估效率。
3)有限元分析計算結果顯示井架及底座滿足強度要求。