曹常青，何 博

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2016-2020年中國海洋石油行業(yè)現(xiàn)狀分析與發(fā)展前景研究報告顯示，世界海洋油氣儲量很豐富，而且海洋油氣產(chǎn)量將會穩(wěn)步上升，成為世界油氣產(chǎn)量增長的源泉。由于深海的極大魅力，未來幾年，在深海的投資將會不斷增大，深海油氣所占的比重也會越來越大。油氣資源勘探開發(fā)向深海進(jìn)軍已成必然趨勢，應(yīng)加大深海裝備研制力度，提升關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)能力，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，建立完善的產(chǎn)業(yè)鏈，增強(qiáng)海洋石油裝備制造能力，促進(jìn)裝備制造業(yè)持續(xù)發(fā)展。

目前，國內(nèi)外客戶對非常規(guī)鉆機(jī)需求增大，對鉆機(jī)零部件要求也逐步提高，部分用戶需求完整的8 000 m提升設(shè)備，包括井架、絞車、游車等部件；部分用戶出于對海洋鉆井的惡劣工況考慮，尤其臺風(fēng)、地震等因素，要求提升設(shè)備中的井架承載能力達(dá)到5 000～5 850 kN，其余設(shè)備如絞車、游車等則采用4 500 kN規(guī)格，針對上述情況，為了滿足鉆機(jī)在不同工況下的鉆井需求，在安全、可靠、先進(jìn)、方便、經(jīng)濟(jì)、滿足HSE要求的前提下，設(shè)計出最大鉤載為5 850 kN的8 000 m海洋自舉式井架。

1 總體設(shè)計

(1) 井架參數(shù)見表1。

表1 井架參數(shù)

(2) 起升形式：自舉式井架起放采用井架本身的起升裝置，以固定在井架底段上的液壓絞車為動力分段整體垂直起升，特別適合于海洋鉆井平臺或井場場地小的井場環(huán)境[4]。

(3) 主體結(jié)構(gòu)：井架主體分六段，為運(yùn)輸方便，每段分左右兩片，以后側(cè)中心線為界分開，在現(xiàn)場將二段以上各段左右段用高強(qiáng)度螺栓分別連成整體，用彎銷鎖緊螺母放松。

(4) 主體材料選?。菏走x材料為HG785，但由于HG785成本較高，可用舞陽鋼廠生產(chǎn)的相同級別材料代替。本方案中主材型材選用HW300X305X15X15，材料選用Q460B，板材及其余型材也采用此材料。主要受力軸采用40CrNi2MoA(相當(dāng)于ASTM4340)材料，段連接銷多采用42CrMo材料。主要材料性能參數(shù)見表2。

表2 主要材料性能參數(shù)

(5) 井架二層臺可調(diào)指梁設(shè)計：將二層臺指梁設(shè)計為大小管套裝形式，指梁大管在小管上左右滑動，到位后采用雙螺栓頂死，實現(xiàn)指梁可調(diào)，除滿足5 7/8”鉆桿排放外，同時可滿足5 1/2”、5”、4 1/2”及更小規(guī)格鉆桿的排放。

圖1 自舉式井架三維模型

2 三維建模及分析計算

圖1為自舉式井架三維模型。井架分析計算采用SAFI Quality Software Inc 公司的 SAFI軟件，對該井架鋼結(jié)構(gòu)在起放、作業(yè)等各種工況組合下的受力進(jìn)行分析及計算，使之安全、經(jīng)濟(jì)、實用，完全滿足用戶要求，并遵循API-4F第4版及 AISC 335-89的規(guī)定。該軟件是專門為鉆機(jī)設(shè)備提供的分析計算軟件，為真實的模擬鉆機(jī)提供了良好的有限元分析。井架設(shè)計計算完全遵循美國石油學(xué)會API 4F《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》、美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會AISC 335-89中的有關(guān)規(guī)定。按AISC中組合應(yīng)力校核公式，在SAFI處理模塊中對每一單元進(jìn)行校核，并以UC值(limit states summary)加以表示出來，UC值≤1則符合設(shè)計計算，并最終提供完整的井架計算報告[2]。

整體結(jié)構(gòu)的UC值如圖2和圖3所示，從分析結(jié)果可以看出，在作業(yè)工況和起升工況下井架所有構(gòu)件UC值均小于1，由上述模型分析可知，井架能夠抵抗井架作業(yè)工況和起升工況的組合載荷，符合API-4F第四版的規(guī)范要求，在對應(yīng)工況下結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 重要零部件校核及計算

(1) 天車滑輪組主軸校核。天車滑輪組主軸計算模型如圖4所示。

圖2 作業(yè)、可預(yù)見、不可預(yù)見、 地震工況下構(gòu)件UC值

圖3 最大起升力工況下構(gòu)件UC值

圖4 天車滑輪組主軸計算模型

主軸材料為40CrNi2MoA，滑輪軸直徑：d=304.8 mm，彎曲長度：L=1 194 mm，密度ρ=7 850 kg/m3，屈服極限Fy=750 MPa，抗彎模量Wz=πd3/32=2.78×106 mm3，滑輪寬度W=108 mm，質(zhì)量Gs=4.63 kN，滑輪數(shù)量N=7，額定靜鉤載：F=5 850 kN。

滑輪軸單位長度質(zhì)量(每毫米質(zhì)量)：

q1=ρ·π·(0.5d)2·g=5.617 kN/m

滑輪對天車軸的壓力：

最大剪力：

最大彎矩：

最大剪應(yīng)力：

結(jié)論：根據(jù)API 4F 4 th要求，彎曲屈服安全系數(shù)最小為1.67，故天車滑輪組主軸安全。

(2) 井架大腿支座螺栓群組校核

井架大腿支座螺栓連接圖，如圖5所示。

圖5 井架大腿支座螺栓連接圖

螺栓規(guī)格：GB/T 5782-2000 螺栓M39×240， 材質(zhì)8.8級，螺栓有效長度L=120 mm，螺栓數(shù)量：10個。根據(jù)[AISC J2.5]公式：

則，單個螺栓的抗剪承載能力：

單個螺栓的承拉承載能力：

井架模型中拉力最大工況時：Fx=-140.823 1 kN

Px=|Fx/6 |=23.47 kN≤2 059.2 kN

故螺栓承拉安全。

井架模型中剪力最大工況時：

Fy=1 763.163 07 kN，F(xiàn)z=-386.2108 kN

故螺栓承剪安全。

(3) 井架段連接銷校核

井架段連接銷圖，如圖6所示。段連接銷材料均采用42CrMo，由于段與段貼合度為75%，銷子及耳板不考慮壓力，僅考慮拉力和剪力。

圖6 井架段連接銷圖

拉力最大工況：

Fx=1 214.5211 kN，F(xiàn)y=7.5253 kN

銷子驗算：采用直徑Ф52銷子

雙銷子承擔(dān)的最大剪力：

雙銷子的承載力為：

3.14×10-3=936.08 kN

936.08kN>607.27kN，故銷子直徑Ф52符合設(shè)計要求，銷子安全。

4 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過三維建模有限元分析及重要零部件的校核，證明該井架滿足作業(yè)工況的要求。

(2) 通過三維建模→工況計算→設(shè)計修整→計算驗證的設(shè)計路線，為井架結(jié)構(gòu)的選材和減重提供了依據(jù)，從而進(jìn)行井架優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約成本，增強(qiáng)市場競爭力。

(3) 此井架設(shè)計吸取了國內(nèi)外海洋平臺井架設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)海洋用戶的要求做了部分改動及優(yōu)化，適合國內(nèi)海洋鉆機(jī)市場。