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        液壓舉升裝置側(cè)鉆作業(yè)安全穩(wěn)定性分析

        2020-10-09 01:46:46王莉張勝寶袁則名陳鵬飛倪益民吳事難
        關(guān)鍵詞:作業(yè)

        王莉,張勝寶,袁則名,陳鵬飛,倪益民,吳事難

        1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 邊際油田開發(fā)項(xiàng)目組 (天津 300452)

        2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司 (天津 300452)

        由于液壓舉升裝置具有對(duì)海上平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)、模塊化設(shè)計(jì)、單件吊裝重量小于10 t 且易于拆裝等特點(diǎn),在國(guó)外(美國(guó)墨西哥灣、英國(guó)北海、東南亞)海上平臺(tái)已廣泛應(yīng)用于完修井作業(yè)[1]。目前,中海油已使用該設(shè)備成功實(shí)施修井作業(yè)。為拓展液壓舉升裝置的使用范圍,解決目前中海油海上低配修井機(jī)平臺(tái)及無(wú)修井機(jī)平臺(tái)的側(cè)鉆作業(yè)難題,考慮將液壓舉升裝置應(yīng)用于海上平臺(tái)進(jìn)行側(cè)鉆作業(yè)。結(jié)合海上平臺(tái)井槽布置特點(diǎn),為減少多井同時(shí)作業(yè)的安裝時(shí)間,考慮采用簡(jiǎn)易移動(dòng)底座對(duì)液壓舉升裝置進(jìn)行橫縱滑移。

        1 液壓舉升裝置受力分析

        針對(duì)340 K液壓舉升裝置采用ANSYS軟件中的solid187 實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)180 萬(wàn),節(jié)點(diǎn)數(shù)334 萬(wàn),扭矩的施加采用剛性梁?jiǎn)卧S?jì)算條件主要參考GB/T 25428—2015《石油天然氣工業(yè)鉆井和采油設(shè)備 鉆井和修井井架、底座》、SY/T 7089—2016《海洋平臺(tái)鉆機(jī)選型推薦作法》《API Spec 4F—2013標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。最大設(shè)計(jì)風(fēng)速按API Spec4F—2013規(guī)定3 s 陣風(fēng),工作狀態(tài)最大風(fēng)速為21.6 m/s;極端環(huán)境條件下考慮采用渤海油田某油礦100年期海況條件,風(fēng)速為37.4 m/s。載荷情況主要考慮設(shè)備自重、作業(yè)載荷、風(fēng)載、桅桿載荷、液壓動(dòng)力鉗載荷、操作臺(tái)和軟管自重、BOP 遠(yuǎn)程控制柜,偏載荷主要考慮人載荷及操作臺(tái)雜物。

        依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),正常作業(yè)工況下,最大鉆進(jìn)作業(yè)中許用提升能力[5]

        式中:Fgz為設(shè)備最大許用提升能力,kN;Qgz為鉆機(jī)最大鉤載,kN;Qyd為游動(dòng)系統(tǒng)重量,kN,可忽略。

        依據(jù)GB/T 29549.1—2013《海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī) 第1 部分:設(shè)計(jì)》40/2250 及以下級(jí)別的鉆機(jī)[6],最大連續(xù)輸出扭矩≥19 kN·m,最大間歇輸出扭矩≥24 kN·m,最大連續(xù)輸出功率≥350 kW。本次受力分析考慮最大正常作業(yè)工況為:提升載荷87 t,扭矩24 kN·m;極端作業(yè)工況為:提升載荷154 t,扭矩為0,用于鉆井中的復(fù)雜情況[7-8]。

        作業(yè)過程中的風(fēng)載施加以桅桿為參考,如圖1所示,根據(jù)其相對(duì)位置,風(fēng)載施加面分為桅桿側(cè)、桅桿對(duì)面?zhèn)?、桅桿左側(cè)、桅桿右側(cè),下面以正常鉆井作業(yè)時(shí)的最大作業(yè)工況為例進(jìn)行分析計(jì)算。

        圖1 風(fēng)載施加示意圖

        圖2 整體位移(單位:mm)

        圖3 Y方向位移(單位:mm)

        提升載荷87 t,扭矩24 kN·m,風(fēng)速21.6 m/s,風(fēng)向:桅桿側(cè)。經(jīng)過計(jì)算,液壓舉升裝置的整體最大位移量為12.856 7 mm,位于二級(jí)油缸頂部,如圖2所示。液壓舉升裝置Y 方向的最大位移量10.012 5 mm,位于二級(jí)油缸,如圖3 所示。液壓油缸的最大等效應(yīng)力為115.732 MPa,位于二級(jí)油缸,如圖4 所示。下基座、上工作籃的最大等效應(yīng)力為73.66 MPa,位于下基座底板處,如圖5所示。

        提升載荷87 t,扭矩24 kN·m,風(fēng)速37.4 m/s,風(fēng)向:桅桿側(cè)。液壓舉升裝置的整體最大位移量為24.972 9 mm,位于桅桿頂部;Y 方向最大位移量24.199 2 mm,位于桅桿頂部。液壓油缸最大等效應(yīng)力為115.736 MPa,位于二級(jí)油缸;下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力為71.86 MPa,位于下基座底板。同樣,利用ANSYS軟件對(duì)鉆井最大正常作業(yè)工況下,風(fēng)向?yàn)槲U對(duì)面?zhèn)?、桅桿左側(cè)、桅桿右側(cè)等不同風(fēng)向的有限元模型進(jìn)行逐一分析,得到相應(yīng)的最大等效應(yīng)力和位移量,見表1;鉆井極端作業(yè)工況條件下,340 K 液壓舉升裝置的最大等效應(yīng)力和位移量,見表2。

        圖4 液壓油缸等效應(yīng)力

        圖5 下基座、上工作籃等效應(yīng)力

        表1 最大正常作業(yè)工況下有限元分析結(jié)果

        表2 極端作業(yè)工況下有限元分析結(jié)果

        2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

        根據(jù)液壓舉升裝置設(shè)備手冊(cè)可知,液壓油缸的屈服強(qiáng)度≥355 MPa,上工作籃、下基座鋼材的屈服強(qiáng)度為250 MPa。依據(jù)API Spec 4F—2013,最小安全穩(wěn)定性系數(shù)(最小安全穩(wěn)定性系數(shù)=許用應(yīng)力/材料屈服強(qiáng)度)要大于1.67,可知液壓舉升裝置的油缸許用應(yīng)力為212.6 MPa,上工作籃、下基座的許用應(yīng)力為149.7 MPa。

        1)最大正常作業(yè)工況下有限元分析(提升載荷87 t,扭矩24 kN·m)。根據(jù)作業(yè)狀態(tài),綜合考慮各種工況條件后,當(dāng)風(fēng)載方向?yàn)槲U右側(cè)時(shí)液壓舉升裝置的整體位移量最大,位移量為53.018 4 mm。此時(shí),下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力最大為83.44 MPa,遠(yuǎn)小于最小安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.67 時(shí)根據(jù)API Spec 4F—2013 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的許用應(yīng)力149.7 MPa;油缸最大等效應(yīng)力對(duì)風(fēng)載荷方向不敏感,均在115 MPa 左右,也同樣小于根據(jù)API Spec 4F—2013標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的許用應(yīng)力212.6 MPa。

        通過分析可知:最大正常鉆井作業(yè)工況下,采用簡(jiǎn)易滑移底座承載液壓舉升裝置的方式可滿足鉆井作業(yè)需求。

        2)極端作業(yè)工況下有限元分析(提升載荷154 t,無(wú)扭矩)。綜合考慮各種工況條件,當(dāng)風(fēng)速為37.4 m/s且方向?yàn)槲U右側(cè)時(shí)液壓舉升裝置的整體位移量最大,為47.33 mm。此時(shí),下基座、上工作籃最大等效應(yīng)力為146.47 MPa,略小于最小安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.67 時(shí)根據(jù)API Spec 4F—2013 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的許用應(yīng)力149.7 MPa;油缸最大等效應(yīng)力對(duì)風(fēng)載荷方向不敏感,均在136 MPa 左右,遠(yuǎn)小于根據(jù)API Spec 4F—2013標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的許用應(yīng)力212.6 MPa。

        通過上面的分析可知:極端作業(yè)工況下,采用簡(jiǎn)易滑移底座承載液壓舉升裝置的方式可滿足鉆井作業(yè)需求。

        3 結(jié)論與建議

        1)對(duì)340 K液壓舉升裝置在鉆井最大正常作業(yè)工況(提升載荷87 t,扭矩24 kN·m)及極端作業(yè)工況下(提升載荷154 t,無(wú)扭矩)設(shè)備的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明,采用簡(jiǎn)易移動(dòng)底座方式承載液壓舉升裝置時(shí)最小安全系數(shù)大于1.67,滿足設(shè)備安全穩(wěn)定性要求。

        2)為減少多井同時(shí)作業(yè)的安裝時(shí)間,結(jié)合海上平臺(tái)井槽布置特點(diǎn),推薦海上平臺(tái)采用簡(jiǎn)易移動(dòng)底座對(duì)液壓舉升裝置進(jìn)行橫縱滑移以實(shí)現(xiàn)側(cè)鉆作業(yè)。

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        修改“作業(yè)”
        跟一群抄作業(yè)的講垂直進(jìn)步?
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