陳宇海(中海石油(中國)有限公司生產(chǎn)部，廣東 湛江 524057)

0 引言

老齡海上修井機井架在復雜的海洋環(huán)境長時間服役后，一般在井架主桿件、桿件間連接處、斜支撐與主腿相交處及井架其他區(qū)域都存在不同程度的問題，包括井架結構腐蝕、主腿彎曲、支座沉降、載荷偏心等缺陷，使其有可能不再滿足出廠時的設計使用工況的要求。因此通過有效的手段評估等到出井架的實際極限承載力，是目前海上修井機井架安全評定工作的一項重要內(nèi)容，為平臺安全生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

對于海洋修井機井架的安全評定，通常是依據(jù)通用的行業(yè)規(guī)范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》，通過檢驗檢測、現(xiàn)場井架應力測試、位移測量、動態(tài)參數(shù)測試等方法，在得到測試數(shù)據(jù)后，對測試數(shù)據(jù)進行推算和計算，最終確定在役井架的最大承載能力。這種方法解決了工程上對井架承載能力評價的問題，但也存在不足，主要體現(xiàn)在只對主腿上有限的部位進行測試，對服役多年的井架而言，少量的測試所獲取的數(shù)據(jù)不一定能夠包含井架最危險的位置；同時由于現(xiàn)場施加載荷有限，基本只是滿足規(guī)范要求的25%最大鉤載[1]，所以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)無法獲得井架結構最大載荷作用下的數(shù)值，有可能會給評估計算的結果帶來有害的誤差，從而給生產(chǎn)帶來安全隱患。

筆者結合多年管理海上修井機井架經(jīng)驗，研究采用現(xiàn)場應力測試數(shù)據(jù)分析，結合根據(jù)對檢驗數(shù)據(jù)對井架的有限元模型進行修正，得到精確的模型，再考慮多種工況下井架的分析結果，從而利用數(shù)值模型分析得到井架極限承載性能分析，得到該井架的極限承載力、危險部位等。

1 研究方法

1.1 井架現(xiàn)場測試技術

常用的井架現(xiàn)場測試技術主要包括井架靜態(tài)載荷應力測試、井架動態(tài)應力應變測試、井架結構靜動態(tài)位移測試和井架結構模態(tài)參數(shù)測試等。從工程應用和分析的便利性，目前海洋修井機井架普遍采用的是應力測試。規(guī)范SY 6326—2012也對應力測試中關于測試點、測試載荷、測試數(shù)據(jù)的選取和分析方法都有比較明確的要求，本文不做討論。

1.2 數(shù)值模擬方法

井架結構數(shù)值模擬方法普遍采用有限元法。有限元法可簡單地分為4個步驟：(1)結構離散化；(2)單元特性分析；(3)建立井架整體矩陣方程；(4)求解整體矩陣方程。一般選擇應用ANSYS軟件，主要構件來選用Beam188單元建立井架有限元模型。Beam188單元是一種能夠很好的表達井架在三維模型下的實際受力的單元，可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力。

1.3 缺陷等效處理方法

從對南海西部油田多臺海洋修井機的管理情況來看，井架主要構件和構件連接處的截面銹蝕、材料強度降低、桿件初彎曲和井架整體初變形等缺陷是海洋修井機井架比較常見的問題。對于含初始缺陷海洋修井機井架承載能力評價方法和修正模型，近年來國內(nèi)外都做了大量的研究，也取得了一定的進展，在理論上總結了腐蝕、桿件彎曲和載荷偏心、應力集中等修正模型。在含損傷和缺陷井架承載力分析理論中，主要有以下5種方法：(1)參考統(tǒng)一折減法；(2)參考應力修正法；(3)可靠性分析方法；(4)模糊綜合評定法；(5)模態(tài)參數(shù)評定方法。

筆者結合南海西部某平臺HXJ180K/33型修井機井架的承載力評估工作，在現(xiàn)場檢驗和應力測試的基礎上，針對檢驗發(fā)現(xiàn)的主要構件彎曲，使用缺陷等效法修改有限元模型，以獲取精確有限元模型，再進行多種工況的分析，最終得到井架準確承載力，為決策提供更科學、客觀的依據(jù)。

圖1 井架承載力評價流程

2 有限元模型建立

HXJ180K/33型井架有效高度33 m，最大鉤載(5×6繩系，無風載，二層臺無靠放立根)：1 800 kN，二層臺高度：16.7±0.5 m，抗風能力(海平面10 m處風速)：滿立根172 km/h; 無立根198 km/h；井架結構材料為Q345。

根據(jù)井架結構截面類型、截面幾何數(shù)據(jù)和材料特性，并采用等效截面積的方法考慮截面壁厚減薄的，建立井架有限元模型。具體做法是將井架各桿件簡化為空間梁單元，根據(jù)井架的結構形式、約束條件、受力特點等，建立井架理想狀態(tài)下的數(shù)值模型，建立位移、應力等方面力學參數(shù)與井架承載能力之間的關系，把整個井架結構模擬成一個三維空間框架結構。

井架施加的載荷主要有：(1)恒載，包括井架自重、天車、二層臺和游車大鉤及附件；(2) 工作載荷，包括大鉤靜載荷和工作繩作用力；(3)立根載荷，包括立根自重對井架產(chǎn)生的作用力及立根所受風載；(4)環(huán)境載荷，主要指風載荷；(5)地震載荷。

在建立初步模型后，根據(jù)最大鉤載工況時的靜力計算結果，分析得到井架最大應變和應力，從而確定貼片的最佳位置；再對模型缺陷進行模擬，并根據(jù)現(xiàn)場應力測試數(shù)據(jù)對比分析后對模型進行修正，最后得到精確的有限元模型。

3 缺陷等效處理參考應力修正法

對于主腿構件發(fā)現(xiàn)的彎曲缺陷，本文參考韓東穎[3]提出參考應力修正法，對發(fā)生彎曲的構件進行模擬。這種修正法適用于針對求井架的極限承載力的有限元數(shù)值分析法。應力修正法的等效原理，以桿件應力為參考，可以簡單地用以下公式來考慮井架損傷缺陷的修正關系：

式中：σe為井架桿件實測應力；β為桿件的應力修正系數(shù)，σ為無初始缺陷時有限元中井架相應桿件計算應力值。對于發(fā)生了壓彎缺陷的桿件，在其他參數(shù)不變的條件假設條件下，軸向應力可以通過橫截面積體現(xiàn)，彎曲應力可以通過彎曲剛度體現(xiàn)。

因而參考應力修正關系可以等效為對桿件橫截面積和彎曲剛度的修正關系式：

式中：Ae和A分別表示井架桿件的等效橫截面積和理想橫截面積；Ie和I分別表示桿件的等效抗彎慣性矩與理想抗彎慣性矩；f1(β)和f2(β)分別表示由應力修正系數(shù)所確定的對橫截面積與抗彎慣性矩的修正值。以井架桿件單元剛度矩陣中縱向剛度折減系數(shù)相乘的方式反映這一特性。設桿件初彎曲如圖2所示，其中F為桿件所受軸力。為現(xiàn)場測得的初彎曲矢高，l為桿長。假設初彎曲形式f0為：

圖2 桿件初彎曲示意圖

式中：C=f0/l為初彎曲矢高與桿長l之比。

在當前的新媒體環(huán)境下，高校學生在知識獲取方面，已經(jīng)不會受到時間和空間的限制了，其和社會相接觸的機會也開始大大增加，但由于學生的心理認識還不夠成熟，在實際交流過程中極容易受到誘導。學生在實際學習過程中，能夠直接利用網(wǎng)絡來發(fā)表自身意見和觀點，但由于現(xiàn)如今網(wǎng)絡信息的質量就存在良莠不齊的問題，很多學生會在不經(jīng)意之間接觸到各種不良、不實的負面信息，并對學生產(chǎn)生負面影響[1]。同時，很多大學生出現(xiàn)過于沉迷網(wǎng)絡世界的情況，其在現(xiàn)實生活中會有眾多的不如意等，就開始逐漸依賴于網(wǎng)絡溝通，導致現(xiàn)實情感溝通的比例也開始越來越小，從而形成一個惡性循環(huán)。

當井架立柱受到軸力F作用后，其彎曲形式變?yōu)椋?/p>

式中：

式中：E為彈性模量；I為截面慣性矩；λ為桿件長細比。桿件受力后，由于變形增大而產(chǎn)生的桿件軸向縮短為：

由軸力引起的軸向縮短：

因此，受到軸力F作用后，桿件實際的軸向縮短為：

本文評估的井架左前主腿的構件無缺陷時構件應力值為186.3 MPa，根據(jù)現(xiàn)場變形的數(shù)據(jù)對應力進行折減后，計算得含缺陷的構件應力值為236.8 MPa。

4 現(xiàn)場應力測試

根據(jù)對理想有限元模型計算中最大鉤載工況時的結果，可以得到井架結構最大應力的位置，從而確定貼應變傳感器的最佳位置在井架上體主腿下段、下體主腿下段和下體大腿變形處，選取的位置在井架下體鉆臺甲板A—A截面和上體二層臺B—B截面，共在2個測試斷面，含8個構件布置32個測點；彎曲變形處的1個構件截面4個測試點，總測試點位36個，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場測試方案

為了準確地反應井架的實際承載能力，現(xiàn)場進行了3次測試，每次測試加載了5個等級的載荷，5級加載的載荷為200 kN、300 kN、400 kN、500 kN、600 kN。以確保滿足規(guī)范中應變值誤差小于±5%的要求。

為了反映各測試點在不同載荷下產(chǎn)生的微應變，以大鉤載為橫坐標，以對應微應變(με)為縱坐標建立關系，并進行了線性擬合，獲得擬合公式和相關系數(shù)，典型圖如圖4所示。

圖4 1#和14#傳感器的關系曲線

擬合結果表明各測試點應變和載荷關系曲線線性關系良好，其相關系數(shù)均在0.999以上，說明所測數(shù)據(jù)的可信度較高，說服力較強。通過現(xiàn)場測試的應變數(shù)據(jù)，計算出構件的應力值。

同時對井架結構也進行5個等級載荷下有限元計算分析，提取與測試構件截面的應力值與應力測試數(shù)據(jù)進行對比。對比分析發(fā)現(xiàn)，測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)嚴格遵循線性規(guī)律，擬合誤差均在±5%以內(nèi)，特別是井架主腿彎曲區(qū)域的測試值與采用應力修正法計算得到的結果接近，分別為228.2 MPa和236.8 MPa。這種規(guī)范的線性規(guī)律可為外推獲取井架最大承載力提供最大的依據(jù)，也證明有限元模型的精確性，為進行有限元模型多工況分析，計算井架極限承載力分析奠定了基礎。

5 井架承載能力分析

在對比分析，調整模型參數(shù)得到井架的精確有限元模型后，按照井架設計規(guī)范要求進行多工況分析。分析工況包括最大鉤載；操作工況1-3；等候天氣工況1-3；保全設備1-3共10種工況。計算結果顯示，在大鉤載作用工況時，井架的最大應力值236.8 MPa；操作工況3時，出現(xiàn)最大的位移為83.44 mm。

利用現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)線性外推方法和規(guī)范強度評定理論，結合精確有限元模型分析方法，得到算例井架的綜合評定結果，其最大承載力比原設計最大鉤載1 800 kN下降了14.9%，最新評定為1 350 kN，被評為C級，需降級使用。

6 結論

基于有限元分析和缺陷等效處理法，結合以測試應力數(shù)據(jù)為基礎的含缺陷在役井架承載能力評定方法，能夠綜合反映井架實際狀態(tài)對承載能力的影響，能使評定結果更可靠和接近于實際，同時有利于簡化評定過程，節(jié)約生產(chǎn)成本，更符合實際的工程應用。該方法較為簡單，可以在在役井架承載能力評定中發(fā)揮重要作用。