基于SAFI的海洋塔形井架的拖航計算分析

李志剛,雍 軍

(四川宏華石油設備有限公司成都研發部,成都610036) *

基于SAFI的海洋塔形井架的拖航計算分析

李志剛,雍 軍

(四川宏華石油設備有限公司成都研發部,成都610036)*

由于海洋環境惡劣,為了保證自升式平臺配備的塔形海洋井架的結構安全,除了靜載工況外,研究井架在拖航運輸過程中的載荷變化過程很有必要。用SAFI軟件對海洋塔形井架的拖航運輸工況進行了計算分析,包括拖航過程慣性載荷和動態分析。該方法還可為深海鉆井平臺上的動態海洋井架設計提供借鑒。

海洋塔形井架;SAFI;拖航運輸;動態分析

隨著我國對能源的進一步需求,海洋油氣資源勘探開發得到了迅速發展,對海洋石油鉆采裝備性能也提出了更嚴格的要求[1]。塔形海洋井架作為海洋井架的主要形式得到了廣泛的應用。塔形井架是橫截面為正方形或矩形的可拆卸封閉式空間桁架鋼結構,各構件采用螺栓連接,井架4條大腿立柱采用角鋼或H型鋼,承載能力大,整體穩定性好,非常適用于海上復雜工況下工作[2-4]。為了保證與自升式平臺配套的井架在海上整體拖航運輸過程中的結構安全,除了應進行常規最大鉤載的靜態計算外,還應進行動態計算。用SAFI軟件對9 000 m海洋塔形井架拖航工況進行了動態計算分析。

1 SAFI軟件介紹

SAFI是加拿大 SAFI Quality Software Inc.開發的結構分析軟件,廣泛應用于各類結構計算分析[5],其中的 PSE(Petroleum Structural Engineering software)石油結構工程軟件是專門為海洋和陸地鉆井設備開發的,完全能夠滿足風、流、雪、地震等各種載荷的加載和計算,可以方便地自動完成加載、計算、校核,能夠很好地完成結構設計的理論分析。

該軟件可以采用圖形用戶交互方式建立模型,然后加載運算,所有工作均在同一個界面內完成,最后可以自動生成計算結果報告。可以直接建立井架有限元模型,使用軟件提供的單元庫,也可以自己定義單元截面。SAFI軟件提供了一個Limit States單元值來評判結果,并且提供“強度極限狀態”(Ultimate Limit State,即“ULS”)和“工作性能極限狀態”(Serviceability Limit State,即“SLS”)2種載荷組合類型可供選擇,井架選用ULS,在結果文件中就用ULS(即強度極限狀態值)表示,等效于SACS軟件提供的“單元檢查”(Unity Check)即“UC”值[6],該值代表了單元實際受力和許用力的比值,綜合考慮了單元受拉、壓、剪切、壓彎、拉彎等各種載荷情況的計算結果,完全遵循AISC 335-89規范要求,只要該值<1.0,表示該單元強度、剛度、穩定性均滿足AISC規范要求[7]。

2 SAFI有限元計算模型

該結構主要由井架、天車、二層臺等組成。井架分為井架上段和井架下段,整體為空間桁架結構,如圖1。井架結構較為復雜,通常不完全按實際結構進行計算,因此筆者對井架的實際結構進行簡化處理。

1) 井架為桁架結構,根據井架各桿件之間連接節點實際情況,各節點分別近似為鉸接和剛性連接。

2) 井架與臺面4個支腿連接點采用固定連接(FIXED),為6個自由度全約束。

3) 二層臺和天車在建模時與井架合為一體,鉤載、快繩力和死繩力通過天車作用到井架上。立根靠力和立根風力通過二層臺作用到井架上。

4) 建模時忽略梯子總成、大鉗平衡重、套管扶正臺等井架附件,計算時對一些附件單獨加載來模擬,同時將井架自重乘以一個放大系數,以考慮其余附件的重力影響。

5) 擋風墻和立根采用軟件提供的Surface單元來模擬,以計算擋風墻和游吊系統受到的風載,軟件根據所選Surface類型自動賦予各個面完全符合API 4F[8]規定的外形系數。

6) 根據截面尺寸不同,把各桿件劃分為角鋼(L)、窄邊工字鋼(W)、寬邊工字鋼(W)、矩管(HSS)、管(HSS)、槽鋼(C)等單元類型[9-10]。

圖1 井架模型

3 計算參數

井架有效高度 48.8 m

井架最大鉤載 6 800 kN

拖航風速 36 m/s

拖航時船體運動參數由平臺總體設計提供,長度65.25 m、船寬64 m、型深8 m、吃水深度4.5 m。船體搖擺中心和井架安裝相對尺寸如圖2。船體運動參數如表1。

圖2 船體外形和搖擺中心

表1 船體運動參數

4 拖航計算工況

根據拖航時相關計算參數和API 4F相關規定[5],載荷有井架結構自重力、單獨加載模擬的附件重力及風速為36 m/s時在0°、90°、180°和270°方向風載。本文只針對大洋拖航計算進行說明,基本載荷如表2。慣性載荷TOW1～TOW8組合如表3(可以根據用戶要求增加更多組合)。拖航動態計算由拖航慣性載荷TOW1～TOW8和風載W0、W90、W180、W270組合,共有8個動態計算組合工況SEA1～SEA8,如表4。拖航時應力許用系數取為1.33。

海上鉆井裝置在拖航過程中處于漂浮狀態,在風浪的作用下將有水平移動和旋轉、升沉同時產生。影響比較大的是沿垂直方向的升沉振動及相對進退軸線的搖擺引起的旋轉運動,這些振動都將對海上鉆井裝置產生動載荷。在計算拖航工況時,井架受風載和搖擺相同方向時,井架受力工況最惡劣,所以計算風載只考慮與船體前、后、左、右搖擺對應的4種工況W0、W90、W180、W270。

表2 基本載荷

表3 拖航慣性載荷組合

表4 組合工況

續表4

在拖航過程中,由結構單元的加速度和速度推導出的載荷是結構單元質量的函數。為了計算這種載荷,必須施加定義單元自重的載荷組合。在計算過程中,這些載荷將轉化成質量。

旋轉運動的計算方程[2]為

式中,T為周期;t為時間;H為角振幅;α為角度(速度和加速度可以被評估)在施加旋轉后質量和旋轉中心之間的切向向量;旋轉軸;為振幅比率。

當旋轉最大時(加速度最大),相應的振幅比率為1.0時,產生最大切應力;當旋轉加速度為零時(速度最大),相應的振幅比率為零時,產生最大徑向力。

SAFI通過式(1)～(8)將動態分析轉換為線性靜力分析,得到在慣性載荷和風載荷共同作用下的拖航運輸動態計算結果。

部分組合工況下井架支反力如表5,井架固定支點1支反力如表6。注意:表5～6中1～9分別對應組合工況WEIGHT、SEA1～SEA8。

表5 各種組合工況下整個井架支反力

表6 各種組合工況下井架固定支點1支反力

由結果可以看出:①在橫搖、升沉和風載的組合工況下,井架支反力主要集中在 y方向和z方向,x方向基本為零,傾覆力矩主要集中在繞 x軸的旋轉方向上;②在縱搖、升沉和風載的組合工況下,井架支反力主要集中在 x方向和y方向,z方向基本為零,傾覆力矩主要集中在繞z軸的旋轉方向上;③井架在所有工況下最大ULS值如圖3,最大值出現在井架下段前面的斜撐上,為0.96。SEA1～SEA8的變形圖如圖4。

圖3 拖航運輸工況下井架ULS值>0.6的部位

圖4 拖航工況下井架變形(依次為SEA1～SEA8)

4 結論

1) 在海洋井架拖航運輸操作中,海洋環境惡劣,風、波等環境載荷直接關系著結構的強度及運動特征,因而對海洋井架在拖航運輸過程中的結構強度分析是必需的。

2) 井架整體結構計算模型應盡可能與實際結構一致,為了減少建模時間和計算量,附屬部件可盡量簡化處理。

3) 通過海洋塔形井架拖航運輸分析得知,在海上拖航運輸操作下該塔形海洋井架滿足強度、剛度、穩定性要求。慣性載荷使井架的支點和底部斜支撐處受力最大,井架頂部變形最大。

4) 利用SAFI進行海洋井架拖航運輸分析非常方便,完全滿足風、流、雪、地震等各種載荷的加載和計算,建模、加載和計算過程相對其他有限元軟件更簡單,界面比較直觀,是石油鉆井井架、底座的便捷計算分析工具。

[1] 方華燦.對我國深海油田開發工程中幾個問題的淺見[J].中國海洋平臺,2006,21(4):1-4.

[2] 賈慧靈,顏廷俊,李向東,等.海洋鉆機井架剩余承載能力測試和計算[J].石油礦場機械,2010,39(8):20-22.

[3] 高學仕,汪炳貴,王 棟,等.HJJ450/45-T型海洋井架動力特性分析[J].石油礦場機械,2009,38(5):38-41.

[4] 儲樂平,李 晶,李華山,等.固定式海洋鉆采平臺塔形井架安裝方式探討[J].石油礦場機械,2010,39(10): 21-25.

[5] User’s Guide SAFI 6.5[K].SAFI Quality Software.

[6] Dynamic Response release6 user’s manual[K].Engineering Dynamics,INC.,2004.

[7] AISC 335—1989,Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design [S].

[8] Specification for Drilling and Well Servicing Structures [S].API Specification 4F.Third Edition,2008.

[9] 郭 清.鉆井井架力學性能分析[J].石油礦場機械, 2006,35(5):57-60.

[10] 梁會高,陳 俊.基于StruCAD-3D的旅大4-2海洋修井機井架設計計算[J].石油礦場機械,2006,35(5): 67-69.

Towing Calculation of Offshore Derrick Based on SAFI

LI Zhi-gang,YONGJun
(R&D Department,Sichuan Honghua Petroleum Equipment Co.,Ltd.,Chengdu610036,China)

Owing to extreme ocean environment,and in order to assure structure’s safety of offshore derrick installed on jack-up platform,besides of static loading case,it is necessary to study derrick’s loading mechanism during towing transportation.Offshore derrick’s towing transportation cases was calculated and studied using SAFI,including inertia load and dynamic analysis during towing.It could provide reference for calculation and dynamic analysis of offshore derrick installed on deep ocean drilling platform.

offshore derrick;SAFI;towing;dynamic analysis

1001-3482(2011)05-0040-05

TE951

A

2010-11-05

李志剛(1976-),男,四川蓬溪人,工程師,2000年畢業于中國石油大學(華東)焊接專業,主要從事石油鉆采設備結構設計開發工作,E-mail:hhlizg@163.com。