某海洋鉆井井架振動測試及有限元分析

關 德，劉孔忠

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海200030） ①

某海洋鉆井井架振動測試及有限元分析

關 德，劉孔忠

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海200030） ①

某海洋平臺配置有ZJ50／3150DB型海洋鉆機，在鉆井工況下井架的振動幅度較大。為了進行安全評估，對該井架進行振動測試和有限元分析，工況有：起鉆柱作業、下鉆柱作業、鉆井作業、8級風。結果表明，在設計工況下該井架是安全的。

井架；振動測試；安全評估；有限元分析

某海洋平臺配置一臺ZJ50／3150DB型海洋鉆機，在鉆井工況下該鉆機井架振動幅度較大。為了準確分析該鉆機井架振動特性，評估鉆井井架作業的安全性，在不同工況下測試了井架振動特性，并結合有限元計算模型，分析了振動對鉆井井架結構安全的影響，并為鉆修井作業安全提出了建議［1－2］。

鉆井井架振動測試評估工作分為2個階段：①通過振動測試儀器，在不同鉆井工況下，現場采集井架振動數據，記錄作業載荷、立根存量、環境條件、振動位移、振動加速度等，分析該鉆機固有頻率及在不同工況下的振動特性，為井架安全評估提供實測數據。為了考慮外界環境條件對海洋鉆機振動測試結果的影響，采用風速儀等記錄現場測試環境條件；②依據井架圖紙及現場井架實際，建立井架結構有限元計算模型，分析實測振動數據對井架結構安全的影響［3－5］。

1 井架參數

ZJ50／3150DB型海洋鉆機井架采用直立套裝自升式結構［6］。配置YC315型分體式游車，DG315型大鉤，SL450型水龍頭，DQ350型頂驅系統，JZ340型臥式死繩固定器等。

2 振動測試

振動測試儀器由CA－YD－109A型壓電式傳感器、YE5858A雙積分型電荷放大器、DSP－32并口數據采集儀及筆記本電腦組成。測點布置在井架基座、小平臺及二層臺位置，如圖1，即在主受力構件布置8個測點，測試并分析ZJ50／3150DB型海洋鉆機井架整體振動參數的變化趨勢。根據振動測試結果，不同高度測點的加速度、振動位移的趨勢一致，二層臺處振動幅值較大。因此在進行振動加速度、振動位移分析時以二層臺x、y向測點為分析對象。

2.1 固有頻率

由于井架固定在采油平臺甲板上，進行井架固有頻率測試分析時，僅考慮因頂驅上提、下放對井架的激振作用，可以最大限度地排除采油平臺自身固有頻率的影響。

采用PSD功率譜密度圖分析測試結果，如圖2～3所示，可以看出：y向固有頻率為0.537Hz（滿立根狀態）；x向固有頻率為0.586Hz（滿立根狀態）。

圖1 傳感器布置位置

圖2 y向井架固有頻率測試結果

圖3 x向井架固有頻率測試結果

2.2 不同工況下井架振動位移

根據現場測試結果，分別針對4種工況進行分析，井架最大振動位移（二層臺處）如表1。

由表1知，不同工況對井架振動的影響程度：8級風工況＞鉆進作業＞下鉆柱作業＞起鉆柱作業。

表1 不同工況下井架最大（二層臺處）振動位移測試數據 mm

以鉆進作業工況為典型工況，給出井架振動位移測試曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，井架振動峰值出現周期為150～180s。振動位移峰值約為4.5mm。

圖4 典型（鉆井作業）工況下井架振動位移測試曲線

2.3 鉆進作業工況下井架的諧響應

由結構力學可知，當井架結構受迫振動頻率ω接近井架固有頻率ωn時，H（ω）將出現峰值，即引起井架結構發生共振［7］。該鉆機使用DQ350型頂驅系統，轉速為0～180r／min，轉動頻率為0～3Hz。分析圖5，可以看出位移峰值分別出現在0.586、0.763、0.925、1.174及1.469Hz。對比本文第3節中理論計算出的井架固有頻率及實測固有頻率，可知鉆進作業工況下，井架1階固有頻率易受頂驅影響而發生共振，即頂驅轉速為36r／min時，由于轉速低、扭矩大，導致井架低階振動響應明顯。

圖5 井架的幅頻響應曲線

2.4 井架振動加速度

現場測試發現，頂驅快速通過二層臺時，井架振動存在一個明顯的沖擊效應，且這種沖擊與立根區的立根存量有關。為分析該沖擊對井架結構的影響，需要進行振動加速度分析。測試數據如表2、圖6。

由表2知，頂驅快速通過二層臺引起井架沖擊振動的原因與立根區立根存量有關。立根區立根存量的變化導致井架頻率發生變化，影響頂驅快速通過立根區時引起的振動。由圖6知，下鉆柱作業工況下，立根區立根存量比在1／2時，頂驅快速通過所引起的振動加速度最大。

表2 井架二層臺處振動加速度測試數據 g

圖6 井架振動加速度與立根存量關系曲線

3 有限元模型及計算結果

根據鉆機圖紙及現場調研，采用ANSYS軟件建立了該鉆機井架計算模型，如圖7所示。

圖7 井架計算模型

1） 井架為剛架結構，各桿件之間焊接可靠，為剛性連接。

2） 井架工作時底部與支座不發生相對移動或轉動，為固定支座。銷連接采用簡支方式模擬。

3） 井架一些小的附屬結構在模型中不予建立，其重力及風作用力等因素計入整體保守系數。

4） 井架載荷按載荷所對應的位置，作為面載荷、線載荷、集中載荷施加，平臺結構自重力由程序自動生成。對動力分析有影響的設備載荷、立根載荷等按質量單元施加在結構單元上。

5） 井架上下體連接可靠，不發生相互竄動現象。

本次建模過程中使用了BEAM188、SHELL181、MASS21三種單元。采用該模型，對上述現場測試結果進行分析驗證，并分析實測振動數據對井架結構安全的影響程度［8－10］。

3.1 自振周期和頻率（如表3）

表3 井架前10階固有頻率

井架1階固有頻率計算結果為0.555 8Hz，與實測固有頻率0.537Hz及0.586Hz近似相等，說明計算模型正確。

3.2 井架振型分析

井架振型如圖8。1階振型為整體扭轉；2階振型為井架中段以上整體沿y向彎曲；3階振型為錯層彎曲；4階振型為井架整體沿x向彎曲；5階振型為鉆井架自身扭轉；6階振型為整體y向彎曲；7階振型為二層臺局部振動；8階振型為整體x向彎曲＋自身扭轉；9階振型為二層臺和小平臺y向彎曲；10階振型為鉆井甲板局部彎曲。

井架1階振型為整體扭轉，說明井架C型開口的抗扭強度低；2階振型為井架中段以上整體沿y向彎曲，說明井架底座2個前撐桿為關鍵構件，其結構安全性影響整個井架安全。

圖8 井架前5階固有振型

3.3 8級風滿立根工況下井架計算結果

根據井架桿件位移校核結果，井架桿件在8級風滿立根工況下，二層臺處位移沿y向為34.54mm，沿x向為38.32mm，大于現場實際測試位移24.00mm及24.58mm。桿件計算UC值（UC值為根據ANSI／AISC 360—05規范得到的桿件受壓、受拉、彎扭組合工況許用應力值）＜1.0，井架結構符合ANSI／AISC 360—05規范要求［11］。

3.4 頂驅快速通過引起的井架振動分析

在1／2立根存量狀態下，分析頂驅快速通過二層臺引起的井架沖擊振動，最大UC值為0.68。UC值＜1.0，符合ANSI／AISC 360—05規范［12－13］要求。

4 結論

1） 測試結果表明鉆井井架因外部因素引起的振動明顯，由井架自身作業工況引起的振動較小。8級風工況為井架振動幅度最大的工況。鉆進作業工況是井架因自身作業導致的振動響應最大工況。

2） 頂驅上提、下放快速通過二層臺時，井架振動存在一個明顯的沖擊效應，且立根區立根存量在1／2時，這種沖擊效應最明顯。

3） 該鉆機使用頂驅為天意公司的DQ350型頂驅系統，轉速為0～180r／min。有限元計算表明，在低轉速工況下，尤其是鉆井工況，轉速低，扭矩大，轉動頻率接近1階固有頻率時，易導致井架低階振動響應明顯，與現場測試結果一致。

4） 風載荷引起的井架振動幅度約為井架因自身作業引起振動幅度的2.5倍，是主要影響因素。

5） 井架1階振型為整體扭轉，說明井架C型開口抗扭強度低；2階振型為井架中段以上整體沿y向彎曲，說明井架底座2個前撐桿為關鍵構件，其結構安全性影響整個井架安全。

6） 根據現場測試及模型計算分析，該井架振動幅度位于設計范圍內，承載能力符合相關規范要求。

［1］ 韓國有，劉金梅，周國強，等.基于海洋波浪脈動的海洋鉆機井架結構試驗模態識別［J］.大慶石油學院學報，2009，33（1）：60－64.

［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］ 劉習軍，賈啟芬，張文德.工程振動與測試技術［M］.天津：天津大學出版社，1999.

［4］ 張 博.橋梁結構振動測試技術研究［J］.建筑科技與管理，2011（8）：19－20.

［5］ 劉少朋，李玉貴.滾切式鋼板剪切機夾送輥微變形分析［J］.重型機械，2011（6）：52－56.

［6］ 第四石油機械廠.ZJ50／3150DB海洋鉆機產品使用說明書［G］.2009.

［7］ Haroun M A，Housner G W.Earthquake response of deformed liquid tanks［J］.Proc.Journal of Applied Mechanics.ASME.1981：63－69.

［8］ 楊樹耕，孟昭瑛.有限元分析軟件ANSYS在海洋工程中的應用［J］.中國海洋平臺，2000，15（2）：41－44.

［9］ 胡 軍，張 陽.坐底式平臺地震響應譜分析［J］.中國海洋平臺，2008，23（6）：51－55.

［10］ 武進福，韓 剛.基于斷裂力學的起重機焊接箱形梁疲勞壽命估算［J］.重型機械，2012（1）：63－65，68.

［11］ API RP 2A－WSD，海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法工作應力設計法［S］.2004.

［12］ API SPEC 4F，Specification for Drilling and Well Servicing Structures［S］.2008.

［13］ ANSI／AISC 360－05，Specification for Structure Steel Buildings［S］.2005.

1001－3482（2012）08－0050－05

TE951

A

2012－06－10

關 德（1962－），男，山西臨汾人，高級工程師，博士，2002年畢業于西南石油大學石油與天然氣工程專業，研究方向：海洋石油與天然氣工程及開采，郵箱：guande＠cnooc.com.cn。