自升式平臺塔形井架結構強度分析

吳富生，柏 垠，謝蓓莉

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海200125)

塔形井架是橫截面為正方形或矩形的塔形結構，其構件四面成網絡或桁架結構，因此它具有很大的組合截面慣性，整體穩定性好、承載能力大［1］。由于海洋平臺所處的海洋環境十分復雜和惡劣，載荷不確定因素多，因此結構強度分析自然成為設計階段的重要研究內容。

本文用SACS軟件建立海洋塔形井架HJJ900-52的有限元模型［2］，計算井架靜載荷、工作載荷及環境載荷，依據API-4F規范的要求編制32種載荷組合工況，并對其進行了強度分析。

1 有限元模型

1.1 模型介紹

HJJ900-52為瓶式塔形海洋井架，二層臺以下井架立柱采用直立柱結構，二層臺立根以上位置開始收口，井架所有桿件形心相交。井架結構較為復雜，因此要對井架進行簡化。井架梯子平臺、護欄對井架剛度影響較小，在簡化時折算成相應的質量。HTVA導軌及頂驅導軌對井架剛度有一定影響，自身自重及環境載荷較大，并傳遞立根手臂和頂驅的工作載荷;二層臺指梁用于橫向支撐立根的上端，傳遞立根產生的載荷;天車座安裝在井架頂部，承受鉤載及工作繩力，是重要結構部件。故模型可以分為五部分:井架主體、天車座、頂驅導軌、指梁和HTVA導軌，見圖1。

圖1 HJJ900-52井架有限元模型

井架鋼結構根據其受力特點主要分為立柱、橫梁和斜撐三大類，根據其截面幾何形狀主要用到角鋼、雙角鋼和H型鋼。天車座橫梁截面尺寸大，手工焊接成工字形鋼。二層臺指梁的橫梁，由于受到指梁懸臂扭矩大，采用矩形截面梁。根據井架各桿件的截面尺寸，在軟件中建立40種不同截面，并對天車座部分橫梁采用了偏置處理，使得模型與實際結構更匹配，模型共有單元823個，節點670個。

1.2 節點的自由度釋放

井架節點連接方式包括:焊接、法蘭式對接及螺栓摩擦式連接。焊接與法蘭式對接均視為剛性節點，不僅承受軸向力而且也承受彎矩作用。對于螺栓摩擦式連接，承受軸向力，只傳遞端板法向方向的彎矩，故處理為半剛性連接，需要釋放節點的旋轉自由度。

井架立柱之間均為剛性連接，斜撐都為半剛性連接，V形大門下兩層為焊接剛性連接，橫梁既有剛性連接，又有半剛性連接。

1.3 桿件的有效長度

有效長度概念是用來計算結構整體與對某一受壓桿件的穩定性之間的影響，用系數K來表示。使長度為1的受壓桿件的強度與一個僅受軸心載荷長度為K的等效鉸端構件的強度相等。有效柱長與實際無支撐長度比值K可大于1.0或小于1.0。SACS中可自定義每根桿件的K值，根據截面慣性矩的方向分為ky和kz。根據每根桿件受力形式，立柱ky=kz=1.0;橫梁ky=1.0，kz=2.0;V形大門ky=1.0，kz=2.0;斜撐k=1.0。

1.4 模型約束

將井架4個腳視為鉸接，約束x、y、z3個方向的自由度;對HTVA導軌底端約束z方向自由度。

2 載荷計算

將井架受到的載荷分為4類［3］。

1)靜載荷。長期作用在井架上的不變載荷，包括井架本身的重量以及安裝在其上的各種設備和工具的自重。在SACS中，可自動施加鋼結構的自重，其它附件自重按集中載荷分配到井架相應各層節點上。HJJ900-52井架結構重293.6 t，附件重115.8 t。

2)作業載荷。在鉆井工作情況下對井架結構產生的載荷，其分類與大小見表1［4］。

表1 井架工作載荷定義與大小

3)風載。海岸鉆井結構風速參考ISO 19901-1標準。風載的計算與構件的高度、形狀、傾角有關。SACS提供了風載計算模塊，提供構件投影面積，風速及作用節點即可將風載施加到結構中。風載的定義和風速大小見表2。

4)慣性載荷。HJJ900安裝在自升式平臺上，井架工作時平臺出于站立姿態，無慣性載荷。當井架在拖航的時候會受到波浪引起的橫搖、縱搖及升沉產生的慣性載荷。以橫搖帶升沉，縱搖帶升沉，斜向動力帶升沉方式來進行載荷的組合，并且認為井架具有足夠的剛度，可視為剛體，在SACS中以加速度施加到模型上。井架受到慣性載荷設計參數、計算公式及大小見表3。

表2 井架風載分類與風速大小

表3 井架慣性載荷的設計參數、公式［5］及大小

3 組合工況

API-4F中規定每個鉆井結構均應按表4中適用的載荷的組合進行設計。本文根據計算要求選擇4類工況。在對于非操作條件下的風環境，適用時在所有載荷工況中均應考慮全部游動設備和從橫梁上懸掛下來的鉆繩的重量TE。

在計算中，選擇了8個不同的環境載荷方向(0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°)，將表4中每種工況各分成8種小工況，共32個組合工況。表5列舉了操作工況OP1～OP8中井架的載荷組合。

表4 API-4F規定載荷組合設計 %

表5 操作工況OP1～OP8下的載荷組合表 %

4 計算結果

4.1 許用應力

API-4F規定對于運輸條件、不可預期和預期的設計暴風雨條件，許用應力允許增加1/3，即應力修正因子為1.33。

4.2 單元UC值

井架鋼結構設計應符合AISC 335-89規范，SACS提供單元UC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UC＜1.0，表示該單元強度、剛度、穩定性均滿足AISC規范要求。SACS提供了在節點圖上標示制定范圍的單元UC最大值的方法，見圖2;同時詳細列出了UC＞1，0.8＜UC＜1的單元計算結果，見表6。

4.3 SACS輸出結果

圖2 SACS輸出結果(0.8＜UC＜1)

井架結構計算需要匯總各個工況載荷及支反力進行校對，同時必須向平臺或底座的計算提供支反力。SACS直接提供了載荷匯總表和支點反力，見表7、表8。

表6 SACS輸出文件——UC＞1、0.8＜UC＜1(部分)

表7 SACS輸出載荷匯總(部分)

表8 SACS輸出支反應

5 結論

本文在SACS中完成了井架有限元分析，單元UC值都小于1，滿足AISC對鋼結構的校核要求。可見SACS軟件在井架結構計算方面非常實用與方便，并且有強大的計算結果處理能力。可為以后進一步研究井架整體受力特點，優化結構及校核井架螺栓連接提供依據。

［1］張 勇.海洋鉆機井架技術現狀及發展趨勢［J］.石油機械，2009，37(8):92-95.

［2］李志剛，雍 軍.基于SAFI的海洋塔形井架的拖航計算分析［J］.石油礦場機械，2011，40(5):40-44.

［3］Specification for drilling and well servicing structures［S］.3rd ed.API Specification 4F，2008.

［4］陳如恒，沈家駿.鉆井機械的設計計算［M］.北京:石油工業出版社，1995.

［5］Specification for drilling and well servicing structures［S］.3rd ed.API Specification 4E，1988.