海洋平臺塔型井架結構強度計算與試驗分析

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(中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580)

海洋井架作為鉆井平臺鉆機起升系統的主要設備[1]，其承受的載荷比陸地鉆機要復雜得多，不僅承受工作載荷和風載的作用，還承受海浪和海流等動載作用。塔型井架橫截面為矩形，結構穩定，承載能力強[2-3]，主要起到懸掛頂驅、游車、吊環及支撐天車等作用，內部頂驅導軌對頂驅具有導向作用。海洋塔型井架主要由井架本體、天車臺、天車架、二層臺和立管平臺等組成[4]。海洋鉆井平臺承受海洋風、浪、流、冰載荷以及地震載荷等作用，載荷不確定，工況十分復雜，因此，設計海洋鉆井平臺結構件時，強度分析是其設計階段的關鍵步驟。

1 總體方案與結構說明

HJJ450/47-T塔型井架是7 000 m海洋鉆機的關鍵承載部件，其主要作用是用于起下鉆桿、排放立根和懸掛頂驅等。HJJ450/47-T井架結構見圖1，特點如下。

圖1 HJJ450/47-T塔型井架結構方案

1)井架整體形狀為瓶頸式結構，也稱酒瓶式結構。井架主體分為上體和下體。整個井架主體橫截面為方形，井架結構為可拆卸，采用螺栓封裝連接的鋼架結構。井架四面在二層臺上方發生變化，且四面錐度均相同，井架四面下段為直立結構。井架下部空間大，能滿足臺面和二層臺處的各種機械設備的布置和操作，絞車安裝在井架內。目前，海洋平臺大部分鉆機井架都是采用的瓶頸式塔型結構[5]。

2)采用兩個大角鋼，尺寸為200 mm×200 mm×20 mm，兩角相對焊成十字形截面組成井架主腿。4根主腿和橫撐斜撐經過螺栓連成一個整體組成井架主體，其穩定性好，承載能力強。

3)采用菱形桁架結構組成四面腹桿結構，減少了風力對井架的載荷作用。

4)二層臺安裝高度距離鉆臺面為26.5 m，二層臺由臺體、擋風墻、遮陽棚、走道及井架工操作臺等組成；臺體邊緣焊有擋腳板以加強井架工的操作安全性，指梁上設有安全鏈及卡板方便放置立根；二層臺上還配有氣動絞車用于排放鉆鋌和鉆桿。

5)井架配有立管臺、套管扶正臺、死繩固定器及大鉗平衡重等裝置，還配有通往天車及二層臺的梯子及防墜落裝置。

①井架主要技術參數。

最大靜鉤載(無風載、無立根、6×7繩系)為4 500 kN；

井架有效高度47 m；

井架底部開檔 (正面×側面)9.144 m×9.144 m；

井架頂部開檔 (正面×側面)3.8 m×3.8 m；

二層臺高度26.5 m。

②二層臺容量。

5"鉆桿，28 m立根5 000 m；

5-1/2"鉆桿，28 m立根1 500 m；

8"鉆鋌12柱；

9-1/2"鉆鋌6柱；

11"鉆鋌1柱

③允許風速。

預期工況(無鉤載，無立根，游吊自重)58.7 m/s(114 kn)；

非預期工況(無鉤載，滿立根，游吊自重)51.7 m/s(100 kn)；

工作工況(最大鉤載，滿立根)33.2 m/s(65 kn)。

2 井架結構強度分析

采用專業結構分析軟件SAFI對井架和天車結構進行強度校核。SAFI軟件是加拿大SAFI Quality Software公司開發的結構分析軟件，廣泛應用于各類結構計算分析[6]。SAFI軟件中的PSE模塊，即石油結構工程分析軟件主要用于石油鉆井結構件的強度分析和校核，PSE模塊完全能夠滿足各種環境載荷(風、浪、流、冰和地震等)的自動施加和計算，完成結構強度校核和分析。

SAFI軟件采用通用的交互式界面建立有限元模型、加載、施加邊界條件、結果查看和處理等，所有軟件動作均能在同一個界面完成并生成有限元計算分析報告。

2.1 模型處理

結構主要由井架和天車等組成。井架分為井架上體和井架下體，由角鋼及H型鋼構成。桿件之間通過螺栓連接，井架整體為空間鋼架結構。為了有限元分析的需要，特對井架力學分析模型做如下處理。

1)井架的各桿件均連接可靠，各連接結點處理成剛性連接方式；由于采用螺栓連接，有些連接節點強度可能達不到要求，因此在模型處理時對單板連接的端點處理成沿連接板面方向不約束。

2)井架與臺面4個支腿連接點采用固定連接(FIX)。

3)天車臺、二層臺和井架主體在建模時設為一整體結構，靜鉤載、死繩力、快繩力等作用在天車梁上。立根風載和立根對井架的靠力作用在二層臺上。

4)井架附件，如梯子、天車欄桿、大鉗平衡重、套管扶正臺等在建模時予以忽略，在計算井架自重時通過乘以一定的放大系數(1.55)而考慮附件的重量，天車上增加60 kN的集中載荷，以考慮天車滑輪和輔助滑輪的重量影響；

5)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[7-8]。

2.2 載荷計算

井架主要承受最大額定靜鉤載、風載、二層臺立根水平靠力、天車死繩力和快繩力等載荷作用。具體可分為以下幾類。

1)靜載荷。即作用在井架上的不變固定載荷，包括井架自身的重量以及安裝在井架上的各種設備工具的重量。在SAFI軟件中，井架重量可自動施加，其他附件和工具的重量可以通過集中載荷的方式均勻分布到相應的各井架節點上。

2)作業載荷。主要是井架在鉆井過程中，作用在井架上的載荷，包括最大額定靜鉤載、立根水平靠力、天車死繩力和快繩力、頂驅扭矩等。

7 000 m塔型井架在工作工況時的鉤載為4 500 kN。其余工況下的鉤載為游動系統的重量。

立根對井架的水平靠力為

F=G/2tanθ

(1)

式中：G——立根重力;

θ——立根向前、向左(右)與鉛垂線夾角。

θ根據鉆臺面立根盒和二層臺位置尺寸設計確定。此處，立根向左(右)水平靠力為FR1=((3 00/4)tan1.6°)/1 975=10.6 N/mm；向前FR2=((3 000/4)tan1.6°)/2 700=7.75 N/mm。該1.6°是根據鉆臺面立根盒和二層臺位置尺寸設計確定的。

死繩拉力FS=4 610/12=384.2 kN。快繩拉力FK=4 610×0.106=488.7 kN。頂驅工況轉矩為87 kN·m。

3)風載。根據API 4F第3版[9]規范要求，風載的計算包括井架各個構件的風載、擋風墻風載、立根承受的風載及游動系統風載等。

SAFI軟件能夠自動施加風載于井架構件。擋風墻按照投影面積及形狀系數計算風載。考慮建模的準確性，取井架構件和擋風墻的屏蔽和縱橫比修正系數Ksh為0.85。

在工作工況和非預期工況下需計算立根排放時的風力對整個井架的影響。

計算游動設備風載時，假定游動設備距鉆臺面高度為井架有效高度的0.7倍處進行計算。

對立根靠力加速度沿單獨X、Z方向時，加速度為0.23g，沿45°、135°、225°、315°方向時加速度為0.164g。

根據API規范分別校核井架在工作工況、預期工況、非預期工況和地震工況下的結構強度。載荷組合工況見表1。其中，每個工況根據風向的變化又可分為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°共8個工況。

表1 載荷組合工況

2.3 計算結果

圖2 幾種工況的ULS值

SAFI軟件中，提供“極限狀態”(Limit States)值來評判結構中各單元的分析結果，且提供了兩種載荷組合類型可供選擇，即“強度極限狀態”(ultimate limit state，ULS)和“工作性能極限狀態”(serviceability limit state，SLS)。井架分析中，選用ULS來評定單元的分析結果，其等效于SACS軟件提供的“單元檢查”(unity check，UC值)[10-11]。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、壓彎和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ULS<1.0，表示該單元強度、剛度和穩定性均滿足AISC規范要求[12]。幾種工況的ULS值見圖2。從圖2的ULS值可見，井架在工作工況、預期工況、非預期工況和地震工況下，所有井架構件的ULS值均小于1，說明HJJ450/47-T塔型井架整體結構滿足強度、剛度和穩定性的要求。

3 井架測試試驗

3.1 測點布置依據

根據井架的實際受力情況以及受力特點，井架的4個主大腿及天車梁為主要承受載荷構件，因此布點著重考慮井架大腿和天車梁。井架從上到下總共選取6個測試截面，即井架上段天車附近、井架上段中部、二層臺縮口處、井架下段中部和井架底部開口處截面。對稱布置測點，總共布置的測點為74個。井架應力測試布點見圖3。全部測試點均按圖示位置，沿桿件軸線受力方向貼片，分組公共補償。

圖3 井架應力測試布點示意

3.2 測試方案

對井架進行最大靜鉤載試驗，單獨制作井架試驗裝置，采用絞車提升游車大鉤進行井架的靜鉤載加載試驗，采用DH5923型動態分析系統進行測試，該分析系統能夠實時監測測點的應變隨時間的動態變化。井架加載試驗主要用到的設備見表2。

表2 靜鉤載試驗設備

大鉤負荷實驗前反復加載大鉤，載荷負荷值不超過500 kN，使各種測試狀態處于最佳狀態時開始測試。按1 700，2 250，2 850，3 150，3 600，4 000，4 500 kN逐級加載，重復測試次數為3次。其中最大靜鉤載加載時間為5 min。

3.3 測試結果分析

記錄應變值，通過σ=E×ε，各測點的應力值。應力在天車梁部分A系列節點、二層臺部分E系列節點和井架大腿與鉆臺連接處H系列節點應力相對較大。加載4 500 kN測試結果見表3。

表3 HJJ450/47-T井架應力測試結果

由于井架作業狀態時的絞車快繩拉力、死繩固定器位置等因素的影響，應力測試結果顯示各大腿應力不太均勻。試驗鉤載達到4 500 kN時，井架大腿各測點受力基本正常，左右大腿受力比較均衡，后大腿受力稍大于前大腿受力。

井架主體材料Q345，屈服強度σ1=345 MPa;天車材料為HG785D，屈服強度σ2=685 MPa。API(美國石油學會標準)認為井架靜強度安全系數必須達到1.67以上才能符合安全要求。因此井架主題和天車梁的許用安全應力為

井架承受最大鉤載4 500 kN時，井架主體最大應力σ1max=189.03 MPa，天車梁最大應力σ2max=316.21 MPa，均小于許用安全應力。

經測量天車梁位置偏移，得到井架頂部正面(前、后)位移為45 mm，側位移(左、右)為39 mm。且卸載后井架能回復到原位，各部位無殘余變形，焊縫不開裂，銷子、螺栓等連接部位無壓潰情況。井架的靜鉤載試驗結果滿足強度和剛度要求。

4 結論

1)利用SAFI軟件進行海洋井架結構強度校核非常方便，完全滿足各種風、地震等各種環境載荷的加載和計算，整個分析計算相比其他有限元分析軟件更加簡便，SAFI可以作為石油鉆井結構件的便捷計算分析工具。

2)靜載荷測試實驗進一步驗證了計算機有限元仿真分析過程的正確性，因此在進行計算機有限元分析時，對加載沒有影響的附屬構件可做簡化處理，如此可減少計算分析的工作量。

3)通過有限元分析和測試試驗的結果能夠判別井架作業時的富裕構件、危險構件及危險截面，為后續的海洋平臺鉆井井架的使用維護及延壽等提供參考和依據。

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