基于有限元的深海采油樹支架安裝過程分析

張鵬舉　徐思豪　陳旭駿

我國深水海域遼闊且蘊含豐富的油氣資源，尤其是有“第二個波斯灣”之稱的南海，其石油地質儲量約占到中國總資源量的三分之一，但中國在南海的開發卻極為有限，主要原因是我國沒有先進的海洋技術和海洋裝備。永久導向基座（水下井口裝置）和采油樹（采油裝備）是海洋油氣田開發中的重要單元裝備，也是水下生產系統的關鍵設備。其中在安裝海底采油裝備的過程中，會對永久導向基座以及承載采油樹本體以及各個設備裝置的支架結構有較高的強度要求。研究采油樹支架以及導向基座的結構受力特點對安裝采油樹設備具有重要的意義。

一、安裝過程力學模型構建

本文以美鉆（PY34-1/35-2）為例，如圖1所示。通過大型通用有限元軟件MSC.Patran/ Nastran建立相關結構物的有限元模型并進行靜力學強度計算，研究其在吊裝降入海底這一安裝過程中，采油樹支架以及導向基座受力特點，并校核其結構強度是否符合《ANSI/API Spec 6A》的規范要求。

1.過程模型

安裝過程，是指采油樹通過采油樹下入海底的工具，依靠吊具和導向繩，將采油樹下入安裝至井口的過程，如圖2所示。該過程主要考慮兩個關鍵時刻點的情況。其一為在海上將采油樹整體吊起懸空的狀態，主要研究對象為采油樹支架。其二為采油樹整體下降至海底500米處，采油樹支架的導向柱與導向基座的導向柱相接觸時，主要研究對象為位于海底的永久導向基座。根據上述兩種狀況，分別建立采油樹支架以及永久導向基座的有限元模型。如圖3與圖4所示。

2. 模型單元

支架模型中有限元網格劃分主要以100mm×100mm為主，在結構復雜處加密為50mm ×50mm。網格單元采用shell板單元。有限元模型中共劃分10092個單元，13968個節點。由于計算重點在于支架的結構強度因此通過加載的方式來等效替代支架上承載的設備，并對其他一些用于系固設備的開孔以及結構件進行省略，通過添加均布質量點與調節密度的方式以模擬被省略的次要構件，使支架模型總質量為 22250kg，與設計質量保持一致。

導向基座模型中有限元網格劃分主要以100mm x 100mm 為主，在結構復雜處加密為50mm x 50mm。網格單元采用shell板單元。有限元模型中共劃分11016個單元，11212個節點。計算重點在于導向柱以及基座主結構的連接部分，因而建模時對其他部分的構件的形狀以及開孔等進行了適當的簡化。

二、參數設置

1.材料參數

采油樹整體支架以及導向基座的材料為Q345D，其屬性見表1。

其最小抗拉強度為450-630 Mpa ；彈性模量為206 GPa ；密度為7750Kg/m3 ；泊松比為0.3。

2. 工況參數

1.水上起吊狀態參數

吊裝過程中，采油樹本體通過將卡牙吊具固定在設備上端的卡槽中進行單吊點的吊裝作業，吊機拉力通過采油樹本體以及連接器傳遞至支架上。該工況條件下，主要考察由于中部豎直向上的拉力與支架整體分散的設備重力之間對支架整體板架結構的彎曲與剪切作用。

通過MPC單元對支架上承載的設備質量進行等效，此外，同樣通過MPC單元將通過采油樹本體傳遞下來的吊具拉力，添加至支架中部設備與支架聯接位置處。此處對吊具作用點進行全約束，使得模型靜力平衡，以等效整體勻速起吊以及懸空狀態時的情況。

另外在全局坐標系范圍內添加9.81m/s?的重力場，以模擬支架自重。

該工況下的采油樹支架有限元模型加載情況如圖5所示。

2. 水下接入導向基座狀態參數

本體在下降至海底500m處，主要承受由于洋流作用于吊具上的側向力影響。由于吊具為一直徑等于114.3mm的圓柱體，可借由有限深度均勻水流中圓柱橫向阻力的計算方法將圓柱體的所受的阻力計算得出以等效為吊具下方采油樹所受到的洋流力與力矩。

通過MPC單元將永久導向基座的四根導向柱節點連接至采油樹整體下降時的位置中心，以其等效為采油樹整體，并將整體承受的上述洋流力傳遞至四根導向柱。為了模擬最危險工況，選取采油樹整體在下降過程中，其位置為剛進入導向基座導向立柱頂端的時刻。該時刻洋流力對于導向基座底端有最大力矩。

永久導向基座底部為全約束，固定于海底。另外，根據洋流在各個方向上的試算，得出在洋流為y方向時，結構有最大應力。根據上述公式可以求得：F=37792N， M=1.4367×107N.mm計算模型的加載情況見圖6。

3 計算結果

3.1 采油樹支架

由圖7，圖8可以看出，由于設備支架在整體懸空狀態時，其支架相當于一個懸臂結構，因而與支架連接處有較大應力。其應力范圍在25MPa左右。圖9為采油樹支架樁腿肘板處的等效應力，在該工況下最大應力點出現在樁腿肘板處，為57.7MPa。

3.2 永久導向基座

由圖10與圖11可以看出，由于洋流力通過采油樹整體繼而傳遞至導向繩，而導向繩最終將洋流力傳遞至導向基座的導向柱上，因此對于導向基座中導向柱與主結構的連接部分產生了較大的應力，主要結構上的應力大多在70MPa左右。而另一方面，對于導向基座的底端，其應力分布情況則較小。圖12為導向基座主結構與導向柱的連接部分的應力云圖，最大應力值出現在導向柱根部為131MPa。

（作者：張鵬舉，美鉆能源科技（上海）有限公司；徐思豪、陳旭駿，上海海事大學商船學院）endprint