某400 ft自升式平臺可拆式鉆臺結(jié)構(gòu)強度研究

楊 勇，曾 驥，李春輝，王鈺涵

(上海外高橋造船有限公司上海外高橋造船海洋工程設計有限公司，上海200137)

某400 ft自升式平臺可拆式鉆臺結(jié)構(gòu)強度研究

楊 勇，曾 驥，李春輝，王鈺涵

(上海外高橋造船有限公司上海外高橋造船海洋工程設計有限公司，上海200137)

以某400 ft自升式鉆井平臺懸臂梁鉆井模塊的鉆臺結(jié)構(gòu)為研究對象,根據(jù)ABSMODU規(guī)范要求進行載荷計算與工況選取,探討鉆臺結(jié)構(gòu)強度的分析流程,借助有限元分析軟件MSC Patran/Nastran對鉆臺的結(jié)構(gòu)強度進行計算校核,分析鉆臺在各工況下的高應力區(qū)域,提出改進建議。

自升式鉆井平臺;可拆式鉆臺;有限元法;強度分析

我國周邊海域的油氣資源主要集中于渤海灣、南海、東海等海域。自升式鉆井平臺在大陸架海域的油氣開發(fā)中占據(jù)著主要地位［1］,但我國部分大陸架的水深較深,開采難度相對較高,因此發(fā)展高性能自升式鉆井平臺迫在眉睫。建造自升式鉆井平臺所需要的鋼材較少,造價相對較低［2］,平臺主要由一個上層平臺及幾個支撐、并可以升降的樁腿組成［3］。樁腿的外形主要有圓形、三角形和方形［4］。位于上層平臺上的鉆井模塊作為平臺的核心部分,承擔著油氣勘探和鉆井的重要職責,在新建的自升式鉆井平臺中,懸臂梁鉆井模塊被廣泛地采用,因為其很大程度上提高了平臺的作業(yè)功能［5-6］。鉆臺結(jié)構(gòu)是鉆井模塊的主要部分,其下部與懸臂梁結(jié)構(gòu)連接,上部布置有井架和各式鉆井設備。鉆臺和懸臂梁的連接方式可以分為一體式和可拆式［7］,可拆式連接中,鉆臺移動更加靈活,作業(yè)操作更加方便、效率更高,使得平臺整體性能更加優(yōu)越。

鉆臺結(jié)構(gòu)的強度校核十分重要,有學者利用SACS軟件對鉆臺結(jié)構(gòu)進行簡化建模,將大型析材以梁的形式建出,忽略小結(jié)構(gòu),對鉆臺結(jié)構(gòu)進行強度校核［8］;也有學者利用SACS軟件對鉆臺進行建模與強度分析,其將弱構(gòu)件的截面積與慣性矩等效疊加到相應主梁上［9］。上述工作是利用SACS軟件進行簡化建模,該方法在計算鉆臺的整體強度時較為準確,但是對于鉆臺結(jié)構(gòu)而言,其受力形式較為復雜與分散,對于弱構(gòu)件進行建模并進行強度分析也是有必要的,同時兩者均沒有建出鉆臺風墻結(jié)構(gòu),對于風墻所受到的風載荷和設備載荷沒有辦法進行準確考慮與加載,而這些載荷對鉆臺的強度與應力分布也是有一定影響的。為此,以某400 ft自升式鉆井平臺的鉆臺結(jié)構(gòu)為研究對象,根據(jù)相關規(guī)范要求［10-11］進行工況選取和載荷計算,利用有限元軟件MSC Partan/Nastran建立完整的鉆臺結(jié)構(gòu)模型,包括所有強框架以及弱構(gòu)件,進行計算與后處理,對該鉆臺進行強度校核,找出鉆臺應力與各載荷之間的關系及其隨環(huán)境載荷來向的變化趨勢,并對高應力區(qū)域給出改進建議。

1 有限元模型與校核標準

1.1 計算模型

鉆臺結(jié)構(gòu)主要由主梁、次要梁、鉆臺面、風墻、鉆臺支腿和井架支腿構(gòu)成,鉆臺支腿與井架支腿與呈框架形設置的4道主梁連接,主梁跨距為12.2 m×12.2 m,鉆臺高度為4.1 m,風墻高度為6.0 m。模型總共包含83 663個單元,所有主要主梁、次梁、支腿等均用面單元進行模擬,加強筋與骨材用梁單元模擬,高應力區(qū)域采用50 mm× 50 mm尺寸細網(wǎng)格建模。所有次要構(gòu)件均包含在模型中,追求鉆臺剛度模擬的精確度,鉆臺整體有限元模型見圖1。鉆臺支腿連接鉆臺與懸臂梁,井架支腿是鉆臺面上支撐井架的結(jié)構(gòu),鉆臺支腿和井架支腿有限元模型見圖2。

1.2 材料屬性與校核標準

該鉆臺結(jié)構(gòu)建造采用ABSAH36/EH36級鋼和A級鋼,對應的屈服強度分別為355 MPa和235 MPa。楊氏模量取為206 GPa,泊松比取為0.3,密度取為7 850 kg/m3。其中,A級鋼用于建造鉆臺風墻結(jié)構(gòu)和部分非主要受力區(qū)域的加強筋以及骨材,而鉆臺其余部分均使用AH36/EH36級高強度鋼,在強度校核中應該加以區(qū)分。

圖1 鉆臺模型

圖2 支腿模型

根據(jù)美國船級社ABSMODU規(guī)范第3部分規(guī)定,對于AH36/EH36級鋼和A級鋼以及不同的網(wǎng)格尺寸大小所規(guī)定的安全系數(shù)及許用應力計算結(jié)果見表1。

2 工況選取與載荷分析

2.1 工況選取

鉆臺強度計算與校核選取工況為遠洋拖航工況、作業(yè)工況和滑移工況。遠洋拖航工況相對于油田拖航工況,鉆臺和井架承受著更大的環(huán)境慣性載荷,受力相對更大,因此選取遠洋拖航工況進行分析即可。作業(yè)工況分成兩大類,一類是結(jié)構(gòu)承受大鉤載荷沒有轉(zhuǎn)盤載荷,另一類是結(jié)構(gòu)承受轉(zhuǎn)盤載荷沒有大鉤載荷,需要分別進行考慮。滑移工況指鉆臺與懸臂梁之間的相對滑移狀態(tài),是可拆式鉆臺結(jié)構(gòu)的特有工況,通常不是主要受力工況。

區(qū)別于傳統(tǒng)的一體式鉆臺懸臂梁連接方式,進行鉆臺強度分析時,可以直接建出部分懸臂梁艙壁模型,任意工況下均將約束條件施加于懸臂梁模型之上。可拆式鉆臺結(jié)構(gòu)的邊界條件選取是該型鉆臺強度分析的重點,需要綜合考慮各不同工況下保險裝置的約束作用和滑移軌道的支撐導向作用,鉆臺可以作為一個獨立的分析對象,無需對下部懸臂梁建模。邊界條件約束見圖3。圖中1代表約束,0代表放開。

圖3 邊界條件

2.2 載荷分析

鉆臺所受載荷主要可以分為固定載荷、井架載荷、可變功能載荷和環(huán)境載荷。某作業(yè)工況載荷施加見圖4。

固定載荷是指布置于鉆臺和鉆臺風墻上的各式設備的設備重量,重量較大的設備主要包括鉆井絞車、轉(zhuǎn)盤、鉆井鋼絲繩滾筒及智能排管機,等。其中,比較特殊的是鉆井絞車,鉆桿的提升與下降都是大鉤通過與其配合完成,在作業(yè)工況計算中,需根據(jù)廠家提供的絞車支反力報告,以支反力的形式加載于鉆臺相應位置。

井架屬于大型析架式結(jié)構(gòu),由布置于鉆臺面上的井架支腿所支撐。由于重心高、質(zhì)量大,受環(huán)境載荷影響大,其對鉆臺結(jié)構(gòu)強度的影響不容忽視。以設備廠家提供的井架支反力作為井架載荷施加于有限元模型相應位置處。

圖4 施加載荷

可變功能載荷主要包括大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤載荷、立根盒載荷和鉆臺面工作載荷。作業(yè)工況中,大鉤載荷與轉(zhuǎn)盤載荷不能同時存在,因為相關鉆具不可能同時吊在大鉤之上和卡于轉(zhuǎn)盤之上。兩載荷力的大小相等,大鉤載荷主要體現(xiàn)在設備廠家所提供的井架支反力中,因此在施加轉(zhuǎn)盤載荷時,需將井架支反力中減去大鉤載荷的部分;立根盒載荷來源于存放在該區(qū)域的鉆桿。

環(huán)境載荷主要包括風載荷和由波浪引起的慣性載荷。風載荷體現(xiàn)在任意工況之中,由于鉆臺面上有井架結(jié)構(gòu)和風墻結(jié)構(gòu),整個鉆臺的受風面積是較大的,風載荷計算公式可以參考相關船級社規(guī)范。慣性載荷主要體現(xiàn)在遠洋拖航工況中,是該工況下的鉆臺的主要外載荷,橫搖角度和縱搖角度為15°,垂蕩振幅為2 m,3個運動周期均為10 s。根據(jù)相關規(guī)范要求,環(huán)境載荷需考慮0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°這8個來向。定義環(huán)境載荷來向見圖5。

圖5 環(huán)境載荷來向

3 計算結(jié)果與討論

3.1 計算結(jié)果

鉆臺支腿最大應力393 MPa出現(xiàn)在拖航工況遭受來向180°環(huán)境載荷,該值小于403 MPa(許用應力)。井架支腿最大應力為234 MPa,出現(xiàn)在遠洋拖航工況遭受來向45°環(huán)境載荷時,該值小于許用應力320 MPa。梁框架最大應力為278 MPa,出現(xiàn)在有轉(zhuǎn)盤載荷時的作業(yè)工況,該值小于許用應力320 MPa。風墻最大應力為189 MPa,出現(xiàn)在遠洋拖航工況遭受來向180°環(huán)境載荷時,該值小于許用應力211 MPa。各工況下最大應力隨環(huán)境載荷來向的變化見圖6。

圖6 應力變化

鉆臺支腿、井架支腿、梁框架和風墻分別出現(xiàn) 最大應力時的應力分布見圖7。

圖7 應力分布

3.2 結(jié)果討論

鉆臺支腿、井架支腿和風墻結(jié)構(gòu)在遠洋拖航工況中應力較大,因為此時鉆臺面上的井架結(jié)構(gòu)受到環(huán)境載荷的影響較大,慣性力很大,從而產(chǎn)生較大支反力作用于井架支腿之上,導致鉆臺支腿和井架支腿在這一工況下出現(xiàn)較大應力。而同時鉆臺支腿作為整個鉆臺的支撐,應力更高。對于鉆臺支腿,在保證現(xiàn)場施工方便的前提下,可以對支撐加強進行一定增寬與加厚。以單個鉆臺支腿為研究對象,發(fā)現(xiàn)其最大應力隨著環(huán)境載荷來向呈現(xiàn)出明顯的波浪形變化趨勢。由于遠洋拖航工況下,鉆臺風墻離水平面更近,所受到的風壓相對于作業(yè)工況也更小,但是結(jié)果顯示風墻應力在遠洋拖航工況下更高,波浪引起的慣性載荷是導致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要因素。梁框架在遠洋拖航工況中,應力較大區(qū)域為智能排管機下方的支撐梁,因為該工況下慣性力較大,而智能排管機質(zhì)量大、重心高,從而導致其下方的支撐梁出現(xiàn)較大應力。梁框架在作業(yè)工況中,承受轉(zhuǎn)盤載荷時的最大應力比承受大鉤載荷時的最大應力要高出2～3倍,應力較大區(qū)域為轉(zhuǎn)盤區(qū)域的梁結(jié)構(gòu),可見相關鉆具卡于轉(zhuǎn)盤區(qū)域之上時,對附近的支撐梁強度影響還是較大的。對于梁框架,最大應力均出現(xiàn)在梁與梁的角隅連接處,可以在這些應力較大區(qū)域布置肘板或?qū)σ延兄獍暹M行尺寸調(diào)整。

4 結(jié)束語

可拆式鉆臺結(jié)構(gòu)相對于一體式鉆臺結(jié)構(gòu),作業(yè)操作更加方便、效率更高,其結(jié)構(gòu)強度分析重點是對其邊界條件的定義,需要體現(xiàn)出滑移軌道和保險裝置對鉆臺支腿結(jié)構(gòu)的支撐與導向作用。鉆臺結(jié)構(gòu)強度分析載荷種類較多,在進行準確計算的同時還需要注意不同工況中各載荷的選取。對計算中發(fā)現(xiàn)的高應力區(qū)域需要加以特別關注,進行結(jié)構(gòu)形式上的改進或加強。

與其他學者進行簡化建模,將風墻和弱構(gòu)件進行忽略或是等效不同,對鉆臺結(jié)構(gòu)進行完整建模與強度計算,可以充分進行載荷的施加,在保證鉆臺整體強度滿足要求的同時,對于鉆臺的一些局部區(qū)域強度也可以進行準確校核。

鉆臺是整個自升式鉆井平臺的核心部分,其結(jié)構(gòu)強度滿足要求是保證鉆井工作順利開展的必要前提。通過對其結(jié)構(gòu)強度分析流程進行研究,所得到的計算結(jié)果滿足相關規(guī)范的要求,可以為實際工程建造提供安全可靠性的依據(jù),并為今后其他鉆臺的結(jié)構(gòu)設計提供參考。

-［1］汪張?zhí)?趙建亭.我國自升式鉆井平臺的發(fā)展與前景［J］.中國海洋平臺,2008,23(4):8-3.

［2］李潤培,王志農(nóng).海洋平臺強度分析［M］.上海:上海交通大學出版社,1992.

［3］楊永祥.船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)［M］.北京:國防工業(yè)出版社,2008.

［4］李治彬.海洋工程結(jié)構(gòu)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1999.

［5］陳 宏,李春祥.自升式鉆井平臺的發(fā)展綜述［J］.中國海洋平臺,2007,22(6):1-6.

［6］宋旭平.自升式鉆井平臺改造設計方案及可行性研究［D］.青島:中國海洋大學,2005.

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［8］高學靜,張洪欣.自升式鉆井平臺中鉆臺結(jié)構(gòu)強度分析研究［J］.船海工程,2013,42(3):174-176.

［9］汪 怡,于小偉,黃曌宇.自升式平臺鉆臺結(jié)構(gòu)強度分析［J］.船舶工程,2013,35:75-76.

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［11］中國船級社.海上移動平臺入級規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社,2012.

Research on Structural Strength of the Disconnect-type Drill Floor of a 400 ft Self-elevating Drilling Unit

YANG Yong,ZENG Ji,LIChun-hui,WANG Yu-han
(ShanghaiWaigaoqiao Shipbuilding&Offshore Engineering Design Co.,Ltd., ShanghaiWaigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd.,Shanghai200137,China)

A 400 ft self-elevating drilling unit drill floor structure of a cantilever-type drillingmodule is taken as the research object.The loads are calculated and the load cases are setbased on the ABSMODU rules.The flow path for drill floor structural strength analysis is studied.The strength is assessed by using MSCPatran/Nastran.As a result,the high-stress areas in different load cases are found and the suggestions for improvement are put forward.

self-elevating drilling unit;disconnect-type drill floor;finite elementmethod;strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.022

U674.38;P751

A

1671-7953(2015)03-0090-05

2015-03-03

修回日期:2015-03-15

楊 勇(1988-),男,碩士

研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)設計與強度分析

E-m ail:yycjx19881030@126.com