基于SACS的海洋門型井架計(jì)算方法研究

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(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)①

鉆機(jī)井架是海洋鉆探設(shè)備的重要組成部分。與前開口形、A形、桅形等形式的井架相比[1]，門型井架結(jié)構(gòu)輕巧，占地小，是目前勘探船井架的一種較好形式。如圖1所示。

SACS是一種海事結(jié)構(gòu)分析的有限元軟件，用于包括各種海洋工程結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)、建造和安裝。除支持國(guó)際海洋工程特定的設(shè)計(jì)代碼和檢查設(shè)計(jì)規(guī)范和進(jìn)行校對(duì)之外，SACS是一個(gè)工程設(shè)計(jì)軟件，附帶有依據(jù)校核規(guī)范；基于單個(gè)模型，可用語言命令操作實(shí)現(xiàn)多種工況同步分析，免去一個(gè)模型一種工況的繁瑣工作，操作簡(jiǎn)單、方便。并且SACS可以對(duì)多種工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出各單元的最危險(xiǎn)工況，最大內(nèi)力、應(yīng)力、支反力，從而使得制作計(jì)算書事半功倍。

圖1 門型井架示意

SACS還可以用于導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)(包括分析導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)及樁土分析)。國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面的研究及應(yīng)用成果比較多[2-6]；在石油鉆機(jī)井架靜力分析中也有一定的應(yīng)用，但在動(dòng)力分析以及在門型井架研究中的應(yīng)用還比較少見[7-9]。

海洋鉆機(jī)井架的環(huán)境載荷、工作狀態(tài)比較惡劣，且門型井架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用SACS軟件分析時(shí)具有一定的難度，有很多細(xì)節(jié)需要做特殊處理。筆者結(jié)合工程實(shí)例，用SACS的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)某海洋門型井架的計(jì)算方法進(jìn)行了研究。

1 井架組成及工作原理

該井架結(jié)構(gòu)如圖1所示，由左、右2個(gè)肢通過頂部的連接架組成，每個(gè)肢上有2個(gè)撐桿，撐桿一端通過銷軸耳板與井架上的連接耳板連接，撐桿另一端通過銷軸耳板與設(shè)置在船舶甲板上的耳座連接。井架的每個(gè)肢各由上、中、下3段組成，這3段之間通過一種特制的槽型截面通過螺栓群連接。

該門型井架與常規(guī)的海洋井架配備有天車和絞車不同，采用液壓油缸和滑移系統(tǒng)配合驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆柱的上提、下放功能。增大了船甲板面的有效使用面積。勘察船配套的液壓動(dòng)力源為大部分鉆井設(shè)備和被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)等設(shè)備提供動(dòng)力。

2 計(jì)算難點(diǎn)

1) 難點(diǎn)1。因井架固定在船甲板上，隨著船一起發(fā)生晃動(dòng)，比陸地鉆機(jī)的受力更加惡劣。這種情況可以看成是井架承受了一種邊界激勵(lì)。

2) 難點(diǎn)2。井架以2個(gè)主肢的內(nèi)立柱作為頂驅(qū)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌，但是由于井架在海上作業(yè)時(shí)存在動(dòng)態(tài)加速度，而頂驅(qū)的質(zhì)量較大，所以會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，尤其在風(fēng)暴工況下，慣性力往往大到井架不能承受的地步，故井架配置了頂驅(qū)補(bǔ)償裝置。如何在計(jì)算中合理模擬頂驅(qū)及補(bǔ)償裝置，去除多余慣性力，用合理的力學(xué)模型模擬補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果。

3) 難點(diǎn)3。井架的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是2個(gè)油缸，油缸運(yùn)動(dòng)通過鋼絲繩傳遞給部件，產(chǎn)生起下鉆的運(yùn)動(dòng)。如何模擬繩子關(guān)系到載荷的有效傳遞。

3 算例

以某海洋門形井架為例，其主要技術(shù)參數(shù)如下。

最大鉤載 750 kN

高度 25 m

采用軟件 SACS

采用規(guī)范 API 4F、建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[10-11]。

本井架分析時(shí)，主要有2種工況，工況1為操作工況；工況2為風(fēng)暴工況。

3.1 坐標(biāo)系

井架結(jié)構(gòu)模型采用笛卡兒坐標(biāo)系，笛卡爾坐標(biāo)系遵守右手定則并規(guī)定如下。

坐標(biāo)原點(diǎn)——鉆臺(tái)面井口中心。

+x——井架正前方；

+y——指向井架體側(cè)邊；

+z——豎直向上。

(注：井架的坐標(biāo)系與船體一致。)

3.2 模型

3.2.1整體模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，建立井架有限元模型如圖2所示，并施加載荷。

圖2 井架有限元模型

3.2.2載荷及附屬設(shè)備

載荷(繩子的作用力)在SACS中可以建立為只受拉(或只受壓)單元來模擬。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這樣容易使得計(jì)算結(jié)果失真。所以，對(duì)繩子不予建模，而是把繩子上的力直接加載在井架結(jié)構(gòu)上。井架載荷加載如圖3所示。

附屬設(shè)備都是有質(zhì)量的，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，質(zhì)量在加速度場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生慣性力。所以，除非僅僅在重力作用場(chǎng)之中做簡(jiǎn)化分析時(shí)，可以把井架上附屬的設(shè)備簡(jiǎn)化成豎直向下的力進(jìn)行加載。本案例中不僅有重力場(chǎng)，還有由于動(dòng)邊界引起的加速度場(chǎng)。如果僅僅把附屬設(shè)備按豎向載荷進(jìn)行加載，那么將不能體現(xiàn)水平及豎向加速度對(duì)設(shè)備質(zhì)量產(chǎn)生的效應(yīng)，將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真。這里把井架附屬設(shè)備簡(jiǎn)化成質(zhì)量點(diǎn)，按照其在井架上的位置施加對(duì)應(yīng)的質(zhì)量點(diǎn)。如圖4所示。

圖3 井架載荷加載示意

圖4 設(shè)備質(zhì)量加載示意

SACS軟件在計(jì)算風(fēng)載時(shí)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即軟件可以根據(jù)設(shè)計(jì)者輸入的風(fēng)速及規(guī)范名稱，自動(dòng)識(shí)別結(jié)構(gòu)已建模構(gòu)件的表面積，從而自動(dòng)求解已建模構(gòu)件結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷，這樣就把設(shè)計(jì)師從繁瑣的風(fēng)載計(jì)算中解放出來。當(dāng)然，對(duì)于結(jié)構(gòu)未建模的附件，需要手工計(jì)算其風(fēng)載，再施加到結(jié)構(gòu)上。風(fēng)載荷施加如圖5所示。

圖5 風(fēng)載荷施加示意

3.2.3邊界條件

SACS軟件中可以人工按實(shí)際情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束情況，對(duì)構(gòu)件的自由度進(jìn)行調(diào)整。結(jié)構(gòu)物的6個(gè)自由度，軟件中則用6個(gè)自由度來表示，對(duì)支腳節(jié)點(diǎn)，1表示約束，0表示自由，如111000表示線位移全約束，轉(zhuǎn)動(dòng)全自由。對(duì)于其它節(jié)點(diǎn)，則用0表示約束，1表示約束，如000000表示剛接。

3.3 計(jì)算過程

SACS計(jì)算海洋結(jié)構(gòu)物的計(jì)算方法通常通過4個(gè)步驟來完成。第1步進(jìn)行靜力分析(Static分析模塊)；第2步進(jìn)行單獨(dú)的拖分析(Tow分析模塊)；第3步把靜力分析和加速度分析的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行組合(Combine分析模塊)；第4步對(duì)第3步的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理(Post分析模塊)，對(duì)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行校核。

3.3.1靜力分析時(shí)工況組合

靜力分析時(shí)共包含8種工況，即結(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)載荷、結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元(井架附件)與8個(gè)風(fēng)向的組合。這8種工況包含的內(nèi)容除過風(fēng)載荷不一樣外，其它載荷均一樣。

3.3.2拖分析時(shí)的工況組合

動(dòng)邊界在海洋鉆機(jī)、深水鉆機(jī)計(jì)算中比較難處理。這里獲得井架重心處的加速度值，然后把動(dòng)邊界問題簡(jiǎn)化為某一瞬態(tài)的加速度場(chǎng)中來計(jì)算。通常有2種處理方法，一是采用動(dòng)加速度，二是采用動(dòng)位移。2種方法都能取得較好的計(jì)算結(jié)果[12-13]。本文采用加速度法。SACS對(duì)于井架邊界條件的處理，可以輸入運(yùn)動(dòng)參數(shù)，也可以輸入加速度數(shù)據(jù)。

由于井架的坐標(biāo)系與所在船舶的坐標(biāo)系一致，根據(jù)井架質(zhì)心處的加速度值，結(jié)合API 4F規(guī)范8.4.1條的規(guī)定，“動(dòng)力的組合至少應(yīng)如下：①縱向動(dòng)力，包括縱蕩和縱搖，以及升沉；②橫向動(dòng)力，包括橫蕩和橫搖，以及升沉；③對(duì)角線動(dòng)力與升沉組合” 。船體設(shè)計(jì)方所給的x向加速度是縱向的加速度(已包含縱蕩和縱搖)，y向加速度是橫向的加速度(已包含橫蕩和橫搖)，所以應(yīng)進(jìn)行加速度的組合。

3.3.3組合分析時(shí)的工況組合

組合分析主要是將井架結(jié)構(gòu)在靜力分析時(shí)的計(jì)算結(jié)果，與井架僅在加速度作用下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行組合(線性疊加)，然后校核計(jì)算結(jié)果。

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1局部處理效果驗(yàn)證

本例中頂驅(qū)重力為83.6 kN，補(bǔ)償裝置重力為77 kN，兩者的重力和為160.6 kN。為了模擬頂驅(qū)補(bǔ)償裝置對(duì)頂驅(qū)豎向(z向)慣性力的克服，采用4個(gè)桿單元對(duì)頂驅(qū)和頂驅(qū)補(bǔ)償裝置進(jìn)行懸吊(約束為001000，如圖6所示)。

圖6 節(jié)點(diǎn)約束

3.4.2工況1計(jì)算

工況1計(jì)算如圖7所示。

a Static分析時(shí)的吊點(diǎn)力

b Tow分析時(shí)的吊點(diǎn)力

c 組合分析時(shí)的吊點(diǎn)力

d y向彎曲應(yīng)力

e 校核值(校核值≥0.55)

Static分析時(shí)，z向加速度a1z=9.81 m/s2，頂驅(qū)和頂驅(qū)補(bǔ)償裝置的慣性力為16.37×9.81=160.6 kN；支反力為65.684+57.650+13.395+24.062=160.791≈160.6 kN。兩者基本相等。

Tow分析時(shí)，z向加速度為a2z=-1.99 m/s2，頂驅(qū)和頂驅(qū)補(bǔ)償裝置的慣性力為-16.37×1.99=32.576 kN；支反力為-50.727-23.549+6.762+34.872=-32.642≈-32.576 kN。兩者基本相等。

組合分析時(shí)，z向加速度為a3z=-1.99 m/s2，頂驅(qū)和頂驅(qū)補(bǔ)償裝置的慣性力為-16.37×(9.81-1.99)=128.01kN。支反力為42.135-26.665+92.523+20.157=128.15≈-128.01 kN。兩者基本相等。

由計(jì)算結(jié)果可知，按本案例的計(jì)算方法，即Static分析和加速度分析進(jìn)行了線性疊加，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，說明這種處理方式比較理想。

3.4.3工況2計(jì)算

工況2計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

a y向彎曲應(yīng)力

b 校核值

從工況1、2的計(jì)算結(jié)果可見，井架的應(yīng)力值和校核值均能滿足API 4F規(guī)范的要求。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)目前海洋門型井架設(shè)計(jì)中存在的問題，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)海洋門型井架的計(jì)算方法進(jìn)行了探討。

2) 采用本文的設(shè)計(jì)方法、細(xì)節(jié)處理方法進(jìn)行計(jì)算后，得到了較理想的結(jié)果。

3) 本文中的一些處理方法，對(duì)類似工程設(shè)計(jì)、研究有一定的借鑒意義。

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