東方13-2B鉆井平臺自升式井架設計分析

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(1.中國船級社，西安 710065； 2.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，蘭州 730314)

東方13-2B鉆井平臺是計劃在南海作業的自升式鉆井平臺，配套4 500 kN級別的自升井架。該型井架是以H型鋼為主腿的前開口式無繃繩“K”型井架, 在作業過程和起升過程中承受多種載荷作用，需要滿足海上作業和整體運輸的強度要求。由于安裝在海洋平臺上，改進井架的結構，減少其質量，提高安全性能，為平臺節約空間至關重要。建立準確的力學分析模型，并使用高效可靠的分析方法是改進產品的關鍵一環。本文選取井架作業工況和起升工況對其進行力學分析。

由于井架結構的復雜性，采用專業分析軟件SAFI對其進行分析，根據計算結果對井架結構提出改進建議，為后續研究風振以及溫度等對井架的載荷效應提供理論基礎。

1 井架結構及主要參數1.1 結構特點

該型井架與天車、液壓絞車等部件配套成額定靜鉤載4 500 kN，鉆深7 000 m的海洋鉆井模塊。游車和頂部驅動裝置設計有雙軌道，使游車和頂部驅動裝置上下運行平穩。為運輸方便，井架主體分6段，每段分左右2片，以后側中心線為界分開。在現場將第2段以上各段左右段用高強度螺栓分別連成整體，用彎銷鎖緊螺母防松。井架體段與段之間采用銷軸連接，方便快捷。在井架底段設置有特制的起升滑輪組、定位裝置以及導向裝置等，其中導向裝置由井架各段的H型主腿立柱和設置在基段上的導向輪組成。該井架起升系統簡單，安裝方便，起升力小，相對常規“K”型井架，起升時占地面積小。井架底段開檔可充分利用臺面空間進行設計，鉆臺面積利用率高，非常適合于海洋平臺及陸地的山區、丘陵、城鎮地帶油、水井鉆井作業時使用。將液壓絞車集成到井架底段部位，利用在井架底段的液壓絞車和滑輪組將其余的井架各段垂直起升至工作位置，安裝、拆卸時不需要專門的起吊設備。采用分段連接技術，特別適合于海洋鉆井平臺或山區、丘陵、城鎮等井場場地小的環境[1]。該產品有逐漸取代其它類型井架的趨勢，例如常規“K”型井架和塔型井架等，在國內外各海洋平臺逐步開始廣泛應用。井架主體結構如圖1所示。

1—井架底段；2—井架二段；3—井架三段；4—井架四段；5—井架五段；6—井架頂段。

1.2 主要技術參數

井架型式 K型

最大鉤載 4 500 kN

工作高度 47 m

立根容量 28 m立根 220柱(6 000 m)

井架起放和作業抗風能力 33.1 m/s

結構安全等級 E2U2

起升方式 自舉式

2 井架建模及分析計算

井架是海洋平臺的重要承載部件之一，因強度不夠、失穩而破壞的情況在國內外都曾發生過[2]。本文采用專為鉆機設備提供的分析計算軟件SAFI 9.0.10對該井架進行分析與計算。由于井架整個起升過程很慢，可認為起升時井架在每個位置都處于受力平衡狀態[3]，因此在起升的各個位置都按靜力分析研究。遵循API Spec 4F 第4版及AISC 335—89規范中的相關要求對該井架進行靜態特性分析，分析其應力和應變。考慮設計周期的時效性，選取井架的作業工況和起升工況對其進行力學分析。在井架的設計選材過程中，反復循環：計算-設計修改-計算驗證。最終以相對較快的設計周期，達到優化井架結構、保證井架強度和生產周期的效果。

2.1 模型建立

井架整體結構為空間鋼架結構，將井架各桿件的焊接連接處或銷軸連接處取為計算節點[4-5]。在建立井架模型時，去掉井架梯子及套管扶正臺等附屬結構，對整體結構進行了合理簡化。在SAFI軟件中所建有限元模型如圖2所示，其中井架模型全局坐標系如圖3所示。

全局坐標系遵循右手法則：

+x： 大門側。

+y： 垂直地面向上方向。

+z： 司鉆側。

坐標原點： 甲板平面井眼中心。

2.2 材料性能參數

該井架主體及附件主要構件均由型鋼和組焊型鋼焊接制成，其中主要承載構件由低合金高強度結構鋼Q345材料制成[6]，附件構件主要由碳素結構鋼Q235材料制成，銷子主要由35CrMo等材料制成。材料參數如表1所示。

圖2 井架有限元模型

圖3 井架模型全局坐標系

2.3 各工況輸入數據及載荷

井架起升時，由液壓絞車提供動力，通過鋼絲繩和滑輪把力傳給井架，使井架垂直起升。井架起升到達最后階段時，起升力、各構件受力達到最大。因此，以該狀態的載荷來計算井架起升受力狀況。

結構重力+設備重力=1 330 kN，其中結構重力為井架主體結構重力，設備重力為液壓絞車、頂驅等配套設備的重力；大鉤載荷=4 500 kN；立根盒載荷=2 700 kN，對風載的計算已有很多文獻進行過很詳細的論述[7-10]，在此不再累述。

設計載荷(結構安全等級：E2U2)[11]如表2所示。

2.4 計算結果

根據AISC規范中組合應力校核公式，在SAFI后處理模塊中對所建有限元模型中的單元進行校核,并以UC值(limit states summary)[12]加以表示。

(1)

(2)

(3)

式中：fa為算得的軸向應力，MPa；Fa為只有軸向力作用時允許的壓應力，MPa；fb為在計算點算得的壓彎應力，MPa；Fb為只有彎矩作用時允許的彎曲應力，MPa；Cm為彎曲計算中的系數值，取值依據如：①對于框架主體中受節點位移(側移)的壓縮構件和彎曲平面中兩端旋轉自由度約束的構件，Cm=0.85；②對于彎曲平面中兩端旋轉自由度未約束的構件，Cm=1.0；下標x和y表示對應坐標方向中相應值的分量；Fe由式(4)求得：

(4)

式中：lb是彎曲平面中的實際無支撐的長度，m；rb是對應的回轉半徑，m；K是彎曲平面的有效長度因子。

表1 材料力學性能參數

表2 作業工況和起升工況的設計載荷組合

整體結構的UC值如圖4～5所示，可以看出，在作業工況和起升工況下井架所有構件UC值均小于1，井架能夠抵抗作業工況和起升工況的組合載荷，證明該井架符合API Spec 4F第四版的規范要求。

圖4 井架在作業工況下的構件UC值

圖5 井架最大起升力工況下的構件UC值

3 結論

1) 采用SAFI 9.0.10軟件對東方13-2B鉆井平臺井架的作業工況和起升工況進行了有限元計算，通過計算—設計修改—計算驗證，為井架結構的選材和減重提供了改進參考，并使該型井架在客戶要求的設計周期內通過最終的設計驗證。

2) 東方13-2B鉆井平臺井架的設計模型吸取了國內外海洋平臺井架設計的優點，游車和頂部驅動裝置設置雙軌道，使游車和頂部驅動裝置上下運行平穩。井架整體結構拆裝方便、占地面積小，適合平臺吊裝機械安裝，解決了海洋平臺操作空間緊張的問題，其綜合性能和技術水平優異。主要應用對象是國內外海洋鉆修井平臺，也可將相關設計理念拓展至對施工面積有局部限制的陸地鉆井平臺。

3) 本文在分析中未考慮風振和溫度等對井架的荷載效應，如果考慮海洋鉆井平臺的極端環境，如何在計算時合理地加載這些載荷，以期得到更加精確合理的計算數據，進而指導井架的設計優化，是未來需要和試驗相結合進行探索研究的課題。