液壓雙梁BOP 吊機有限元分析

楊軼普

（中國石油渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010）

隨著海洋鉆井作業(yè)水深及鉆井深度的不斷增加，為了滿足鉆井作業(yè)的安全進行，對于防噴器的要求也越來越高，350ft 以上作業(yè)水深平臺一般配置的防噴器組為18 3/4”-10000psi 的環(huán)形防噴器，18 3/4”-15000psi 的單閘板和雙閘板防噴器各1 個，整個防噴器組重量達到了93t，采用傳統(tǒng)的兩臺葫蘆吊配合作業(yè)，將導(dǎo)致葫蘆吊的設(shè)計尺度增大而且作業(yè)難度增加，安全得不到保障。BOP 吊機是為了提高BOP 安裝作業(yè)自動化程度而設(shè)計的一種專用設(shè)備，應(yīng)用在深水自升式鉆井平臺的懸臂梁上，實現(xiàn)將組裝完畢的防噴器組從存儲區(qū)運移到井口的功能。BOP 吊機從結(jié)構(gòu)上講，屬于門式起重機的一種，與傳統(tǒng)門式起重機不同的是，吊機動力系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)，沒有鋼絲繩與滾筒，主要由縱向移動大車、雙主梁、橫向移動小車、導(dǎo)向伸縮梁、液壓缸組、叉子等組成如圖1 所示。液壓馬達的齒輪齒條系統(tǒng)帶動大小車實現(xiàn)橫縱向移動，采用液壓缸實現(xiàn)上下方向的移動。對于整個吊機而言，雙主梁、導(dǎo)向伸縮梁本身的強度和剛度，直接影響將來吊機作業(yè)的安全和操作的便利性。本文采用SESAM 有限元分析軟件對整臺吊機進行了分析，按照美國鋼結(jié)構(gòu)的強度要求對其進行強度校核，并在分析基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，最終得到了符合要求的設(shè)計方案。

1 有限元模型的建立

1.1 材料屬性

吊機材料采用的是DH36，屈服強度σs=355Mpa，抗拉強度σb≥490Mpa，楊式模量E=2.06×105Mpa，泊松比μ=0.3。

1.2 模型簡化建立

由于本文關(guān)注的是整個吊機的總體強度，對局部三個接觸位置進行了簡化處理，分別是小車的橫向移動滾鏈和主梁導(dǎo)軌的接觸、導(dǎo)向伸縮梁的滾鏈與主梁導(dǎo)軌的接觸及三級伸縮梁之間的滾鏈接觸，都采用了Beam 單元進行了焊接處理，這種處理對于局部構(gòu)件的應(yīng)力會有一定的影響，但對于整個吊機結(jié)構(gòu)而言，可以忽略不計。SESAM 有兩種單元類型，一種是Plate 單元，一種是Beam 單元，對于主體結(jié)構(gòu)采用了Plate 單元，對于液壓缸的模擬采用了Beam 單元建立。由于模型較大，有限元網(wǎng)格大小設(shè)置為100mm，劃分網(wǎng)格后共生成34573 個網(wǎng)格，具體模型如圖1 所示。

圖1 BOP 吊機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 BOP 吊機有限元網(wǎng)格劃分、邊界約束及載荷施加位置示意

1.3 邊界條件和載荷

BOP 吊機通過縱向移動行車的滾鏈與平臺懸臂梁上的導(dǎo)軌接觸連接，并通過液壓馬達的齒輪和鋪設(shè)在懸臂梁上的齒條嚙合接觸連接，所以在模型縱向移動行車的4 個滾鏈處添加了線形鉸接約束。

吊機計算的載荷取1.6 倍的起升載荷，0.95 倍的非運動部分自重載荷，載荷為187t。以點載荷和集中力矩的形式添加在模型上，具體位置見圖2 所示。

2 BOP 吊機的有限元計算結(jié)果

2.1 應(yīng)力結(jié)果

經(jīng)計算應(yīng)力危險的構(gòu)件為雙主梁、導(dǎo)向伸縮梁與叉子連接的部位。

（1）雙主梁。雙主梁的有限元計算結(jié)果如圖3 所示，可以看出，在雙主梁與縱向移動行車連接位置，由于是變截面且靠近邊界約束位置，產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力達到了223Mpa，故該處需要進行加工工藝處理來減小應(yīng)力集中的影響。主梁中間與橫向移動小車接觸位置為主要受力點，應(yīng)力計算結(jié)果為111Mpa，具有較大的安全系數(shù)。

（2）導(dǎo)向伸縮梁。導(dǎo)向伸縮梁承受的載荷主要是BOP組產(chǎn)生沿Y 軸的彎矩作用。當BOP 吊機伸至最下端極限位置時，是導(dǎo)向伸縮梁受力最為惡劣的情況，計算得到的應(yīng)力結(jié)果是最底端與叉子焊接的根部應(yīng)力最大，達到了159Mpa,如圖4 所示。

2.2 應(yīng)變結(jié)果

圖3 雙主梁主要受力點VonMises 應(yīng)力云圖

圖4 導(dǎo)向伸縮梁VonMises 應(yīng)力云圖

（1）雙主梁。對于門式起重機，國標有明確的規(guī)定：主梁的靜態(tài)剛性水平變形量ν ＜ L/2000，垂向剛度變形量ν ＜ L/1000，本吊機的跨度L=16.96m，所以水平應(yīng)變計算結(jié)果ν 應(yīng)小于8.48mm，垂向應(yīng)變結(jié)果ν 應(yīng)小于16.96mm。水平應(yīng)變最大位置是橫向移動小車的滾鏈與主梁的接觸位置，主要是導(dǎo)軌為抵抗BOP 產(chǎn)生的Y 向力矩而產(chǎn)生的水平力反力帶動主梁發(fā)生變形，從圖5 可以看出，計算垂向應(yīng)變結(jié)果滿足國標要求。

圖5 雙主梁垂向應(yīng)變云圖

（2）導(dǎo)向伸縮梁。由于吊機型式和結(jié)構(gòu)的特殊性，國標上找不到類似結(jié)構(gòu)，對于導(dǎo)向伸縮梁的應(yīng)變沒有標準要求，但導(dǎo)向伸縮梁的應(yīng)變需要控制在一個合理范圍內(nèi)，主要是變形不能夠?qū)е翨OP 組從吊機上滑落，并且不能影響將來BOP的安裝作業(yè)，所以導(dǎo)向伸縮梁的剛性要好。從理論上分析，可以將導(dǎo)向梁簡化為懸臂梁，在梁的端部加固支的邊界條件，設(shè)計截面屬性下的變形量為31.8mm，見圖6。

圖6 導(dǎo)向梁的應(yīng)變云圖

3 結(jié)語

本文利用有限元分析方法對液壓雙梁BOP 吊機進行了分析研究，得到了雙主梁及導(dǎo)向伸縮梁的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果。計算分析表明，對于BOP 吊機而言，剛度的要求要高于對強度要求。通過優(yōu)化雙主梁的截面參數(shù)，可以在不增加導(dǎo)向伸縮梁截面特性的情況下，通過增加導(dǎo)向伸縮梁、橫向移動小車及雙主梁的連接剛性，減小導(dǎo)向伸縮梁的應(yīng)變，從而優(yōu)化BOP 吊機的設(shè)計方案。