海上井噴搶險“三分支”引火筒結構設計

張帥 苗典遠 蔣凱 鞠少棟 董延明 張文喜

1. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司；2. 國家海上油氣應急救援渤海(天津)基地；3. 中海油能源發展股份有限公司井控安全與應急技術重點實驗室

在石油勘探開發作業過程中，一旦發生井噴失控，極易引發爆炸和火災，進而導致極端惡劣的事故災難，嚴重威脅人員、環境和油氣資源安全［1-3］。救援井施工周期長，易產生次生事故，因此目前井噴失控搶險作業推薦使用源頭控制法［4］，恢復對井口的控制。其主要作業程序包括清除井口附近障礙物、切割井口殘骸、重建井口、壓井4個步驟，最終達到一級井控狀態［5-8］。由于井噴著火后伴隨高強度熱輻射(火焰溫度通常超過1 500 ℃)［5］，人員及設備無法靠近井口區，搶險作業通常會利用引火筒及配套工具［9-11］，將井噴流體(油、氣、鉆井液、火等)引至上方，保障搶險作業人員及設備安全。

根據現有文獻，引火筒技術早在1941年控制科威特油井大火時就已開始應用［1］，其原理是通過將一根適當長度的鋼管罩在失控的井口，利用“煙囪效應”［12-15］將大火/井噴流體集中引向高空，使井口周圍產生負壓，同時起到降溫防護的作用，然后通過快速移開引火筒［16］、消防水炮封頂［5］、底部注氮［1,17］等方式，達到滅火的效果。四川油氣井滅火公司已經成熟應用該技術于多次井控應急搶險作業［6,9,10,17-18］，后為避免井口附近作業期間發生燃爆、起火，以及潛在的H2S威脅，逐步開始推廣利用引火筒進行帶火作業［19-21］。

國內外學者及作業人員針對引火筒進行了一些理論研究及改造應用，艾才云［17］利用自由淹沒射流理論得出計算引火筒最小長度公式，王偉［22］對不同尺寸引火筒產生的阻力系數進行了理論分析，徐州徐工基礎工程機械有限公司［23-24］對旋挖機進行改造，研制了一種多功能遠程遙控的井噴救援車，中海油研究總院［25］設計了一種海上自走式搶裝井口作業器，中海油能源發展股份有限公司［11］和合力(天津)能源科技股份有限公司［26-28］設計了可避免火焰燒斷鋼絲繩的引火筒結構及配套裝置。

綜上所述，國內外對引火筒的研究與應用均取得了相應成果，但均不適用于海上生產平臺多井口同時敞噴所面臨的復雜工況［29-32］。為解決這一問題，設計了一種新型“三分支”引火筒，并對其進行強度評估及吊裝安全分析，判斷其在惡劣工況下的安全性能。

1 “三分支”引火筒設計

1.1 結構

“三分支”引火筒結構包括引火筒和三分支旋轉機構兩部分。三分支旋轉機構可通過角度旋轉實現對生產平臺叢式井口的高度配合，其核心部件包括3個引火筒懸掛部件、角度調整部件及中間連接部件，每個引火筒懸掛部件與角度調整部件之間通過對應的中間連接部件相連接。

如圖1所示，引火筒懸掛部件由懸掛筒和限位螺栓兩部分組成，懸掛筒通過限位螺栓固定于對應引火筒的外圍。角度調整部件由中心軸和旋轉外筒組成，二者通過鎖定鍵完成配合，中心軸采用了3層結構設計，每層設計了角度為15°的均布齒輪。中間連接部件包括與懸掛外筒連接的上支撐架和下支撐架，且三者形成穩定的三角形結構。

圖1 “三分支”引火筒結構Fig. 1 Structure of “three-branch” flow tube

1.1.1 引火筒

引火筒分為?350 mm引火筒、?410 mm引火筒、?610 mm 引火筒3種尺寸，3種尺寸的引火筒通過限位螺栓與相應懸掛筒配合。參照“70 MPa 6BX型環形法蘭規格”及渤海某生產平臺結構，設計三分支引火筒，如圖2所示。

1.1.2 懸掛筒

考慮到事故現場平面度問題，對3種尺寸引火筒分別設計了懸掛筒，引火筒上端3 m位置設計了調整槽，引火筒可以在懸掛筒內部上下移動。當移動到設計位置時，通過限位螺栓鎖定，懸掛筒配套?70 mm限位螺栓。

圖2 引火筒Fig. 2 Flow tube

1.1.3 角度調整部件

為實現3個引火筒之間夾角的調整，設計有中心軸及旋轉外筒，中心軸及旋轉外筒采用齒輪方案，最小調整角度為15°，當角度調整完成后，在齒輪槽中安裝鎖定鍵鎖定角度。中心軸與旋轉外筒配合如圖3所示。

圖3 中心軸與旋轉外筒配合圖Fig. 3 Match between central shaft and rotary outer cylinder

1.1.4 中間連接部件

支撐部件設計中，選取長6 m、腰高×腿寬×腰厚為160 mm×88 mm×6 mm工字鋼作為支撐架，通過焊接與旋轉外筒及懸掛筒連接。工字鋼材質為AH690，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強度σs不小于690 MPa，極限抗拉強度σb為770～940 MPa。

1.2 工作原理

使用時，根據事故井口相對位置，將各引火筒旋轉到合適的位置，通過鎖定鍵固定旋轉角度，再連接頂部緊固套，保證鎖定鍵安裝好后不脫出。

選擇相應尺寸的引火筒，將引火筒與懸掛筒連接好后，通過限位螺栓固定。根據事故現場情況，調節引火筒高度，確保重心穩定。下放過程中，在輔助牽引環內連接鋼索及絞車，輔助整套設備的下放及位置調節。

2 強度評估

“三分支”引火筒主要的連接方式為工字梁焊接和螺栓定位連接，在整體結構中，存在安全風險的位置為懸掛筒與引火筒之間的限位螺栓，可能出現的失效為屈服失效和剪切失效。因此，需對限位螺栓部位進行強度分析，以判斷其是否滿足使用要求。

吊裝過程中，引火筒對連接螺栓的作用力全部來自于自身重力，為便于分析，將其簡化為引火筒短節，簡化后的懸掛筒和引火筒模型如圖4所示。

圖4 懸掛筒和引火筒模型Fig. 4 Model of suspension cylinder and flow tube

施加垂直向下的載荷模擬自身重力，對限位螺栓進行受力分析。以?610 mm引火筒為例，其受力分析參數為：引火筒質量為5 351 kg，引火筒和限位螺栓材料為35CrMo。35CrMo屈服強度不小于835 MPa，剪切強度不小于584 MPa。

從圖5可以看出：最大等效應力發生在限位螺栓與溝槽接觸端面處，為618 MPa，小于螺栓的屈服強度835 MPa。從螺栓切向應力云圖可以看出，最大剪切力在螺栓與懸掛筒接觸內表面，為78.9 MPa，小于螺栓剪切強度584 MPa，螺栓強度滿足要求。

圖5 螺栓等效應力與切向應力云圖Fig. 5 Equivalent stress and shear of screw bolt

從圖6可以看出，引火筒最大等效應力發生在限位螺栓與限位槽連接處，由于圓柱面與平面接觸面積較小，產生了較大應力。最大應力為749.49 MPa，小于連接件的屈服強度835 MPa，因此引火筒強度滿足要求。

圖6 ?610 mm引火筒等效應力云圖Fig. 6 Equivalent stress of ?610 mm flow tube

?350 mm引火筒、?410 mm引火筒、?610 mm引火筒的質量分別為1 974 kg、2 636 kg和5 351 kg。本文對最重的?610 mm引火筒進行了分析，結構強度滿足要求，因此，3種尺寸引火筒結構強度均滿足要求。

3 吊裝安全分析

“三分支”引火筒吊裝過程安全分析主要考慮3種工況：一是起吊后整體受力情況，引火筒強度是否滿足要求，由于三分支引火筒3個支腿角度可調，其重心位置隨角度變化而變化，以三支腿各成120°夾角進行分析；二是在吊運引火筒至井噴井口上方時，井口噴出物的沖擊作用對吊運平衡的影響；三是在風速為6級情況下(搶險工程船作業允許的最高風速)，風力載荷對引火筒整體結構的影響。

3.1 三維幾何模型優化及吊點設置

首先對幾何模型進行簡化，忽略倒角結構，各子結構之間采用固定連接。根據引火筒質量15.7×103kg以及重心的相對位置，設計吊點位置，采用三吊點設計，其中2個吊點位于連接?350 mm引火筒和?410 mm引火筒工字梁的中點處，另一吊點位于連接?610 mm引火筒的工字梁上，距離引火筒2 m。同時配用3根鋼絲繩，長度分別為14.2、14.2、13.6 m。

3.2 模型網格劃分及求解

對模型進行網格劃分，由于模型整體結構復雜，部分結構采用六面體網格劃分，部分結構采用四面體網格劃分，總體網格數為142 415，平均網格質量為0.65，滿足計算需求。

整體采用穩態計算方法，考慮鋼絲繩的特性，鋼絲繩采用特殊的link180單元，該單元只承受拉力，不承受扭矩，其余結構采用常規實體單元。考慮井噴流體對引火筒的作用力，假定井天然氣產量200×104m3/d，取引火筒截面積的一半為作用面積，忽略氣體黏度，可近似求得作用于引火筒截面的壓強約為50 716 Pa［11］。

3.3 仿真結果分析

圖7為引火筒在僅承受自身重力情況下的應力云圖，可以看出，該結構承受最大等效應力約為532 MPa，位置在與最重的?610 mm引火筒連接的工字梁上端面和下端面處，工字梁材料的屈服強度為690 MPa，符合強度要求。

圖8(a)為引火筒在承受井口沖擊力下的應力云圖，可以看出，由于相對于引火筒整體結構質量而言，所受沖擊力相對較小，引火筒的等效應力強度變化不大，最大等效應力由532 MPa降至492 MPa，符合強度要求。

圖7 引火筒在重力作用下的等效應力云圖Fig. 7 Equivalent stress contour of flow tube under the action of gravity

圖8 引火筒在承受井口沖擊力下的等效應力和橫向位移云圖Fig. 8 Equivalent stress and lateral displacement contour of flow tube under the action of wellhead impact

觀察此狀態下的引火筒位移云圖，如圖8(b)所示，可以看出，引火筒最大位移基本不變，位移為348.02 mm，可見在井口沖擊力作用下，引火筒整體偏移較小。

圖9(a)為6級風作用下的引火筒應力云圖，即引火筒在側向風載下的受力情況，通過應力云圖可以看出，由于風載相對于引火筒質量較小，引火筒等效應力強度變化不大，最大等效應力為495 MPa，符合強度要求。

如圖9(b)所示，引火筒最大迎風向位移處同樣為引火筒下端面，偏移量為353.12 mm。可見在6級風作用力下，引火筒整體偏移較小。

圖9 引火筒在風載下的等效應力和橫向位移云圖Fig. 9 Equivalent stress and lateral displacement contour of flow tube under wind load

4 結論

(1)結合引火筒滅火機理及生產平臺搶險難題，設計了用于海上井控搶險的“三分支”引火筒，作業時可根據井口分布調整3個引火筒之間的角度和高度，配合鋼絲繩和絞車進行井噴搶險作業。

(2)利用ANSYS建立了有限元模型，并對應力集中的螺栓連接處進行強度評估，結果表明設計滿足強度要求。

(3)對惡劣井噴工況下的吊裝進行了仿真分析，結果表明，設計的“三分支”引火筒在200×104m3/d氣井井噴環境下最大等效應力為492 MPa，最大偏移量348.02 mm；在6級風環境下最大等效應力為495 MPa，最大偏移量為353.12 mm，均能滿足搶險作業需求，該研究結果可為生產平臺井噴搶險引火筒結構設計研發提供參考。