含缺陷修井機(jī)井架評(píng)定方法工程應(yīng)用研究

陳宇海(中海石油(中國(guó))有限公司生產(chǎn)部，廣東 湛江 524057)

0 引言

老齡海上修井機(jī)井架在復(fù)雜的海洋環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間服役后，一般在井架主桿件、桿件間連接處、斜支撐與主腿相交處及井架其他區(qū)域都存在不同程度的問(wèn)題，包括井架結(jié)構(gòu)腐蝕、主腿彎曲、支座沉降、載荷偏心等缺陷，使其有可能不再滿足出廠時(shí)的設(shè)計(jì)使用工況的要求。因此通過(guò)有效的手段評(píng)估等到出井架的實(shí)際極限承載力，是目前海上修井機(jī)井架安全評(píng)定工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，為平臺(tái)安全生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

對(duì)于海洋修井機(jī)井架的安全評(píng)定，通常是依據(jù)通用的行業(yè)規(guī)范SY 6326—2012《石油鉆機(jī)和修井機(jī)井架底座承載能力檢測(cè)評(píng)定方法及分級(jí)規(guī)范》，通過(guò)檢驗(yàn)檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)井架應(yīng)力測(cè)試、位移測(cè)量、動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試等方法，在得到測(cè)試數(shù)據(jù)后，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行推算和計(jì)算，最終確定在役井架的最大承載能力。這種方法解決了工程上對(duì)井架承載能力評(píng)價(jià)的問(wèn)題，但也存在不足，主要體現(xiàn)在只對(duì)主腿上有限的部位進(jìn)行測(cè)試，對(duì)服役多年的井架而言，少量的測(cè)試所獲取的數(shù)據(jù)不一定能夠包含井架最危險(xiǎn)的位置；同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)施加載荷有限，基本只是滿足規(guī)范要求的25%最大鉤載[1]，所以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)法獲得井架結(jié)構(gòu)最大載荷作用下的數(shù)值，有可能會(huì)給評(píng)估計(jì)算的結(jié)果帶來(lái)有害的誤差，從而給生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。

筆者結(jié)合多年管理海上修井機(jī)井架經(jīng)驗(yàn)，研究采用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)分析，結(jié)合根據(jù)對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)井架的有限元模型進(jìn)行修正，得到精確的模型，再考慮多種工況下井架的分析結(jié)果，從而利用數(shù)值模型分析得到井架極限承載性能分析，得到該井架的極限承載力、危險(xiǎn)部位等。

1 研究方法

1.1 井架現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

常用的井架現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)主要包括井架靜態(tài)載荷應(yīng)力測(cè)試、井架動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試、井架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)位移測(cè)試和井架結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)測(cè)試等。從工程應(yīng)用和分析的便利性，目前海洋修井機(jī)井架普遍采用的是應(yīng)力測(cè)試。規(guī)范SY 6326—2012也對(duì)應(yīng)力測(cè)試中關(guān)于測(cè)試點(diǎn)、測(cè)試載荷、測(cè)試數(shù)據(jù)的選取和分析方法都有比較明確的要求，本文不做討論。

1.2 數(shù)值模擬方法

井架結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬方法普遍采用有限元法。有限元法可簡(jiǎn)單地分為4個(gè)步驟：(1)結(jié)構(gòu)離散化；(2)單元特性分析；(3)建立井架整體矩陣方程；(4)求解整體矩陣方程。一般選擇應(yīng)用ANSYS軟件，主要構(gòu)件來(lái)選用Beam188單元建立井架有限元模型。Beam188單元是一種能夠很好的表達(dá)井架在三維模型下的實(shí)際受力的單元，可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力。

1.3 缺陷等效處理方法

從對(duì)南海西部油田多臺(tái)海洋修井機(jī)的管理情況來(lái)看，井架主要構(gòu)件和構(gòu)件連接處的截面銹蝕、材料強(qiáng)度降低、桿件初彎曲和井架整體初變形等缺陷是海洋修井機(jī)井架比較常見(jiàn)的問(wèn)題。對(duì)于含初始缺陷海洋修井機(jī)井架承載能力評(píng)價(jià)方法和修正模型，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外都做了大量的研究，也取得了一定的進(jìn)展，在理論上總結(jié)了腐蝕、桿件彎曲和載荷偏心、應(yīng)力集中等修正模型。在含損傷和缺陷井架承載力分析理論中，主要有以下5種方法：(1)參考統(tǒng)一折減法；(2)參考應(yīng)力修正法；(3)可靠性分析方法；(4)模糊綜合評(píng)定法；(5)模態(tài)參數(shù)評(píng)定方法。

筆者結(jié)合南海西部某平臺(tái)HXJ180K/33型修井機(jī)井架的承載力評(píng)估工作，在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和應(yīng)力測(cè)試的基礎(chǔ)上，針對(duì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的主要構(gòu)件彎曲，使用缺陷等效法修改有限元模型，以獲取精確有限元模型，再進(jìn)行多種工況的分析，最終得到井架準(zhǔn)確承載力，為決策提供更科學(xué)、客觀的依據(jù)。

圖1 井架承載力評(píng)價(jià)流程

2 有限元模型建立

HXJ180K/33型井架有效高度33 m，最大鉤載(5×6繩系，無(wú)風(fēng)載，二層臺(tái)無(wú)靠放立根)：1 800 kN，二層臺(tái)高度：16.7±0.5 m，抗風(fēng)能力(海平面10 m處風(fēng)速)：滿立根172 km/h; 無(wú)立根198 km/h；井架結(jié)構(gòu)材料為Q345。

根據(jù)井架結(jié)構(gòu)截面類(lèi)型、截面幾何數(shù)據(jù)和材料特性，并采用等效截面積的方法考慮截面壁厚減薄的，建立井架有限元模型。具體做法是將井架各桿件簡(jiǎn)化為空間梁?jiǎn)卧鶕?jù)井架的結(jié)構(gòu)形式、約束條件、受力特點(diǎn)等，建立井架理想狀態(tài)下的數(shù)值模型，建立位移、應(yīng)力等方面力學(xué)參數(shù)與井架承載能力之間的關(guān)系，把整個(gè)井架結(jié)構(gòu)模擬成一個(gè)三維空間框架結(jié)構(gòu)。

井架施加的載荷主要有：(1)恒載，包括井架自重、天車(chē)、二層臺(tái)和游車(chē)大鉤及附件；(2) 工作載荷，包括大鉤靜載荷和工作繩作用力；(3)立根載荷，包括立根自重對(duì)井架產(chǎn)生的作用力及立根所受風(fēng)載；(4)環(huán)境載荷，主要指風(fēng)載荷；(5)地震載荷。

在建立初步模型后，根據(jù)最大鉤載工況時(shí)的靜力計(jì)算結(jié)果，分析得到井架最大應(yīng)變和應(yīng)力，從而確定貼片的最佳位置；再對(duì)模型缺陷進(jìn)行模擬，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析后對(duì)模型進(jìn)行修正，最后得到精確的有限元模型。

3 缺陷等效處理參考應(yīng)力修正法

對(duì)于主腿構(gòu)件發(fā)現(xiàn)的彎曲缺陷，本文參考韓東穎[3]提出參考應(yīng)力修正法，對(duì)發(fā)生彎曲的構(gòu)件進(jìn)行模擬。這種修正法適用于針對(duì)求井架的極限承載力的有限元數(shù)值分析法。應(yīng)力修正法的等效原理，以桿件應(yīng)力為參考，可以簡(jiǎn)單地用以下公式來(lái)考慮井架損傷缺陷的修正關(guān)系：

式中：σe為井架桿件實(shí)測(cè)應(yīng)力；β為桿件的應(yīng)力修正系數(shù)，σ為無(wú)初始缺陷時(shí)有限元中井架相應(yīng)桿件計(jì)算應(yīng)力值。對(duì)于發(fā)生了壓彎缺陷的桿件，在其他參數(shù)不變的條件假設(shè)條件下，軸向應(yīng)力可以通過(guò)橫截面積體現(xiàn)，彎曲應(yīng)力可以通過(guò)彎曲剛度體現(xiàn)。

因而參考應(yīng)力修正關(guān)系可以等效為對(duì)桿件橫截面積和彎曲剛度的修正關(guān)系式：

式中：Ae和A分別表示井架桿件的等效橫截面積和理想橫截面積；Ie和I分別表示桿件的等效抗彎慣性矩與理想抗彎慣性矩；f1(β)和f2(β)分別表示由應(yīng)力修正系數(shù)所確定的對(duì)橫截面積與抗彎慣性矩的修正值。以井架桿件單元?jiǎng)偠染仃囍锌v向剛度折減系數(shù)相乘的方式反映這一特性。設(shè)桿件初彎曲如圖2所示，其中F為桿件所受軸力。為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的初彎曲矢高，l為桿長(zhǎng)。假設(shè)初彎曲形式f0為：

圖2 桿件初彎曲示意圖

式中：C=f0/l為初彎曲矢高與桿長(zhǎng)l之比。

在當(dāng)前的新媒體環(huán)境下，高校學(xué)生在知識(shí)獲取方面，已經(jīng)不會(huì)受到時(shí)間和空間的限制了，其和社會(huì)相接觸的機(jī)會(huì)也開(kāi)始大大增加，但由于學(xué)生的心理認(rèn)識(shí)還不夠成熟，在實(shí)際交流過(guò)程中極容易受到誘導(dǎo)。學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)過(guò)程中，能夠直接利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)表自身意見(jiàn)和觀點(diǎn)，但由于現(xiàn)如今網(wǎng)絡(luò)信息的質(zhì)量就存在良莠不齊的問(wèn)題，很多學(xué)生會(huì)在不經(jīng)意之間接觸到各種不良、不實(shí)的負(fù)面信息，并對(duì)學(xué)生產(chǎn)生負(fù)面影響[1]。同時(shí)，很多大學(xué)生出現(xiàn)過(guò)于沉迷網(wǎng)絡(luò)世界的情況，其在現(xiàn)實(shí)生活中會(huì)有眾多的不如意等，就開(kāi)始逐漸依賴于網(wǎng)絡(luò)溝通，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)情感溝通的比例也開(kāi)始越來(lái)越小，從而形成一個(gè)惡性循環(huán)。

當(dāng)井架立柱受到軸力F作用后，其彎曲形式變?yōu)椋?/p>

式中：

式中：E為彈性模量；I為截面慣性矩；λ為桿件長(zhǎng)細(xì)比。桿件受力后，由于變形增大而產(chǎn)生的桿件軸向縮短為：

由軸力引起的軸向縮短：

因此，受到軸力F作用后，桿件實(shí)際的軸向縮短為：

本文評(píng)估的井架左前主腿的構(gòu)件無(wú)缺陷時(shí)構(gòu)件應(yīng)力值為186.3 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行折減后，計(jì)算得含缺陷的構(gòu)件應(yīng)力值為236.8 MPa。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試

根據(jù)對(duì)理想有限元模型計(jì)算中最大鉤載工況時(shí)的結(jié)果，可以得到井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的位置，從而確定貼應(yīng)變傳感器的最佳位置在井架上體主腿下段、下體主腿下段和下體大腿變形處，選取的位置在井架下體鉆臺(tái)甲板A—A截面和上體二層臺(tái)B—B截面，共在2個(gè)測(cè)試斷面，含8個(gè)構(gòu)件布置32個(gè)測(cè)點(diǎn)；彎曲變形處的1個(gè)構(gòu)件截面4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，總測(cè)試點(diǎn)位36個(gè)，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

為了準(zhǔn)確地反應(yīng)井架的實(shí)際承載能力，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了3次測(cè)試，每次測(cè)試加載了5個(gè)等級(jí)的載荷，5級(jí)加載的載荷為200 kN、300 kN、400 kN、500 kN、600 kN。以確保滿足規(guī)范中應(yīng)變值誤差小于±5%的要求。

為了反映各測(cè)試點(diǎn)在不同載荷下產(chǎn)生的微應(yīng)變，以大鉤載為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)微應(yīng)變(με)為縱坐標(biāo)建立關(guān)系，并進(jìn)行了線性擬合，獲得擬合公式和相關(guān)系數(shù)，典型圖如圖4所示。

圖4 1#和14#傳感器的關(guān)系曲線

擬合結(jié)果表明各測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變和載荷關(guān)系曲線線性關(guān)系良好，其相關(guān)系數(shù)均在0.999以上，說(shuō)明所測(cè)數(shù)據(jù)的可信度較高，說(shuō)服力較強(qiáng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算出構(gòu)件的應(yīng)力值。

同時(shí)對(duì)井架結(jié)構(gòu)也進(jìn)行5個(gè)等級(jí)載荷下有限元計(jì)算分析，提取與測(cè)試構(gòu)件截面的應(yīng)力值與應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)嚴(yán)格遵循線性規(guī)律，擬合誤差均在±5%以內(nèi)，特別是井架主腿彎曲區(qū)域的測(cè)試值與采用應(yīng)力修正法計(jì)算得到的結(jié)果接近，分別為228.2 MPa和236.8 MPa。這種規(guī)范的線性規(guī)律可為外推獲取井架最大承載力提供最大的依據(jù)，也證明有限元模型的精確性，為進(jìn)行有限元模型多工況分析，計(jì)算井架極限承載力分析奠定了基礎(chǔ)。

5 井架承載能力分析

在對(duì)比分析，調(diào)整模型參數(shù)得到井架的精確有限元模型后，按照井架設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行多工況分析。分析工況包括最大鉤載；操作工況1-3；等候天氣工況1-3；保全設(shè)備1-3共10種工況。計(jì)算結(jié)果顯示，在大鉤載作用工況時(shí)，井架的最大應(yīng)力值236.8 MPa；操作工況3時(shí)，出現(xiàn)最大的位移為83.44 mm。

利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)線性外推方法和規(guī)范強(qiáng)度評(píng)定理論，結(jié)合精確有限元模型分析方法，得到算例井架的綜合評(píng)定結(jié)果，其最大承載力比原設(shè)計(jì)最大鉤載1 800 kN下降了14.9%，最新評(píng)定為1 350 kN，被評(píng)為C級(jí)，需降級(jí)使用。

6 結(jié)論

基于有限元分析和缺陷等效處理法，結(jié)合以測(cè)試應(yīng)力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的含缺陷在役井架承載能力評(píng)定方法，能夠綜合反映井架實(shí)際狀態(tài)對(duì)承載能力的影響，能使評(píng)定結(jié)果更可靠和接近于實(shí)際，同時(shí)有利于簡(jiǎn)化評(píng)定過(guò)程，節(jié)約生產(chǎn)成本，更符合實(shí)際的工程應(yīng)用。該方法較為簡(jiǎn)單，可以在在役井架承載能力評(píng)定中發(fā)揮重要作用。