鉆井設備模塊抗風暴鎖緊裝置設計要點

祖 巍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300452)

0 引 言

在我國南海海域蘊藏著極為豐富的油氣資源，但南海海域氣候條件相對惡劣、臺風頻發，會對模塊鉆機產生一定的不利影響。基座是連接鉆井設備模塊(DES)和組塊滑軌的主要構件，在基座上增加風暴鎖緊裝置對于控制鉆機設備模塊在極端風暴環境下的意外滑動，避免鉆機模塊DES在極端風暴、人員避臺時發生安全事故有著重要作用。

本文以南海某油田鉆井設備模塊為例，介紹其基座風暴鎖緊裝置的設計方法，并提出一些建議。

1 項目概述

南海某油田位于中國南海東部海域，水深約為106m，設計風速為 66m/s(百年重現期 3s陣風風速)。該油田新建鉆采平臺 1座，該平臺上設置 1臺HXJ70/4500模塊鉆機。該模塊鉆機由鉆井設備模塊(DES)、鉆井支持模塊(DSM)和散料儲存撬(PTANK)組成，設計壽命為15年[1]。

2 風暴鎖緊裝置設計

2.1 設計目的

由于南海氣候條件較為惡劣，故發生極端風暴的概率較大，而該項目設計風速達 66m/s，僅靠基座板與組塊滑軌之間的靜摩擦力不足以抵抗此風力，存在DES意外滑動造成安全隱患的可能。設計過程中主要通過對比風力和靜摩擦力的關系，以驗證鎖緊裝置的必要性。通過建立結構和鎖緊螺栓的ANSYS模型計算縮緊裝置的緊固效果，通過分析支點反力得出上拔力條件下的鎖緊能力，以多方面證明該鎖緊裝置的合理性和安全性。

2.2 鎖緊裝置受力分析

2.2.1 風力

該項目 DES設計風向共有 8個，分別為 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和 315°，設計風速為66m/s。DES風力分析模型見圖1。

圖1 DES風力分析模型Fig.1 3D model of drilling equipment set wind force analysis

在X和Y方向上的受風面積和在X、Y方向受到的最大風力見表1。

表1 X和Y方向受風面積和在X、Y方向受到的最大風力Tab.1 Maximum wind force and wind area in X & Y directions

API 4F對模塊鉆機意外滑動的計算分析有以下規定[2]。

①對于鋼基礎支承的鉆井結構，最大許用靜摩擦系數應限定為 0.12。該鉆機模塊項目中，業主認可的靜摩擦系數為0.08。

②對于所有穩定性和滑動計算，提供抵抗傾覆或滑動的自重，應該按其預期最小重量的 90%計算。其中最小重量為去掉所有可選擇的結構件和設備，液體箱為空。

③海洋獨立式鉆井結構的最低抵抗意外滑動的安全系數為 1.5，計算是用設計最大許用靜摩擦系數下的最低滑動阻力除以因環境荷載施加的總剪切載荷的比率。

該項目 DES預期最小重量為 1043.7t，根據上述標準規定，通過靜摩擦力公式計算得到靜摩擦力為737.2kN，通過與表1中 X、Y方向最大風力的比較可知，單純靠 DES結構自身的靜摩擦力不足以抵抗風力，故需要增加抗風暴鎖緊裝置，利用螺栓的預緊力增大靜摩擦力，以達到不發生意外滑動的目的。

2.3 風暴鎖緊裝置設計和有限元分析

該項目 DES共有 4個基座，每個基座的風暴鎖緊裝置由8套M48、材質為GR8.8的螺栓、間隔板和夾緊板組成，其基本原理是通過螺栓的預緊力使基座夾緊組塊上滑軌，增加正壓力起到增加靜摩擦力的作用。基座風暴鎖緊裝置構造如圖2所示。

圖2 基座風暴鎖緊裝置構造圖Fig.2 Structure figure of locking unit on support base

為達到以螺栓預緊力夾緊滑軌的目的，基座板和夾緊板的變形之和需小于中間間隔板與組塊滑軌翼緣 5mm 的厚度差。為此，應用 ANSYS對基座板和夾緊板的變形進行了有限元分析，要點如下。

①本文采用軟件 ANSYS對鎖緊塊結構進行了有限元計算分析，由于結構相對于滑軌長度方向完全對稱，截取一半結構建立計算模型，有限元模型采用SOLID95實體單元，使用六面體單元進行網格劃分，如圖3所示。

目前，已有學者使用基于詞向量與深度學習的語義相似度計算模型在英文答案選擇系統進行了相關研究[14-15]，并取得了不錯的效果，但并未將其泛化到語義相似度計算問題中。相對于英文有天然的空格間隔，中文文本語義相似度計算需要設計復雜的中文分詞算法，且中英文之間的語義、語法的差距較大，英文的語義相似度計算方法不能直接應用到中文文本中。在目前的文獻中，很少有使用詞向量與深度學習結合對中文文本進行語義相似度計算的研究。

圖3 基座風暴鎖緊裝置結構ANSYS有限元模型Fig.3 ANSYS model of locking unit structure on support base

②在滑軌腹板底部做固定支架約束，腹板側面做對稱約束，即在螺栓開孔的上下邊緣分別施加鎖緊載荷，如圖4所示。

圖4 基座風暴鎖緊裝置模型的約束和加載Fig.4 Boundary conditions and load of locking unit structure on support base

③通過有限元計算分析，得到夾緊板向上的最大變形為 1.885mm，頂部基座底板向下的最大變形為1.50mm。變形云圖如圖5所示。

圖5 基座風暴鎖緊裝置變形云圖Fig.5 Cloud chart of deformation of locking unit on support base

基座板和夾緊板的有限元分析結果表明基座板和夾緊板變形總和為 3.385mm，小于中間間隔板與組塊滑軌翼緣5mm的厚度差，故在對螺栓施加預緊力后，風暴鎖緊裝置可以有效地起到夾緊的效果，具有鎖緊能力。

2.4 鎖緊能力校核

風暴鎖緊裝置選用公稱直徑為48mm，最小屈服強度σs為640MPa的高強度螺栓(GR 8.8)[3]。該項目DES共有4個基座，每個基座上用8個螺栓，根據式(1)可以計算出對螺栓施加的預緊力：

式中：N為螺栓數量(32個)；t為荷載系數(取0.75)；A為螺紋公稱截面積(1424mm2)。

根據式(1)計算出對4個基座螺栓施加的預緊力為21873kN。

因此，在 DES結構自重和螺栓預緊力共同作用下，DES的靜摩擦力Fsf可按式(2)計算：

式中：μ為靜摩擦系數(0.08)；G 為 DES預期最小重量(10239kN)。

根據式(2)計算出 DES在風暴鎖緊裝置作用下的靜摩擦力為2487kN，根據API 4F中的相關規定，得出 X方向的意外滑動安全系數為 1.82，Y方向的意外滑動安全系數為1.90，均大于規范規定的安全系數 1.5。因此，該風暴鎖緊裝置可以有效避免 DES在極端風暴工況下的意外滑動。

2.5 上拔工況強度校核

在風力作用下，結構可能產生上拔力，風暴鎖緊裝置需要在上拔力作用下亦能滿足強度要求，故此時需要校核風暴鎖緊裝置中螺栓的抗拉強度。表2為在8個方向風作用下DES 4個基座的最大Z向支點反力數據。

表2 8個方向風作用下基座Z向支點反力(單位：kN)Tab.2 Z-direction reaction force for support base under action of wind in 8 directions(unit: kN)

由以上數據可知，在 180°和 225°風向時，基座 4出現上拔力；在270°和315°風向時，基座3出現上拔力。其中最大上拔力為 476.992kN。根據式(3)可以計算出單個基座上的風暴鎖緊裝置的抗拉強度：

式中：N為螺栓數量(8個)；t為荷載系數(因計算螺栓預緊力中荷載系數取為0.75，故在計算該抗拉強度時荷載系數取 1-0.75＝0.25)；A為螺紋公稱截面積(1424mm2)。

根據式(3)計算出單個基座上的風暴鎖緊裝置的抗拉強度為 1823kN，大于最大上拔力 476.992kN，因此表明，該風暴鎖緊裝置可以滿足上拔工況強度需求。

3 結 論

通過以上結構設計流程可知在強風力工況下，該鎖緊裝置基本滿足安全要求，具有一定的鎖緊作用，即使是在上拔力的作用下，依然可以滿足結構強度要求。事實上，南海某項目模塊鉆機在作業周期內通過了南海惡劣工況的考驗，在大風條件下鎖緊狀況保持良好。

意外滑動是鉆機模塊正常使用中較為危險的一種安全隱患，API規范中對此也有明確的規定。通過在基座上增加風暴鎖緊裝置，有效地控制了極端風暴工況下DES在滑軌上的意外滑動和可能產生的上拔力，希望為后續設計提供一些借鑒和參考。