基于SACS的海洋門型井架計算方法研究

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(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)①

鉆機井架是海洋鉆探設備的重要組成部分。與前開口形、A形、桅形等形式的井架相比[1]，門型井架結(jié)構(gòu)輕巧，占地小，是目前勘探船井架的一種較好形式。如圖1所示。

SACS是一種海事結(jié)構(gòu)分析的有限元軟件，用于包括各種海洋工程結(jié)構(gòu)的分析、設計、建造和安裝。除支持國際海洋工程特定的設計代碼和檢查設計規(guī)范和進行校對之外，SACS是一個工程設計軟件，附帶有依據(jù)校核規(guī)范；基于單個模型，可用語言命令操作實現(xiàn)多種工況同步分析，免去一個模型一種工況的繁瑣工作，操作簡單、方便。并且SACS可以對多種工況的計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得出各單元的最危險工況，最大內(nèi)力、應力、支反力，從而使得制作計算書事半功倍。

圖1 門型井架示意

SACS還可以用于導管架平臺設計(包括分析導管架的結(jié)構(gòu)及樁土分析)。國內(nèi)關于這方面的研究及應用成果比較多[2-6]；在石油鉆機井架靜力分析中也有一定的應用，但在動力分析以及在門型井架研究中的應用還比較少見[7-9]。

海洋鉆機井架的環(huán)境載荷、工作狀態(tài)比較惡劣，且門型井架的結(jié)構(gòu)復雜，采用SACS軟件分析時具有一定的難度，有很多細節(jié)需要做特殊處理。筆者結(jié)合工程實例，用SACS的數(shù)值計算方法，對某海洋門型井架的計算方法進行了研究。

1 井架組成及工作原理

該井架結(jié)構(gòu)如圖1所示，由左、右2個肢通過頂部的連接架組成，每個肢上有2個撐桿，撐桿一端通過銷軸耳板與井架上的連接耳板連接，撐桿另一端通過銷軸耳板與設置在船舶甲板上的耳座連接。井架的每個肢各由上、中、下3段組成，這3段之間通過一種特制的槽型截面通過螺栓群連接。

該門型井架與常規(guī)的海洋井架配備有天車和絞車不同，采用液壓油缸和滑移系統(tǒng)配合驅(qū)動頂驅(qū)上下運動，實現(xiàn)鉆柱的上提、下放功能。增大了船甲板面的有效使用面積?？辈齑涮椎囊簤簞恿υ礊榇蟛糠帚@井設備和被動補償系統(tǒng)等設備提供動力。

2 計算難點

1) 難點1。因井架固定在船甲板上，隨著船一起發(fā)生晃動，比陸地鉆機的受力更加惡劣。這種情況可以看成是井架承受了一種邊界激勵。

2) 難點2。井架以2個主肢的內(nèi)立柱作為頂驅(qū)運動的導軌，但是由于井架在海上作業(yè)時存在動態(tài)加速度，而頂驅(qū)的質(zhì)量較大，所以會產(chǎn)生較大的慣性力，尤其在風暴工況下，慣性力往往大到井架不能承受的地步，故井架配置了頂驅(qū)補償裝置。如何在計算中合理模擬頂驅(qū)及補償裝置，去除多余慣性力，用合理的力學模型模擬補償裝置的補償效果。

3) 難點3。井架的主要運動機構(gòu)是2個油缸，油缸運動通過鋼絲繩傳遞給部件，產(chǎn)生起下鉆的運動。如何模擬繩子關系到載荷的有效傳遞。

3 算例

以某海洋門形井架為例，其主要技術(shù)參數(shù)如下。

最大鉤載 750 kN

高度 25 m

采用軟件 SACS

采用規(guī)范 API 4F、建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[10-11]。

本井架分析時，主要有2種工況，工況1為操作工況；工況2為風暴工況。

3.1 坐標系

井架結(jié)構(gòu)模型采用笛卡兒坐標系，笛卡爾坐標系遵守右手定則并規(guī)定如下。

坐標原點——鉆臺面井口中心。

+x——井架正前方；

+y——指向井架體側(cè)邊；

+z——豎直向上。

(注：井架的坐標系與船體一致。)

3.2 模型

3.2.1整體模型

根據(jù)設計圖，建立井架有限元模型如圖2所示，并施加載荷。

圖2 井架有限元模型

3.2.2載荷及附屬設備

載荷(繩子的作用力)在SACS中可以建立為只受拉(或只受壓)單元來模擬。通過計算發(fā)現(xiàn)，這樣容易使得計算結(jié)果失真。所以，對繩子不予建模，而是把繩子上的力直接加載在井架結(jié)構(gòu)上。井架載荷加載如圖3所示。

附屬設備都是有質(zhì)量的，根據(jù)達朗貝爾原理，質(zhì)量在加速度場中會產(chǎn)生慣性力。所以，除非僅僅在重力作用場之中做簡化分析時，可以把井架上附屬的設備簡化成豎直向下的力進行加載。本案例中不僅有重力場，還有由于動邊界引起的加速度場。如果僅僅把附屬設備按豎向載荷進行加載，那么將不能體現(xiàn)水平及豎向加速度對設備質(zhì)量產(chǎn)生的效應，將導致計算結(jié)果失真。這里把井架附屬設備簡化成質(zhì)量點，按照其在井架上的位置施加對應的質(zhì)量點。如圖4所示。

圖3 井架載荷加載示意

圖4 設備質(zhì)量加載示意

SACS軟件在計算風載時有一個優(yōu)點，即軟件可以根據(jù)設計者輸入的風速及規(guī)范名稱，自動識別結(jié)構(gòu)已建模構(gòu)件的表面積，從而自動求解已建模構(gòu)件結(jié)構(gòu)的風載荷，這樣就把設計師從繁瑣的風載計算中解放出來。當然，對于結(jié)構(gòu)未建模的附件，需要手工計算其風載，再施加到結(jié)構(gòu)上。風載荷施加如圖5所示。

圖5 風載荷施加示意

3.2.3邊界條件

SACS軟件中可以人工按實際情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束情況，對構(gòu)件的自由度進行調(diào)整。結(jié)構(gòu)物的6個自由度，軟件中則用6個自由度來表示，對支腳節(jié)點，1表示約束，0表示自由，如111000表示線位移全約束，轉(zhuǎn)動全自由。對于其它節(jié)點，則用0表示約束，1表示約束，如000000表示剛接。

3.3 計算過程

SACS計算海洋結(jié)構(gòu)物的計算方法通常通過4個步驟來完成。第1步進行靜力分析(Static分析模塊)；第2步進行單獨的拖分析(Tow分析模塊)；第3步把靜力分析和加速度分析的計算結(jié)果進行組合(Combine分析模塊)；第4步對第3步的計算結(jié)果進行后處理(Post分析模塊)，對結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進行校核。

3.3.1靜力分析時工況組合

靜力分析時共包含8種工況，即結(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)載荷、結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元(井架附件)與8個風向的組合。這8種工況包含的內(nèi)容除過風載荷不一樣外，其它載荷均一樣。

3.3.2拖分析時的工況組合

動邊界在海洋鉆機、深水鉆機計算中比較難處理。這里獲得井架重心處的加速度值，然后把動邊界問題簡化為某一瞬態(tài)的加速度場中來計算。通常有2種處理方法，一是采用動加速度，二是采用動位移。2種方法都能取得較好的計算結(jié)果[12-13]。本文采用加速度法。SACS對于井架邊界條件的處理，可以輸入運動參數(shù)，也可以輸入加速度數(shù)據(jù)。

由于井架的坐標系與所在船舶的坐標系一致，根據(jù)井架質(zhì)心處的加速度值，結(jié)合API 4F規(guī)范8.4.1條的規(guī)定，“動力的組合至少應如下：①縱向動力，包括縱蕩和縱搖，以及升沉；②橫向動力，包括橫蕩和橫搖，以及升沉；③對角線動力與升沉組合” 。船體設計方所給的x向加速度是縱向的加速度(已包含縱蕩和縱搖)，y向加速度是橫向的加速度(已包含橫蕩和橫搖)，所以應進行加速度的組合。

3.3.3組合分析時的工況組合

組合分析主要是將井架結(jié)構(gòu)在靜力分析時的計算結(jié)果，與井架僅在加速度作用下的計算結(jié)果進行組合(線性疊加)，然后校核計算結(jié)果。

3.4 計算結(jié)果

3.4.1局部處理效果驗證

本例中頂驅(qū)重力為83.6 kN，補償裝置重力為77 kN，兩者的重力和為160.6 kN。為了模擬頂驅(qū)補償裝置對頂驅(qū)豎向(z向)慣性力的克服，采用4個桿單元對頂驅(qū)和頂驅(qū)補償裝置進行懸吊(約束為001000，如圖6所示)。

圖6 節(jié)點約束

3.4.2工況1計算

工況1計算如圖7所示。

a Static分析時的吊點力

b Tow分析時的吊點力

c 組合分析時的吊點力

d y向彎曲應力

e 校核值(校核值≥0.55)

Static分析時，z向加速度a1z=9.81 m/s2，頂驅(qū)和頂驅(qū)補償裝置的慣性力為16.37×9.81=160.6 kN；支反力為65.684+57.650+13.395+24.062=160.791≈160.6 kN。兩者基本相等。

Tow分析時，z向加速度為a2z=-1.99 m/s2，頂驅(qū)和頂驅(qū)補償裝置的慣性力為-16.37×1.99=32.576 kN；支反力為-50.727-23.549+6.762+34.872=-32.642≈-32.576 kN。兩者基本相等。

組合分析時，z向加速度為a3z=-1.99 m/s2，頂驅(qū)和頂驅(qū)補償裝置的慣性力為-16.37×(9.81-1.99)=128.01kN。支反力為42.135-26.665+92.523+20.157=128.15≈-128.01 kN。兩者基本相等。

由計算結(jié)果可知，按本案例的計算方法，即Static分析和加速度分析進行了線性疊加，達到了預期的結(jié)果，說明這種處理方式比較理想。

3.4.3工況2計算

工況2計算結(jié)果如圖8所示。

a y向彎曲應力

b 校核值

從工況1、2的計算結(jié)果可見，井架的應力值和校核值均能滿足API 4F規(guī)范的要求。

4 結(jié)論

1) 針對目前海洋門型井架設計中存在的問題，結(jié)合工程實例，對海洋門型井架的計算方法進行了探討。

2) 采用本文的設計方法、細節(jié)處理方法進行計算后，得到了較理想的結(jié)果。

3) 本文中的一些處理方法，對類似工程設計、研究有一定的借鑒意義。

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