7 000m海洋模塊鉆機(jī)滑軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張建勇，王 寧，胡澤剛，陶 強(qiáng)，李玉鵬

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 油田建設(shè)工程分公司，天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司 深圳分公司，深圳 518067）

海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)的DES鉆井模塊通常由下底座和鉆臺(tái)面2部分構(gòu)成，可通過雙向滑移來覆蓋整個(gè)井口區(qū)，以完成鉆修井作業(yè)。鉆機(jī)滑軌采用焊接方法固定在平臺(tái)組塊頂層甲板主梁上方，用于承載DES模塊的整體作業(yè)載荷和滑移載荷。

在海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)的鉆井深度達(dá)到7 000m時(shí)，大鉤載荷4 500kN，立根載荷2 700kN，井架、絞車、泥漿罐和振動(dòng)篩的質(zhì)量也明顯增大。平臺(tái)甲板滑軌作為重要的承載結(jié)構(gòu)，受到的支點(diǎn)反力比5 000m鉆機(jī)增加約30%［1］。本文應(yīng)用有限元法對(duì)模塊鉆機(jī)滑軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，在不改變滑軌主結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)7 000m模塊鉆機(jī)滑軌的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 模塊鉆機(jī)支點(diǎn)反力

模塊鉆機(jī)支點(diǎn)反力是滑軌的翼緣板、腹板和筋板設(shè)計(jì)的控制因素，對(duì)平臺(tái)組塊甲板框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有重要影響。

影響模塊鉆機(jī)支點(diǎn)反力的主要因素有4個(gè)方面。

1）模塊鉆機(jī)DES模塊上的機(jī)械、電氣、儀表、通訊、配管和舾裝等專業(yè)設(shè)備的載荷。這部分荷載是支點(diǎn)反力的主要組成部分，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制因素之一。

2）模塊鉆機(jī)總體布置方案。主要指滑軌間距，DES模塊各層甲板面積、層高以及設(shè)備布置時(shí)的偏心情況等，這些是影響支點(diǎn)反力分配的重要因素。

3）平臺(tái)井口區(qū)布置形式，例如井口數(shù)量、間距和與滑軌的距離等。鉆機(jī)作業(yè)需要覆蓋所有的井位，當(dāng)井口區(qū)某一方向的井位較多或是井口偏向一側(cè)滑軌時(shí)，會(huì)引起該側(cè)滑軌支點(diǎn)反力急劇增加，甚至80%以上的鉆機(jī)載荷都會(huì)集中在該側(cè)滑軌上，對(duì)滑軌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度非常不利。

4）模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)框架方案設(shè)計(jì)。一方面是指合理設(shè)置支點(diǎn)數(shù)量，另一方面是指在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下，控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量，優(yōu)化傳力路徑，從而減小支點(diǎn)反力。

通過搜集整理國內(nèi)多個(gè)模塊鉆機(jī)項(xiàng)目資料，統(tǒng)計(jì)出4 000、5 000及7 000m模塊鉆機(jī)的滑軌支點(diǎn)反力，如表1所示。

表1 滑軌支點(diǎn)反力對(duì)比數(shù)據(jù)

2 滑軌加強(qiáng)方案

1）在滑軌翼緣板下方增加垂直于腹板的筋板，筋板間距根據(jù)支點(diǎn)反力大小進(jìn)行調(diào)整。

2）增加翼緣板、腹板和筋板的厚度或提高材料等級(jí)。

對(duì)于7 000m模塊鉆機(jī)，甲板滑軌的翼緣板厚度為70mm，腹板厚度為50mm，筋板厚度為38 mm，筋板間距為280mm。通過增加板厚、加密筋板的方式提高滑軌承載力，會(huì)大幅增加滑軌鋼材用量和現(xiàn)場焊接檢驗(yàn)難度，而且容易出現(xiàn)焊接變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象［2］。

通過多種加強(qiáng)方式的對(duì)比研究，設(shè)計(jì)出滑軌加強(qiáng)方式的優(yōu)化和改進(jìn)方案：在滑軌翼緣板下方，設(shè)置兩條平行于腹板的縱向筋板，高100mm、厚25 mm。通過這種改進(jìn)方式，在不改變滑軌結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，能夠大幅提高滑軌的承載能力，如圖1。

圖1 滑軌優(yōu)化和改進(jìn)方案

3 有限元方法分析

為準(zhǔn)確模擬滑軌的受力情況，將鉆機(jī)滑軌以及甲板組塊的主梁、主立柱和斜撐結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了模擬［3］，如圖2～3。

圖2 滑軌無縱向筋板

圖3 滑軌有縱向筋板

滑軌的邊界條件選取原則是：組塊主立柱端部為6個(gè)自由度全部約束，組塊斜撐端部約束3個(gè)位移自由度，組塊H型鋼端部約束x和y方向位移自由度。

選擇模塊鉆機(jī)位于極限井位時(shí)最大的支點(diǎn)反力，如表2。圖4為有限元模型加載及邊界條件示意圖。

表2 滑軌支點(diǎn)反力的最大值 kN

圖4 滑軌模型邊界條件及加載

4 結(jié)果對(duì)比分析

未設(shè)置縱向筋板時(shí)，翼緣板中心線附近，即與腹板連接位置，出現(xiàn)較大面積應(yīng)力超標(biāo)情況；設(shè)置縱向筋板后，翼緣板應(yīng)力超標(biāo)范圍大幅減小，僅在爬行器開孔處的角點(diǎn)附近出現(xiàn)局部應(yīng)力超標(biāo)。同時(shí)，滑軌整體變形也由9.2mm降低為7.3mm，證明增加縱向筋板可以提高滑軌剛度［4］。應(yīng)力云圖如圖5～6。

圖5 滑軌翼緣板局部應(yīng)力云圖（無縱向筋板）

圖6 滑軌翼緣板局部應(yīng)力云圖（有縱向筋板）

增加縱向筋板與提高板厚的效果對(duì)比如表3所示。

表3 增加縱向筋板與增加板厚效果對(duì)比

5 結(jié)論

1）在滑軌翼緣板下方增加縱向筋板后，除爬行器開孔處應(yīng)力集中點(diǎn)外，滑軌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度完全滿足規(guī)范要求。應(yīng)力集中點(diǎn)的最大應(yīng)力值由528MPa降低為476MPa，變形也由9.2mm降低為7.3mm。表明增加縱向筋板的加強(qiáng)方案能夠在節(jié)約鋼材的前提下，使滑軌承載能力從7 000kN提高到8 800kN。

2）引起模塊鉆機(jī)支點(diǎn)反力較大的主要因素是鉆井深度增加造成設(shè)備升級(jí)和作業(yè)載荷增大。建議在模塊鉆機(jī)方案設(shè)計(jì)階段綜合考慮各方面因素，通過縮小滑軌間距，合理控制井口數(shù)量以及縮小井口間距，使得鉆機(jī)總體布置盡量避免偏心，從而降低鉆機(jī)支點(diǎn)反力，保障鉆機(jī)作業(yè)安全。

［1］胡鵬飛，馮翠鑫.PEMEX海洋模塊鉆機(jī)技術(shù)方案的實(shí)施［J］.石油工程建設(shè)，2010，36（3）：28－32.

［2］王玉萍，馬永剛，裴志明，等.固定式作業(yè)平臺(tái)鉆機(jī)移動(dòng)系統(tǒng)的研制［J］.石油礦場機(jī)械，2006，35（2）：73－75.

［3］徐田甜.渤海7號(hào)鉆井船與渤中26－2平臺(tái)適應(yīng)性改造工程中的滑軌設(shè)計(jì)［J］.中國海上油氣，2004，16（2）：126－128.

［4］韓 宇，栗國浩.海洋模塊鉆機(jī)移動(dòng)步行器優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（2）：84－86.