自升式鉆井平臺(tái)中鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

高學(xué)靜，張洪欣

(煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái)264000)

自升式鉆井平臺(tái)作為一種可移動(dòng)的海洋結(jié)構(gòu)物，主要由平臺(tái)主體、樁腿樁靴、升降機(jī)構(gòu)、鉆井結(jié)構(gòu)以及生活設(shè)施和大型設(shè)備等構(gòu)成。其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進(jìn)行作業(yè)。由于其造價(jià)低、定位能力強(qiáng)，在各種海況下基本都能保證平穩(wěn)的鉆井作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。這種平臺(tái)在海洋石油開(kāi)發(fā)中被廣泛應(yīng)用，在大陸架海域的油氣資源勘探開(kāi)發(fā)中居重要地位［1］。

文中以某典型91.44 m(300 ft)水深作業(yè)的桁架式樁腿自升式鉆井平臺(tái)鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)部分為研究對(duì)象，見(jiàn)圖1。根據(jù)美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)(AISC)規(guī)范要求，利用SACS軟件對(duì)鉆臺(tái)在正常作業(yè)、拖航等工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并用ABAQUS軟件進(jìn)行結(jié)果分析對(duì)比，對(duì)該結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法和過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。

圖1 自升式鉆井平臺(tái)

1 建立有限元模型

1.1 坐標(biāo)系的確定

計(jì)算模型選取右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于鉆桿中心(即井心)處。

X軸，縱向指向平臺(tái)艏部為正;

Y軸，橫向指向平臺(tái)左舷為正;

Z軸，垂向向上方向?yàn)檎?/p>

1.2 計(jì)算模型

利用SACS軟件作為分析軟件，該軟件可將所有的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù):幾何形狀、構(gòu)件尺寸、材料特性以及環(huán)境條件以文件方式存儲(chǔ)，然后求解程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出最終的求解文件，結(jié)果會(huì)包含所有節(jié)點(diǎn)的位移以及單元內(nèi)力。

參照基本結(jié)構(gòu)圖紙，需要對(duì)整體鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，將圖紙中大型桁材以梁的形式建出。一些大型設(shè)備以及鉆桿的中心位置處的梁結(jié)構(gòu)需要真實(shí)模擬，如部分小結(jié)構(gòu)(肘板之類(lèi))等可相應(yīng)簡(jiǎn)略。SACS模型見(jiàn)圖2。

圖2 SACS模型圖

1.3 材料參數(shù)和邊界條件

基本材料參數(shù):

楊氏模量E=2.1×1011Pa;

密度ρ=7 850 kg/m3;

泊松比μ=0.3。

主要梁結(jié)構(gòu)材料為EQ47，屈服強(qiáng)度為460 MPa，部分工字鋼材料是DH36，屈服強(qiáng)度是355 MPa。在模型中定義梁截面時(shí)，大部分結(jié)構(gòu)的梁截面都是工字鋼，可按照實(shí)際截面情況定義截面屬性。型梁結(jié)構(gòu)每段板厚不盡相同，保守起見(jiàn)可取小板厚值。

考慮鉆臺(tái)與其下面的懸臂梁結(jié)構(gòu)的接觸約束情況以及鉆臺(tái)的實(shí)際工作狀態(tài)，靜載、作業(yè)和拖航工況下，4個(gè)約束點(diǎn)采取簡(jiǎn)支約束，在SACS軟件中簡(jiǎn)支邊界條件表示見(jiàn)圖3。而鉆臺(tái)在滑移工況中邊界約束略有不同，圖4為鉆臺(tái)模型滑移工況邊界條件，圖中1表示約束，0表示自由。

圖3 鉆臺(tái)模型簡(jiǎn)支邊界條件

圖4 鉆臺(tái)模型滑移工況邊界條件

2 基本載荷與分析工況

在對(duì)鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，應(yīng)在模型中先定義好所有基本的固定載荷和環(huán)境載荷，再按實(shí)際計(jì)算工況進(jìn)行相互疊加分析計(jì)算。

2.1 基本載荷

1)結(jié)構(gòu)自重。模型建好以后，軟件可自行計(jì)算結(jié)構(gòu)自重。由于部分結(jié)構(gòu)沒(méi)有建出，所以此處實(shí)際分析計(jì)算中考慮了5%的增加量，取重力加速度為9.81 m/s2。

2)設(shè)備重量。根據(jù)總布置圖和重量重心報(bào)告，將各設(shè)備重量施加在鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置處。

3)甲板工作載荷。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)，在甲板開(kāi)放區(qū)域施加甲板工作載荷。

4)setback。setback區(qū)域是指鉆臺(tái)上放置鉆桿的地方。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)，將給定的重量值施加在setback區(qū)域。

5)鉆井工作載荷。鉆井工作載荷主要考慮由位于鉆桿井心處的4根梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)。

6)吊鉤工作載荷。吊鉤處的工作載荷就是指其自身重量和上面的一些滑輪組的重量，還要包括所有setback的管子的重量。

7)風(fēng)載。由于鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)上有較高的鉆井架和周?chē)竺娣e的風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，所以風(fēng)載荷對(duì)鉆臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大。風(fēng)載荷大小是由風(fēng)壓與井架受風(fēng)的投影面積的乘積得到。根據(jù)建造規(guī)格書(shū)和船級(jí)社要求，在作業(yè)工況時(shí)需要考慮70 kn風(fēng)速;在拖航工況時(shí)需要考慮100 kn風(fēng)速。風(fēng)載的計(jì)算方法可參考美國(guó)船級(jí)社(ABS)中公式要求。在實(shí)際分析計(jì)算時(shí)需要考慮8個(gè)方向，即0°，45°，

90°，135°，180°，225°，270°，315°，360°

風(fēng)力F w可用下面的計(jì)算公式得到。

式中:v——風(fēng)速，m/s;

Ch——高度系數(shù);

Cs——形狀系數(shù);

A——結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積，m2。

由于在模型中無(wú)法模擬出整個(gè)結(jié)構(gòu)，因此需要根據(jù)其受風(fēng)面積計(jì)算出風(fēng)載的大小，再將該力轉(zhuǎn)換成彎矩后施加在相應(yīng)井架與鉆臺(tái)連接處。

8)慣性載荷。根據(jù)美國(guó)船級(jí)社(ABS)規(guī)范［2］，遠(yuǎn)洋拖航時(shí)，以搖擺周期為10 s、單擺幅值為15°的搖擺角作為校核平臺(tái)中鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算工況。

假定平臺(tái)的搖擺(橫搖和縱搖)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，搖擺中心為水線面處的漂心，其搖擺運(yùn)動(dòng)方程為［3］

搖擺運(yùn)動(dòng)的最大角加速度為

式中:θ0——搖擺幅值;

T0——搖擺周期;

t——時(shí)間變量;

φ——初相位。

9)滑移摩擦載荷。本文中鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)是以左右滑動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)的，需要考慮滑移摩擦載荷，計(jì)算時(shí)可取摩擦系數(shù)0.05。

滑動(dòng)摩擦力=(結(jié)構(gòu)自重+設(shè)備重量+setback+甲板工作載荷)×0.05

2.2 計(jì)算分析工況

鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮靜載工況、作業(yè)工況、拖航工況和滑移工況，以校核結(jié)構(gòu)能否在各種工作形態(tài)下滿(mǎn)足強(qiáng)度計(jì)算要求。設(shè)計(jì)中需要注意避免井架與鉆臺(tái)連接處的應(yīng)力集中。同時(shí)，由于鉆臺(tái)在懸臂梁上實(shí)際可左右運(yùn)動(dòng)形式，移動(dòng)滑移工況在實(shí)際分析計(jì)算時(shí)也應(yīng)一并考慮［4］。

表1為4種計(jì)算工況組合，其中拖航工況分為近距離拖航、遠(yuǎn)洋拖航2種。

表1 計(jì)算工況組合

3 校核標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算結(jié)果

3.1 校核標(biāo)準(zhǔn)

按照美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)(AISC)規(guī)范和美國(guó)船級(jí)社(ABS)規(guī)范2008版中設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，在SACS軟件中，AMOD為許用應(yīng)力系數(shù)，各個(gè)工況的取值如下。

1)靜載工況AMOD=1.00。

2)作業(yè)工況AMOD=1.33。

3)滑移工況AMOD=1.00。

4)拖航工況AMOD=1.33。

校核結(jié)果與許用值之比為材料利用率，也叫UC值。該值小于等于1，即表示結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。如果在計(jì)算中出現(xiàn)材料利用率大于1，表示該鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足(除結(jié)構(gòu)中應(yīng)力集中區(qū)域)，需要進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理。

3.2 計(jì)算結(jié)果

由于考慮環(huán)境載荷時(shí)分別計(jì)算了8個(gè)方向，結(jié)果不能逐一列舉，表2中只顯示了在各個(gè)工況下計(jì)算結(jié)果的最大值。

為了驗(yàn)證SACS簡(jiǎn)化模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文采用有限元軟件ABAQUS按實(shí)際結(jié)構(gòu)建模，且載荷與SACS模型中施加一致，見(jiàn)圖5、6。表3為采用ABAQUS軟件計(jì)算出的UC值。

表2 SACS計(jì)算結(jié)果

圖5 ABAQUS計(jì)算模型和載荷施加圖

表3 ABAQUS計(jì)算結(jié)果

從ABAQUS軟件計(jì)算結(jié)果可以看出，UC值均小于1，表明強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，與SACS軟件計(jì)算結(jié)果相差不多。

4 結(jié)論

1)該鉆臺(tái)在SACS軟件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算校核中，材料利用率均小于1，即表示此結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度計(jì)算要求。

2)通過(guò)與ABAQUS有限元軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，材料利用率相差不多。由此可知，鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)在SACS軟件中簡(jiǎn)化合理，方法可行，結(jié)果滿(mǎn)足計(jì)算要求，可免去繁瑣的有限元建模。

3)自升式鉆井平臺(tái)由于其所處環(huán)境復(fù)雜多樣，各部分載荷情況各異。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其差異性，分析方法可在本文所述基礎(chǔ)上再按照實(shí)際情況分析計(jì)算，且要滿(mǎn)足船級(jí)社規(guī)范及相關(guān)法規(guī)。

綜上所述，鉆臺(tái)是自升式鉆井平臺(tái)鉆井包中重要結(jié)構(gòu)，本文通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法進(jìn)行探究，所得結(jié)果滿(mǎn)足工程計(jì)算要求，并可為鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠性提供依據(jù)。

［1］趙建亭.自升式鉆井平臺(tái)的發(fā)展與前景［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2008(04):8-14.

［2］ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit［S］.2008.

［3］李潤(rùn)培，王志農(nóng).海洋平臺(tái)強(qiáng)度分析［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1992.

［4］潘 斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2008.