自升式平臺(tái)塔形井架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

吳富生，柏 垠，謝蓓莉

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海200125)

塔形井架是橫截面為正方形或矩形的塔形結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件四面成網(wǎng)絡(luò)或桁架結(jié)構(gòu)，因此它具有很大的組合截面慣性，整體穩(wěn)定性好、承載能力大［1］。由于海洋平臺(tái)所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，載荷不確定因素多，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析自然成為設(shè)計(jì)階段的重要研究內(nèi)容。

本文用SACS軟件建立海洋塔形井架HJJ900-52的有限元模型［2］，計(jì)算井架靜載荷、工作載荷及環(huán)境載荷，依據(jù)API-4F規(guī)范的要求編制32種載荷組合工況，并對其進(jìn)行了強(qiáng)度分析。

1 有限元模型

1.1 模型介紹

HJJ900-52為瓶式塔形海洋井架，二層臺(tái)以下井架立柱采用直立柱結(jié)構(gòu)，二層臺(tái)立根以上位置開始收口，井架所有桿件形心相交。井架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此要對井架進(jìn)行簡化。井架梯子平臺(tái)、護(hù)欄對井架剛度影響較小，在簡化時(shí)折算成相應(yīng)的質(zhì)量。HTVA導(dǎo)軌及頂驅(qū)導(dǎo)軌對井架剛度有一定影響，自身自重及環(huán)境載荷較大，并傳遞立根手臂和頂驅(qū)的工作載荷;二層臺(tái)指梁用于橫向支撐立根的上端，傳遞立根產(chǎn)生的載荷;天車座安裝在井架頂部，承受鉤載及工作繩力，是重要結(jié)構(gòu)部件。故模型可以分為五部分:井架主體、天車座、頂驅(qū)導(dǎo)軌、指梁和HTVA導(dǎo)軌，見圖1。

圖1 HJJ900-52井架有限元模型

井架鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)其受力特點(diǎn)主要分為立柱、橫梁和斜撐三大類，根據(jù)其截面幾何形狀主要用到角鋼、雙角鋼和H型鋼。天車座橫梁截面尺寸大，手工焊接成工字形鋼。二層臺(tái)指梁的橫梁，由于受到指梁懸臂扭矩大，采用矩形截面梁。根據(jù)井架各桿件的截面尺寸，在軟件中建立40種不同截面，并對天車座部分橫梁采用了偏置處理，使得模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)更匹配，模型共有單元823個(gè)，節(jié)點(diǎn)670個(gè)。

1.2 節(jié)點(diǎn)的自由度釋放

井架節(jié)點(diǎn)連接方式包括:焊接、法蘭式對接及螺栓摩擦式連接。焊接與法蘭式對接均視為剛性節(jié)點(diǎn)，不僅承受軸向力而且也承受彎矩作用。對于螺栓摩擦式連接，承受軸向力，只傳遞端板法向方向的彎矩，故處理為半剛性連接，需要釋放節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度。

井架立柱之間均為剛性連接，斜撐都為半剛性連接，V形大門下兩層為焊接剛性連接，橫梁既有剛性連接，又有半剛性連接。

1.3 桿件的有效長度

有效長度概念是用來計(jì)算結(jié)構(gòu)整體與對某一受壓桿件的穩(wěn)定性之間的影響，用系數(shù)K來表示。使長度為1的受壓桿件的強(qiáng)度與一個(gè)僅受軸心載荷長度為K的等效鉸端構(gòu)件的強(qiáng)度相等。有效柱長與實(shí)際無支撐長度比值K可大于1.0或小于1.0。SACS中可自定義每根桿件的K值，根據(jù)截面慣性矩的方向分為ky和kz。根據(jù)每根桿件受力形式，立柱ky=kz=1.0;橫梁ky=1.0，kz=2.0;V形大門ky=1.0，kz=2.0;斜撐k=1.0。

1.4 模型約束

將井架4個(gè)腳視為鉸接，約束x、y、z3個(gè)方向的自由度;對HTVA導(dǎo)軌底端約束z方向自由度。

2 載荷計(jì)算

將井架受到的載荷分為4類［3］。

1)靜載荷。長期作用在井架上的不變載荷，包括井架本身的重量以及安裝在其上的各種設(shè)備和工具的自重。在SACS中，可自動(dòng)施加鋼結(jié)構(gòu)的自重，其它附件自重按集中載荷分配到井架相應(yīng)各層節(jié)點(diǎn)上。HJJ900-52井架結(jié)構(gòu)重293.6 t，附件重115.8 t。

2)作業(yè)載荷。在鉆井工作情況下對井架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的載荷，其分類與大小見表1［4］。

表1 井架工作載荷定義與大小

3)風(fēng)載。海岸鉆井結(jié)構(gòu)風(fēng)速參考ISO 19901-1標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)載的計(jì)算與構(gòu)件的高度、形狀、傾角有關(guān)。SACS提供了風(fēng)載計(jì)算模塊，提供構(gòu)件投影面積，風(fēng)速及作用節(jié)點(diǎn)即可將風(fēng)載施加到結(jié)構(gòu)中。風(fēng)載的定義和風(fēng)速大小見表2。

4)慣性載荷。HJJ900安裝在自升式平臺(tái)上，井架工作時(shí)平臺(tái)出于站立姿態(tài)，無慣性載荷。當(dāng)井架在拖航的時(shí)候會(huì)受到波浪引起的橫搖、縱搖及升沉產(chǎn)生的慣性載荷。以橫搖帶升沉，縱搖帶升沉，斜向動(dòng)力帶升沉方式來進(jìn)行載荷的組合，并且認(rèn)為井架具有足夠的剛度，可視為剛體，在SACS中以加速度施加到模型上。井架受到慣性載荷設(shè)計(jì)參數(shù)、計(jì)算公式及大小見表3。

表2 井架風(fēng)載分類與風(fēng)速大小

表3 井架慣性載荷的設(shè)計(jì)參數(shù)、公式［5］及大小

3 組合工況

API-4F中規(guī)定每個(gè)鉆井結(jié)構(gòu)均應(yīng)按表4中適用的載荷的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文根據(jù)計(jì)算要求選擇4類工況。在對于非操作條件下的風(fēng)環(huán)境，適用時(shí)在所有載荷工況中均應(yīng)考慮全部游動(dòng)設(shè)備和從橫梁上懸掛下來的鉆繩的重量TE。

在計(jì)算中，選擇了8個(gè)不同的環(huán)境載荷方向(0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°)，將表4中每種工況各分成8種小工況，共32個(gè)組合工況。表5列舉了操作工況OP1～OP8中井架的載荷組合。

表4 API-4F規(guī)定載荷組合設(shè)計(jì) %

表5 操作工況OP1～OP8下的載荷組合表 %

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 許用應(yīng)力

API-4F規(guī)定對于運(yùn)輸條件、不可預(yù)期和預(yù)期的設(shè)計(jì)暴風(fēng)雨條件，許用應(yīng)力允許增加1/3，即應(yīng)力修正因子為1.33。

4.2 單元UC值

井架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合AISC 335-89規(guī)范，SACS提供單元UC值，綜合考慮了單元受拉、壓、剪切、壓彎、拉彎等各種載荷情況的計(jì)算結(jié)果，完全遵循AISC 335-89規(guī)范要求，只要UC＜1.0，表示該單元強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足AISC規(guī)范要求。SACS提供了在節(jié)點(diǎn)圖上標(biāo)示制定范圍的單元UC最大值的方法，見圖2;同時(shí)詳細(xì)列出了UC＞1，0.8＜UC＜1的單元計(jì)算結(jié)果，見表6。

4.3 SACS輸出結(jié)果

圖2 SACS輸出結(jié)果(0.8＜UC＜1)

井架結(jié)構(gòu)計(jì)算需要匯總各個(gè)工況載荷及支反力進(jìn)行校對，同時(shí)必須向平臺(tái)或底座的計(jì)算提供支反力。SACS直接提供了載荷匯總表和支點(diǎn)反力，見表7、表8。

表6 SACS輸出文件——UC＞1、0.8＜UC＜1(部分)

表7 SACS輸出載荷匯總(部分)

表8 SACS輸出支反應(yīng)

5 結(jié)論

本文在SACS中完成了井架有限元分析，單元UC值都小于1，滿足AISC對鋼結(jié)構(gòu)的校核要求?？梢奡ACS軟件在井架結(jié)構(gòu)計(jì)算方面非常實(shí)用與方便，并且有強(qiáng)大的計(jì)算結(jié)果處理能力。可為以后進(jìn)一步研究井架整體受力特點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)及校核井架螺栓連接提供依據(jù)。

［1］張 勇.海洋鉆機(jī)井架技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油機(jī)械，2009，37(8):92-95.

［2］李志剛，雍 軍.基于SAFI的海洋塔形井架的拖航計(jì)算分析［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40(5):40-44.

［3］Specification for drilling and well servicing structures［S］.3rd ed.API Specification 4F，2008.

［4］陳如恒，沈家駿.鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1995.

［5］Specification for drilling and well servicing structures［S］.3rd ed.API Specification 4E，1988.