海洋某石油平臺塔形井架計(jì)算分析*

葉漣波

(蘭州蘭石石油裝備工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

塔形井架是海洋石油鉆井平臺的一種常用井架，該井架是橫截面為正方形或矩形的空間桁架結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)由許多桿件組成，桿件與桿件之間采用螺栓連接。由于塔形井架本體是封閉的四棱錐整體結(jié)構(gòu)，有很大的組合截面慣性矩，因此其整體穩(wěn)定性好，承載能力強(qiáng)，且鉆臺面有效空間大，利于工作人員操作［1］，適用于海洋石油平臺復(fù)雜工況下工作使用。筆者以勝利某海洋石油平臺塔形井架為例，利用SAFI結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對該井架進(jìn)行模擬工況計(jì)算分析，求取井架的各受力單元ULS值，井架的變形值，井架支座的支點(diǎn)反力，為井架的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論支持與依據(jù)。

2 井架與軟件介紹

2.1 井架介紹

井架設(shè)計(jì)為四棱錐體式塔形井架，最大額定鉤載4 500 kN(6×7繩系)，有效高度為44.8 m。主要由井架主體、天車總成、二層臺、頂驅(qū)導(dǎo)軌總成、梯子及平臺、油管臺及立管夾等附件組成。井架主體由4扇平面桁架組成，每扇桁架共分9層，由于在設(shè)計(jì)時要滿足用戶提出的井架總重量盡可能減重的要求，因此在材料選擇時，主腿選用抗彎抗扭能力強(qiáng)的焊接H型鋼，橫撐及斜撐選用截面性能好的方鋼管，相鄰的主腿以及橫、斜撐之間均采用螺栓連接，井架4條大腿用螺栓連接于井架支座上，井架支座配焊于臺面上。

2.2 SAFI軟件介紹

SAFI是加拿大SAFI Quality Software Inc.開發(fā)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，軟件有專門為石油結(jié)構(gòu)工程開發(fā)的分析計(jì)算部分，能結(jié)合API-4F第三版(美國石油學(xué)會《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》)［2］完成各種工況下的井架建模、加載、計(jì)算分析以及校核等工作，并自動生成計(jì)算報(bào)告。SAFI軟件提供ULS(Ultimate Limit State即強(qiáng)度極限狀態(tài))單元值用于判定構(gòu)件的綜合強(qiáng)度，該值表現(xiàn)的是實(shí)際受力與許用受力的比值，完全遵循AISC 335-89規(guī)范的要求，對于ULS值小于1.0的單元，則認(rèn)為該單元綜合強(qiáng)度足夠，反之ULS值大于1.0的單元，則認(rèn)為單元綜合強(qiáng)度不夠，需加強(qiáng)或重新設(shè)計(jì)。

3 井架分析計(jì)算

3.1 井架建模與處理

在用SAFI軟件對井架進(jìn)行建模時，在確定坐標(biāo)系后，首先找出井架的各個節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用線條連接節(jié)點(diǎn)，將整個井架結(jié)構(gòu)用線條單元描繪出來，然后對每個單元進(jìn)行具體的描述，賦予線條單元材料特性、截面形狀與尺寸，以及編輯其邊界條件。井架實(shí)體模型共劃分為392個節(jié)點(diǎn)，724個單元，如圖1所示。在建模過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，對井架做如下模擬處理。

圖1 井架模型

(1)井架主體是由焊接H型鋼、方鋼管構(gòu)成的一個空間桁架結(jié)構(gòu)，每個桿件都是細(xì)長桿件，桿件之間的節(jié)點(diǎn)用螺栓連接，因此在建模時將各個節(jié)點(diǎn)處理為鉸接或剛性連接，主弦桿井架4條大腿設(shè)置為柱類單元(Column)，其余桿件設(shè)置為梁類單元(Beam)。井架體4條大腿用螺栓固定在鉆臺面的井架支座上，此處連接采用固定連接(FIXED)，6個方向的自由度完全約束。

(2)天車、天車臺、二層臺與井架體合成一體建模，二層臺周圍的擋風(fēng)墻用軟件提供的Surface單元來模擬。將鉤載、快繩拉力、死繩拉力加載到天車上，將立根靠力加載到二層臺上。

(3)忽略梯子與平臺、大鉗平衡重等附件對井架的影響，計(jì)算時將井架自重乘以一個放大系數(shù)來模擬附件重力。

(4)對于立根和頂驅(qū)等迎風(fēng)面積較大部件，按API4F第三版提供的公式Ft=Gf×Ksh×∑Fm，F(xiàn)m=0.003 38×Ki××Cs×A，可計(jì)算出具體數(shù)值。然后分別加載到二層臺與頂驅(qū)導(dǎo)軌上。

(5)模型中井架自身的風(fēng)載，可直接用軟件提供的Wind Profiles單元模擬，首先設(shè)定該單元應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)為API 4F-2008，然后選擇不同的角度，模擬井架在各個方向上的風(fēng)載。

3.2 計(jì)算參數(shù)

最大鉤載為4 500 kN;有效高度為44.8 m;無立根無鉤載風(fēng)速為204 km/h(110節(jié)，＞12級風(fēng));滿立根無鉤載風(fēng)速為167 km/h(90節(jié)，12級風(fēng));油田內(nèi)拖航參數(shù):設(shè)計(jì)風(fēng)速36 m/s(70kN)，橫搖、縱搖6°，波浪周期10 s;遠(yuǎn)洋拖航參數(shù):設(shè)計(jì)風(fēng)速51.5 m/s(100 kN)，橫搖、縱搖15°，波浪周期10 s;拖航時轉(zhuǎn)盤中心與平臺重心的位置坐標(biāo)分別為X=-6.16 m，Y=0.93 m，Z=-0.081 m。

3.3 工況組合

井架承受的載荷主要有恒載、工作載荷、立根載荷、風(fēng)載荷以及動載荷。恒載主要包括井架本身的自重力，以及安放在井架上的附件工具等的重量。工作載荷包括大鉤載荷，快繩和死繩對井架的作用力，以及頂驅(qū)扭矩。立根載荷是立根自重對井架產(chǎn)生的水平作用力。風(fēng)載是一種隨機(jī)載荷，在計(jì)算時從0°～360°空間內(nèi)每增加45°設(shè)定一個方向，共8個方向。動力載荷是井架在拖航時，船體在波浪作用下產(chǎn)生縱搖、橫搖和升沉運(yùn)動而產(chǎn)生的慣性力。

根據(jù)用戶提供的計(jì)算參數(shù)，以及API-4F第三版的規(guī)定，井架的設(shè)計(jì)載荷要符合表1中5種工況組合。

表1 各工況的設(shè)計(jì)載荷組合

由表1可見，井架在正常作業(yè)時，應(yīng)力修正系數(shù)為1，載荷組合由最大鉤載+井架及附件設(shè)備自重+立根靠力+正常作業(yè)最大風(fēng)速24.7m/s(48節(jié))時井架的風(fēng)載+頂驅(qū)扭矩組成。井架在可預(yù)見風(fēng)暴環(huán)境下，應(yīng)力修正系數(shù)為1.33，載荷組合為井架及附件設(shè)備自重+游動系統(tǒng)自重+風(fēng)速56.6 m/s(110節(jié))時井架的風(fēng)載。井架在不可預(yù)見風(fēng)暴環(huán)境下，應(yīng)力修正系數(shù)為1.33，載荷組合為井架及附件設(shè)備自重+游動系統(tǒng)自重+220T立根靠力+風(fēng)速46.3 m/s(90節(jié))時井架的風(fēng)載。由于風(fēng)向不同，上述每種工況各分為8種細(xì)化工況。

在計(jì)算拖航工況時，應(yīng)力修正系數(shù)為1.33，由于用戶未要求升沉力計(jì)算，所以只考慮縱搖慣性力和橫搖慣性力，SAFI軟件計(jì)算慣性力時先運(yùn)用Weights and masses將井架結(jié)構(gòu)設(shè)備自重定義為質(zhì)量單元，然后運(yùn)用vessel motion將動態(tài)分析轉(zhuǎn)化為線性靜力分析［3］。當(dāng)風(fēng)載方向與船體旋轉(zhuǎn)方向相同時，即風(fēng)載方向與船體旋轉(zhuǎn)軸線垂直時，井架受力最大，組合風(fēng)載與慣性載荷。按照風(fēng)向的不同，油田內(nèi)拖航與遠(yuǎn)洋拖航各分為8種細(xì)化工況。

3.4 計(jì)算結(jié)果

通過對井架承受載荷的定義，組合各種工況后，在SAFI軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)運(yùn)算，可直接得出井架上每個單元的ULS值，如圖2所示。

圖2 構(gòu)件ULS值

當(dāng)井架最大鉤載作業(yè)時，井架天車梁單元ULS值最大達(dá)到0.95以及部分主弦桿達(dá)到0.94，橫斜撐ULS值在0.44～0.99之間。在可預(yù)見工況時，與井架支座相連4條底段大腿(主弦桿)ULS值在0.8以上，最大值為0.85，其余構(gòu)件ULS值在0.69以下。在不可預(yù)見工況時，井架各構(gòu)件ULS值均在0.56以下，最大ULS值出現(xiàn)在底部主弦桿。在油田內(nèi)拖航工況時，井架各構(gòu)件ULS值均在0.59以下，最大ULS值出現(xiàn)在單元號263的斜撐上。在遠(yuǎn)洋拖航工況時，與井架支座相連4條底段大腿(主弦桿)ULS值均在0.8以上，最大ULS值0.88出現(xiàn)在單元號702的底部主弦桿上，單元號為130的斜撐ULS值也達(dá)到0.83，其余構(gòu)件ULS值都在0.75以下。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在各工況下，單元ULS最大值為0.99不超過1，可以判定井架各單元綜合強(qiáng)度足夠。井架在作業(yè)工況時，即最大鉤載和風(fēng)載聯(lián)合作用下，較大的ULS值集中出現(xiàn)，為井架的主要受力工況［4］。

井架的變形情況如表2所列，表2中加黑數(shù)字列舉的是井架在不同方向上的最大變形量。在-Y方向，最大變形值出現(xiàn)在工況序號為5的最大鉤載作業(yè)工況下;在X軸兩個方向變形量最大的工況序號分別為13和9，屬于可預(yù)見風(fēng)暴工況;在Z軸兩個方向變形量最大的工況序號分別為35和39，屬于遠(yuǎn)洋拖航工況。計(jì)算結(jié)果可在軟件中直接獲取。

表2 井架最大變形表

塔形井架構(gòu)件間用螺栓連接，因此螺栓的選用以及強(qiáng)度的校核是井架計(jì)算的重要部分，SAFI軟件可以提供各個連接節(jié)點(diǎn)的受力值，用于校核該連接處螺栓的強(qiáng)度。表3提供4個井架支座在各種工況組合下最大的支座反力，為支座連接處螺栓的校核提供理論依據(jù)。

表3 井架支座最大支反力

4 結(jié)論

(1)SAFI結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，遵循了AISC 335-89規(guī)范的要求，結(jié)合API-4F第三版，能夠滿足海洋井架在各種工況下，進(jìn)行建模、加載、計(jì)算并最后直觀得出結(jié)論，是一款能專門為石油工程結(jié)構(gòu)便捷計(jì)算分析的工具軟件。

(2)通過井架計(jì)算可知，井架單元ULS最大值為0.99，不超過1，可以判定井架各個單元綜合強(qiáng)度足夠，并且井架在作業(yè)工況時，各桿件單元ULS最小值為0.44，說明井架在設(shè)計(jì)時，綜合強(qiáng)度富裕量不大，充分考慮了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)井架最大變形值出現(xiàn)在遠(yuǎn)洋拖航工況下，說明在復(fù)雜的海洋環(huán)境條件下，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)綜合強(qiáng)度分析，特別是穩(wěn)定性的分析。

(4)本文的計(jì)算結(jié)果與部分實(shí)測結(jié)果基本一致，因此建立的計(jì)算模型較符合井架的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能基本真實(shí)的反映井架承受載荷的力學(xué)性能。

［1］ 楊建平，劉興邦.海洋自升式井架起升設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(5):106-108.

［2］ API Spec 4F-2008.第3版.鉆井和修井井架、底座規(guī)范［S］.

［3］ 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.

［4］ 王峻喬，周思柱.基于StruCAD*3D的直立套裝自升式井架計(jì)算分析［J］.石油機(jī)械，2005(6):32-34.