海上平臺鉆（修）井機井架檢測與承載能力評估探討

李小龍

中國石化集團海上石油工程技術(shù)局檢驗中心 （山東 東營 257000）

井架是石油鉆（修）井系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其安全性能[1]直接關(guān)系到整個平臺的安全生產(chǎn)。海洋石油井架長期在海域使用，環(huán)境惡劣，使用過程中結(jié)構(gòu)會逐漸產(chǎn)生腐蝕、變形、疲勞、裂紋以及其它局部或整體的損失等缺陷,導(dǎo)致井架結(jié)構(gòu)承載能力下降，難于滿足設(shè)計要求，成為海洋鉆井或修井作業(yè)安全生產(chǎn)中的重大事故隱患[2,3]。因此，準(zhǔn)確檢測和評定海洋平臺鉆（修）井機井架承載能力具有重要意義。

1 檢測檢驗的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)

按照國家安全生產(chǎn)管理總局2006年發(fā)布的《海洋石油安全生產(chǎn)規(guī)定》的規(guī)定，海洋平臺鉆（修）井機井架屬于專業(yè)設(shè)備，實行發(fā)證檢驗制度，需要由專業(yè)設(shè)備檢測機構(gòu)對井架進行定期檢測。SY 6500-2010《灘（淺）海石油設(shè)施檢驗規(guī)程》要求在役井架檢測檢驗進行年度檢驗和定期檢驗，并規(guī)定了檢測檢驗項目和內(nèi)容,定期檢驗的周期為5年。SY 6442-2010《石油鉆機、修井機井架分級規(guī)范》將石油鉆（修）井機井架按承載能力分為A、B、C、D、E 5個等級，鉆機井架的承載能力為最大承載能力，修井機井架承載能力為額定承載能力。A級檢測周期為5年，B級和C級檢測周期為2年，D級檢測周期為1年。SY/T 6326規(guī)定鉆（修）井機井架應(yīng)進行外觀檢查和無損檢測，并規(guī)定井架主要受力部位、承受交變應(yīng)力部位、腐蝕部位、損傷部位、天車底座焊縫等關(guān)鍵部位應(yīng)進行壁厚測量和焊縫的無損檢測，綜合評定方法采用以井架承載能力試驗為主，使用情況調(diào)查和井架外觀檢查為輔的評定原則，檢測周期為3年。對前次評定的井架承載能力為設(shè)計能力的60%～85%的井架，檢測周期為2年。按照SY/T 6326-2008的要求，海洋石油鉆機和修井機井架承載能力的評定按照SY/T 5025的規(guī)定執(zhí)行。SY/T 5025-1999《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》等效于API Spec 4F《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》，SY/T 5025現(xiàn)已變更為國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)。2010年國家質(zhì)檢總局和標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)布了GB/T 25428-2010《石油天然氣工業(yè)鉆井和采油設(shè)備鉆井和修井井架、底座》標(biāo)準(zhǔn)。

另外，為保證井架安全運行，國內(nèi)石油行業(yè)根據(jù)API RP4 G 2002《鉆井和修井井架、底座的檢查、維護、修理與使用的推薦作法》，制定了SY/T 6408-2004《鉆井和修井井架、底座的檢查、維護、修理與使用的推薦作法》，將井架檢查（測）分為I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4類，對于不同的檢查（測）類別，檢查（測）內(nèi)容和周期不同。

由上述可以看出，海洋石油井架檢測和承載能力評估的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有著不同的要求，建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時，將檢測項目、檢測周期、定級方法和標(biāo)準(zhǔn)等做出統(tǒng)一的要求，提高標(biāo)準(zhǔn)可操作性。檢測內(nèi)容和檢測方法規(guī)定比較粗，檢測機構(gòu)在對井架進行檢測時，主要檢查井架桿件的變形、損傷、磨損、腐蝕等、井架大腿與桿件測厚、關(guān)鍵焊縫的無損檢測及承載能力試驗。井架檢測檢驗和承載能力測試的正確度與檢測檢驗人員的經(jīng)驗和技術(shù)水平有著較大的關(guān)系。

2 海洋平臺井架承載能力強度計算[4,5]

井架結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)所承受的載荷成線性關(guān)系[6]，測試井架結(jié)構(gòu)在2個不同載荷下的應(yīng)力，依據(jù)線性關(guān)系進行外延推算井架結(jié)構(gòu)在極限允許應(yīng)力條件下的承載能力[4]。跟陸地鉆機和修井機井架相比，海洋平臺井架承載能力測試與計算時應(yīng)考慮海洋環(huán)境的影響，承載能力評估和井架定級應(yīng)計算風(fēng)載所引起的井架桿件應(yīng)力。

承載能力計算時，風(fēng)載為:

式中 F—風(fēng)力，N；

p—風(fēng)壓，Pa；

A—與風(fēng)向垂直平面上的總投影面積，m2。

風(fēng)壓為:

式中 p—風(fēng)壓；

Vk—風(fēng)速，m/s；

Ch—高度系數(shù),根據(jù)處于海平面高度進行取值；

Cs—形狀系數(shù),鉆井井架的形狀系數(shù)等于1.25。

當(dāng)式（3）、（4）≤0.15 時，式（5）可用來替代式（3）和（4）。

在式（3）、（4）和（5）中，與下標(biāo) b、m 和 e 結(jié)合在一起的下標(biāo)x和y表示某一應(yīng)力或設(shè)計參數(shù)所對應(yīng)的彎曲軸。

式中 fa—井架承受設(shè)計最大鉤載時，測試桿件的軸心拉壓應(yīng)力，MPa；Fa—只有軸心拉壓應(yīng)力存在時容許采用的軸心拉壓應(yīng)力，MPa；

Fb—只有彎矩存在時容許采用的彎曲應(yīng)力，MPa；

Cm—系數(shù)，對于端部受約束的構(gòu)件:Cm=0.85。Fe除以安全系數(shù)后的歐拉應(yīng)力，采用式（6）進行計算:

式中 E—彈性模量，MPa；

lb—彎曲平面內(nèi)的實際無支撐長度，mm；

rb—回轉(zhuǎn)半徑，mm；

k—彎曲平面內(nèi)的有效長度系數(shù)，mm。

只有軸心拉壓應(yīng)力存在時容許采用的軸心拉壓應(yīng)力（Fa）按下式計算:

（1）當(dāng)任一無支撐部分的最大有效長細(xì)比（Kl/r）小于Cc時，橫截面屬于軸心受壓桿件，其毛截面上的允許拉壓應(yīng)力（Fa）為:

式中 Fy—桿件材料的最小屈服應(yīng)力，MPa；

Cc—區(qū)分彈性和非彈性屈曲的桿件的長細(xì)比。

（2）當(dāng)（Kl/r）大于 Cc時，軸心受拉壓構(gòu)件毛截面上的容許拉壓應(yīng)力為:

井架承載能力計算過程繁瑣，效率低，且容易出錯。為提高分析效率，保證計算結(jié)果正確可靠，依據(jù)上述公式和計算方法，用VB開發(fā)了海上石油井架承載能力計算評估軟件（圖1）。進行承載能力檢測分析時，只需要將井架的特征數(shù)據(jù)資料和試驗載荷下測到的應(yīng)力等輸入軟件，計算和分析過程由軟件進行。

3 承載能力檢測與評估案例

塔形井架HJJ450/47-T某海洋平臺鉆機井架，總高47000mm，下部開口寬度為9144mm，上部開口寬度為3500mm，正面大門高度15500mm，側(cè)門高度 6500mm，立柱采用 H300×300×10×16/Q345D，設(shè)計極限風(fēng)速51.5m/s，設(shè)計載荷4500kN。

井架常見的缺陷有局部腐蝕、桿件局部彎曲和變形、載荷偏心和焊縫開裂，不同缺陷對井架承載能力有著不同的影響。井架承載能力由其應(yīng)力最大桿件的應(yīng)力水平?jīng)Q定。因此，在進行井架檢測和承載能力評估時應(yīng)對承載能力影響大的缺陷進行重點檢測，應(yīng)力測試點應(yīng)選在應(yīng)力最大的桿件部位。利用Ansys軟件對井架進行有限元分析，分析確定井架工作時應(yīng)力最大桿件部位，指導(dǎo)架承載能力檢測測試工作，有利于提高海洋平臺井架檢測評估質(zhì)量。

建立了HJJ450/47-T海洋井架有限元分析模型（圖2）。利用Ansys軟件分析缺陷對井架承載能力的影響及井架最大應(yīng)力部位（圖3）。分析時，將導(dǎo)致桿件承載截面減小的缺陷都按腐蝕減薄考慮。由圖3可知，腐蝕對塔形井架桿件承載能力的影響最大。井架檢測時，應(yīng)重點檢查桿件的腐蝕、焊縫裂紋，應(yīng)力大的桿件壁厚測量。

應(yīng)用Ansys分析軟件對平臺井架進行有限元分析，建立海洋平臺井架結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力數(shù)據(jù)庫，針對不同類型和規(guī)格的井架編制檢測操作規(guī)程，明確檢測項目、檢測方法、應(yīng)力測試點，實現(xiàn)井架檢測操作的標(biāo)準(zhǔn)化。

現(xiàn)場應(yīng)力測試選用BF120-4BB-11/W應(yīng)變片，應(yīng)變傳感器節(jié)點采用SG402無線應(yīng)變傳感器，該傳感器系統(tǒng)基于802.15.4協(xié)議，可自組織形成星型、線型和網(wǎng)狀網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，檢測采用32個節(jié)點，通過BeeData軟件進行應(yīng)力測試數(shù)據(jù)讀取和存儲，利用軟件進行井架承載能力計算和定級。

在1125kN和1575kN的載荷條件下測試井架大腿的應(yīng)力值，每種工況測試3次，測試點應(yīng)力值（表1），以平均值作為承載能力計算的輸入值，經(jīng)計算井架可承載4620kN，高于設(shè)計載荷，級別為A。

表1 井架應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

（1）海上平臺石油井架檢測和承載能力評估的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求不統(tǒng)一，在標(biāo)準(zhǔn)修訂時應(yīng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）海上平臺石油井架承載能力計算評估時應(yīng)考慮風(fēng)載的影響，計算時將風(fēng)載產(chǎn)生的應(yīng)力值與試驗測試計算的載荷應(yīng)力值后進行評定。

（3）開發(fā)了海上石油井架承載能力計算評估軟件，用軟件進行計算可提高計算效率和正確性。

[1]清澄,鄭勇,周娜.在用井架安全性測評技術(shù)及方法[J].天然氣工業(yè),1993,13(5):47-49.

[2]萬夫.現(xiàn)役鉆機井架仿真技術(shù)及軟件系統(tǒng)研究[D].成都:四川大學(xué),2005.

[3]付春艷,李淼,萬夫,等.海洋鉆機井架承載能力安全評價方法[J].中國測試技術(shù),2008,34(4):109-111.

[4]SY/T 6326-2008石油鉆機和修井機機架、底座承載能力檢測評定方法[S].

[5]GB/T 25428—2010石油天然氣工業(yè)鉆井和采油設(shè)備鉆井和修井井架、底座[S].

[6]吳文秀,陳勇,韓興.在役鉆機井架承載能力極限狀態(tài)評定方法及應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報,2008,30(5):155-157.