基于有限元的深海采油樹支架安裝過程分析

張鵬舉　徐思豪　陳旭駿

我國深水海域遼闊且蘊(yùn)含豐富的油氣資源，尤其是有“第二個(gè)波斯灣”之稱的南海，其石油地質(zhì)儲量約占到中國總資源量的三分之一，但中國在南海的開發(fā)卻極為有限，主要原因是我國沒有先進(jìn)的海洋技術(shù)和海洋裝備。永久導(dǎo)向基座（水下井口裝置）和采油樹（采油裝備）是海洋油氣田開發(fā)中的重要單元裝備，也是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。其中在安裝海底采油裝備的過程中，會對永久導(dǎo)向基座以及承載采油樹本體以及各個(gè)設(shè)備裝置的支架結(jié)構(gòu)有較高的強(qiáng)度要求。研究采油樹支架以及導(dǎo)向基座的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)對安裝采油樹設(shè)備具有重要的意義。

一、安裝過程力學(xué)模型構(gòu)建

本文以美鉆（PY34-1/35-2）為例，如圖1所示。通過大型通用有限元軟件MSC.Patran/ Nastran建立相關(guān)結(jié)構(gòu)物的有限元模型并進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算，研究其在吊裝降入海底這一安裝過程中，采油樹支架以及導(dǎo)向基座受力特點(diǎn)，并校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否符合《ANSI/API Spec 6A》的規(guī)范要求。

1.過程模型

安裝過程，是指采油樹通過采油樹下入海底的工具，依靠吊具和導(dǎo)向繩，將采油樹下入安裝至井口的過程，如圖2所示。該過程主要考慮兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻點(diǎn)的情況。其一為在海上將采油樹整體吊起懸空的狀態(tài)，主要研究對象為采油樹支架。其二為采油樹整體下降至海底500米處，采油樹支架的導(dǎo)向柱與導(dǎo)向基座的導(dǎo)向柱相接觸時(shí)，主要研究對象為位于海底的永久導(dǎo)向基座。根據(jù)上述兩種狀況，分別建立采油樹支架以及永久導(dǎo)向基座的有限元模型。如圖3與圖4所示。

2. 模型單元

支架模型中有限元網(wǎng)格劃分主要以100mm×100mm為主，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜處加密為50mm ×50mm。網(wǎng)格單元采用shell板單元。有限元模型中共劃分10092個(gè)單元，13968個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于計(jì)算重點(diǎn)在于支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因此通過加載的方式來等效替代支架上承載的設(shè)備，并對其他一些用于系固設(shè)備的開孔以及結(jié)構(gòu)件進(jìn)行省略，通過添加均布質(zhì)量點(diǎn)與調(diào)節(jié)密度的方式以模擬被省略的次要構(gòu)件，使支架模型總質(zhì)量為 22250kg，與設(shè)計(jì)質(zhì)量保持一致。

導(dǎo)向基座模型中有限元網(wǎng)格劃分主要以100mm x 100mm 為主，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜處加密為50mm x 50mm。網(wǎng)格單元采用shell板單元。有限元模型中共劃分11016個(gè)單元，11212個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算重點(diǎn)在于導(dǎo)向柱以及基座主結(jié)構(gòu)的連接部分，因而建模時(shí)對其他部分的構(gòu)件的形狀以及開孔等進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

二、參數(shù)設(shè)置

1.材料參數(shù)

采油樹整體支架以及導(dǎo)向基座的材料為Q345D，其屬性見表1。

其最小抗拉強(qiáng)度為450-630 Mpa ；彈性模量為206 GPa ；密度為7750Kg/m3 ；泊松比為0.3。

2. 工況參數(shù)

1.水上起吊狀態(tài)參數(shù)

吊裝過程中，采油樹本體通過將卡牙吊具固定在設(shè)備上端的卡槽中進(jìn)行單吊點(diǎn)的吊裝作業(yè)，吊機(jī)拉力通過采油樹本體以及連接器傳遞至支架上。該工況條件下，主要考察由于中部豎直向上的拉力與支架整體分散的設(shè)備重力之間對支架整體板架結(jié)構(gòu)的彎曲與剪切作用。

通過MPC單元對支架上承載的設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行等效，此外，同樣通過MPC單元將通過采油樹本體傳遞下來的吊具拉力，添加至支架中部設(shè)備與支架聯(lián)接位置處。此處對吊具作用點(diǎn)進(jìn)行全約束，使得模型靜力平衡，以等效整體勻速起吊以及懸空狀態(tài)時(shí)的情況。

另外在全局坐標(biāo)系范圍內(nèi)添加9.81m/s?的重力場，以模擬支架自重。

該工況下的采油樹支架有限元模型加載情況如圖5所示。

2. 水下接入導(dǎo)向基座狀態(tài)參數(shù)

本體在下降至海底500m處，主要承受由于洋流作用于吊具上的側(cè)向力影響。由于吊具為一直徑等于114.3mm的圓柱體，可借由有限深度均勻水流中圓柱橫向阻力的計(jì)算方法將圓柱體的所受的阻力計(jì)算得出以等效為吊具下方采油樹所受到的洋流力與力矩。

通過MPC單元將永久導(dǎo)向基座的四根導(dǎo)向柱節(jié)點(diǎn)連接至采油樹整體下降時(shí)的位置中心，以其等效為采油樹整體，并將整體承受的上述洋流力傳遞至四根導(dǎo)向柱。為了模擬最危險(xiǎn)工況，選取采油樹整體在下降過程中，其位置為剛進(jìn)入導(dǎo)向基座導(dǎo)向立柱頂端的時(shí)刻。該時(shí)刻洋流力對于導(dǎo)向基座底端有最大力矩。

永久導(dǎo)向基座底部為全約束，固定于海底。另外，根據(jù)洋流在各個(gè)方向上的試算，得出在洋流為y方向時(shí)，結(jié)構(gòu)有最大應(yīng)力。根據(jù)上述公式可以求得：F=37792N， M=1.4367×107N.mm計(jì)算模型的加載情況見圖6。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 采油樹支架

由圖7，圖8可以看出，由于設(shè)備支架在整體懸空狀態(tài)時(shí)，其支架相當(dāng)于一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，因而與支架連接處有較大應(yīng)力。其應(yīng)力范圍在25MPa左右。圖9為采油樹支架樁腿肘板處的等效應(yīng)力，在該工況下最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在樁腿肘板處，為57.7MPa。

3.2 永久導(dǎo)向基座

由圖10與圖11可以看出，由于洋流力通過采油樹整體繼而傳遞至導(dǎo)向繩，而導(dǎo)向繩最終將洋流力傳遞至導(dǎo)向基座的導(dǎo)向柱上，因此對于導(dǎo)向基座中導(dǎo)向柱與主結(jié)構(gòu)的連接部分產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，主要結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力大多在70MPa左右。而另一方面，對于導(dǎo)向基座的底端，其應(yīng)力分布情況則較小。圖12為導(dǎo)向基座主結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向柱的連接部分的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在導(dǎo)向柱根部為131MPa。

（作者：張鵬舉，美鉆能源科技（上海）有限公司；徐思豪、陳旭駿，上海海事大學(xué)商船學(xué)院）endprint