套管張緊器安裝平臺使用工況強度分析

王可竹，馮　浩

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

套管張緊器安裝平臺使用工況強度分析

王可竹，馮浩

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

摘要：按照套管張緊器安裝平臺使用的2種工況，運用ANSYS軟件對其進行有限元計算，對安裝平臺的強度和變形進行評估，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有安裝平臺結(jié)構(gòu)上存在一些不足，針對設(shè)計上的缺陷，提出采用筋板加強的改進方案，經(jīng)過有限元分析驗證，確認(rèn)改進方案是安全可靠的。同時，對安裝平臺材料板厚進行優(yōu)化，安裝平臺重量明顯降低。

關(guān)鍵詞：套管張緊器安裝平臺；使用工況；有限元分析；筋板

套管張緊器系統(tǒng)是海洋石油鉆井平臺的關(guān)鍵設(shè)備之一，連接鉆井平臺和隔水套管，在鉆井過程中，給隔水套管頂部施加恒張緊力，保護隔水套管由于海浪和海流的沖擊產(chǎn)生的變形影響，確保整個鉆井系統(tǒng)在安全可靠的條件下完成鉆井流程。套管張緊器系統(tǒng)包括: 套管張緊器、套管張緊器安裝平臺、蓄能器、液壓動力站及電氣控制系統(tǒng)。套管張緊器安裝平臺是安放套管張緊器的部件，當(dāng)套管張緊器為隔水套管頂部建立起恒張緊力時，安裝平臺將承受套管張緊器傳遞過來的全部負載。鉆井過程中，套管張緊器有3個工作位置，安裝平臺承載區(qū)域變化對平臺結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的影響。目前，國產(chǎn)自升式鉆井平臺所裝備的套管張緊系統(tǒng)大多數(shù)是國外產(chǎn)品，而國產(chǎn)設(shè)備研制生產(chǎn)還處于探索階段，也鮮見對套管張緊器安裝平臺在使用工況條件下的負載狀態(tài)進行分析的報道，為此，以一款套管張緊器安裝平臺為例，按照實際工況，采用ANSYS有限元計算，驗證現(xiàn)有安裝平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性[1-2]。

1平臺結(jié)構(gòu)和使用工況

1.1套管張緊器安裝平臺

套管張緊器(conductor tensioner unit，CTU)的核心部件包括4組豎直張緊油缸，給隔水管施加垂直向上的張緊力；4個水平輔助支撐，給隔水管施加水平方向的輔助支撐力；1個基座，4套CTU定位銷。

套管張緊器安裝平臺(conductor tensioner platform，CTP)的主要部件包括1個矩形框架，2套滑動機構(gòu)，4個提升油缸。

CTU基座橫跨安裝在CTP的底梁上，與2套滑動機構(gòu)構(gòu)成一個平臺，通過滑動機構(gòu)的作用，CTU可以在CTP底梁上左右移動，CTU的4角各安裝1套由油缸驅(qū)動的定位銷，CTU兩側(cè)的滑動機構(gòu)上各裝2套同樣的定位銷，鉆井過程中，CTU及滑動機構(gòu)上的定位銷插入CTP底梁上的定位孔中實現(xiàn)CTU與CTP可靠固定。移動井位時，在滑動機構(gòu)水平油缸的帶動下，滑動機構(gòu)和CTU上定位銷間隔插入底梁的定位孔即可實現(xiàn)井位的移動，見圖1。

圖1　套管張緊器安裝平臺工況示意

1.2使用工況

一般情況下，鉆井平臺有3個鉆井施工位置，鉆井過程中CTU移動到其中某個位置進行隔水套管頂部張緊操作，同時，4個水平布置的輔助支撐伸出，給隔水套管施加水平方向的輔助支撐力[3-4]，具體工況有2種(見圖1)，工況1：CTU位于CTP的中部，工況2：CTU位于CTP的兩側(cè)。

2平臺模型

2.1主要技術(shù)參數(shù)

CTU和CTP的總重：92 t；

CTU最大垂直張緊力：2 721 kN；

CTU最大水平輔助支撐力：350 kN；

CTP矩形框架長度：L=14 380 mm；

CTP主材料：EH36;

主材料EH36的屈服強度355 MPa，安全系數(shù)：1.67[4]；

屈服強度的許用值[σs]=212.5 MPa；

結(jié)構(gòu)變形的允許范圍[f]=14.38 mm[5]。

2.2分析模型

CTU給隔水套管施加垂直方向的張緊力通過基座,以反作用力Fy傳遞給CTP結(jié)構(gòu)；CTU給隔水套管施加水平方向的輔助支撐力，也通過基座以反作用力Fx、Fz傳遞給CTP結(jié)構(gòu)，CTP結(jié)構(gòu)可以簡化為簡支梁(見圖2)，由于工況2的兩端位置距離相同，所以選取1種工況計算即可。

圖2　套管張緊器安裝平臺分析模型

3計算分析

計算時對CTP的主結(jié)構(gòu)進行簡化，僅剩1個矩形框架，在使用時，固定在甲板月池區(qū)域的4個插銷插入CTP上部4個插銷孔，將CTP固定，因此， CTP的矩形框架插銷孔節(jié)點沿Y向被約束，CTP矩形框架的X中心面和Z中心面作為對稱面同時也被約束。用ANSYS軟件進行有限元分析，選擇SHELL63單元，定義不同的實常數(shù)R來反映板材的厚度，采用自底向上的建模方法，先建立關(guān)鍵點，由點生成面，從而建立完整的張緊器平臺模型[6-8]。

按照上述分析模型定義CTP和CTU的接觸面。在接觸面分別施加3個方向載荷Fx、Fy、Fz，構(gòu)成載荷組合，進行強度分析和變形計算[8-9]現(xiàn)有方案應(yīng)力見圖3。

圖3　現(xiàn)有方案應(yīng)力

由圖3可見，2種工況下CTP平臺最大應(yīng)力和變形分別為

工況1：

σs1max=275 MPa<σs；Δf1=4.2 mm<[f]；

工況2：

σs2max=277 MPa<σs；Δf2=2 mm<[f]。

2種工況下，最大應(yīng)力值雖然小于材料的屈服強度值，但是均超過許用值，最大值出現(xiàn)在底梁上的定位孔處。將平臺底梁上的定位孔全部封閉，重新分析計算，分析得到的最大應(yīng)力值小于許用值，采用理論計算，最大應(yīng)力的計算值也是小于許用值。因此定位孔處結(jié)構(gòu)是造成應(yīng)力增加的原因，在計算中有可能被忽略了。

另外，圖4的結(jié)構(gòu)顯示，直接承載的下橫梁是焊接在大梁的腹板上(底梁由大梁和下橫梁焊接而成)，腹板上的淺色區(qū)域應(yīng)力較大，大梁結(jié)構(gòu)的其它區(qū)域應(yīng)力偏小，加載后，下橫梁載荷傳遞到腹板上，而不是傳遞到整個大梁上，因此整個大梁沒有被有效使用，基于上述原因，下橫梁和大梁結(jié)構(gòu)需要局部設(shè)計改進。

圖4　下橫梁變形

4改進設(shè)計

4.1出現(xiàn)問題區(qū)域的解決方案

根據(jù)上述分析，最大載荷出現(xiàn)在CTU平臺和CTP底梁接觸的定位孔上。當(dāng)CTU系統(tǒng)在正常鉆井過程中CTU定位銷插入CTP底梁定位孔進行定位，張緊過程中由于外載作用CTP底梁出現(xiàn)變形，因而在定位銷和定位孔的接觸區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此對底梁結(jié)構(gòu)的受載區(qū)域進行重新設(shè)計，在CTU的3個工作井位CTU平臺和底梁接觸區(qū)域增加筋板，具體是CTU基座與CTP矩形框架的底梁每個接觸點的兩側(cè)對稱焊接2個筋板，參見圖5(為清晰顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，部分結(jié)構(gòu)隱藏)，同時對改進設(shè)計后的CTP進行驗證。

圖5　中間井位筋板增加前后對比

加筋板后重新分析的結(jié)果為

工況1：

σs1max=183 MPa<[σs]；Δf1=3.9 mm<[f]；

工況2：

σs2max=139 MPa<[σs]；Δf2=1.8 mm<[f]。

強度及變形都滿足要求，因此改進方案有效。

4.2CTP結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

由于加筋板后2種工況下的最大應(yīng)力值與材料許用應(yīng)力值之間有一定數(shù)值差，說明結(jié)構(gòu)的材料尺寸安全系數(shù)還有盈余，具備減重條件，因此設(shè)計3種方案對材料板厚進行優(yōu)化[9]，參見表1。

表1　CTP矩形框架材料的板厚優(yōu)化方案

按照表1的數(shù)據(jù)，對CTP矩形框架模型進行修改，重新分析計算結(jié)構(gòu)強度。3種板厚優(yōu)化方案最大應(yīng)力值計算值見圖6，第3種方案的最大應(yīng)力最接近許用值而且其重量最小，是最佳方案，第3種方案的應(yīng)力見圖7，采用該方案，重量可減少4.95 t。

圖6　CTP的最大應(yīng)力與重量的關(guān)系

圖7　優(yōu)化方案3應(yīng)力圖

工況1：

σs1max=203 MPa<[σs]；Δf1=4.2 mm<[f]；

工況2：

σs1max=174 MPa<[σs]；Δf2=1.97 mm<[f]。

優(yōu)化減重后的CTP強度及變形均滿足要求。

5結(jié)論

1) 現(xiàn)有張緊器安裝平臺強度基本滿足要求，但在承載區(qū)域結(jié)構(gòu)存在缺陷。

2) 提出的改進方案在承載區(qū)域焊接加強筋板，分析結(jié)果表明該方案滿足使用要求，改善了原方案結(jié)構(gòu)上存在的不足。

3) 通過對改進方案的分析發(fā)現(xiàn)，承載部位之外的區(qū)域，其強度遠小于許用值，用Ansys對該方案進行優(yōu)化，所得到的最終方案在滿足強度要求的前提下，重量減輕了10%。

4) 運用ANSYS分析找到了CTP在使用過程中的薄弱環(huán)節(jié)，對于CTP在使用期的安全風(fēng)險評估具有指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 任鋼峰，王定亞，鄧平，等.海洋鉆井隔水管張緊器技術(shù)分析[J].石油機械，2013，41(10):43-45.

[2] 趙建亭，薛穎，潘云，等. 浮式鉆井裝置隔水管張緊系統(tǒng)研究[J].上海造船，2010(4)：115.

[3] 梁宏友.浮式鉆井采油平臺隔水管張緊器的設(shè)計與分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[4] ANSI/AISC3160-05. Specification for structural steel buildings [S]. American Institution of Steel Construction , Inc. Chicago. IL,2005.

[5] 張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等.起重機設(shè)計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[6] 張朝暉.Ansys 12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[7] 吳富生，柏垠，謝蓓莉.自生式平臺塔形井架結(jié)構(gòu)強度分析[J].船海工程，2013(2)：134-138.

[8] 房曉明，王曉波，鐘朝廷，等.張緊器主框架動態(tài)特征分析 [J].機電工程技術(shù)，2011，40(7):58-59.

[9] 施麗娟，崔維成.船舶結(jié)構(gòu)強度有限元分析的質(zhì)量控制研究綜述[J].船舶，2010(5):31-39.

Strength Analysis of Conductor Tensioner Platform in Different Working Conditions

WANG Ke-zhu, FENG Hao

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Abstract:According to the two working conditions of the conductor tensioner platform, the structural strength and deformation are assessed by finite element method in ANSYS. Some deficiencies are found in the existing platform. A improved design is proposed by using stiffened plate, which is verified by the FE assessment. At same time, the scantlings of the platform members are optimized, so as to decreased the platform's weight obviously.

Key words:conductor tensioner platform; working condition; finite element analysis; rib plate

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.027

收稿日期：2015-11-16

第一作者簡介：王可竹(1964—)，男，學(xué)士，高級工程師 E-mail:wangkezhu@zpmc.net

中圖分類號：U674.38；TE951

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0118-04

修回日期：2015-12-16

研究方向:海洋石油鉆井設(shè)備的設(shè)計