導(dǎo)管架平臺新型連接裝置應(yīng)力分析

張九菊, 施昌威, 周燦豐, 焦向東， 王柏和

(1.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102617； 2.中石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院， 北京 100028；3.中石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部， 北京 300280)

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導(dǎo)管架平臺新型連接裝置應(yīng)力分析

張九菊1, 施昌威2, 周燦豐1, 焦向東1， 王柏和3

(1.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102617； 2.中石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院， 北京 100028；3.中石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部， 北京 300280)

導(dǎo)管架平臺與上部組塊在常規(guī)上采用直接焊接的方式，針對導(dǎo)管架與臨時(shí)鉆井甲板的連接處，考慮鉆井完成后臨時(shí)鉆井甲板需要拆除，從縮短海上施工時(shí)間，節(jié)省材料的方面考慮，提出了新型的連接方式，并采用SACS軟件和ABAQUS軟件對其進(jìn)行了整體和局部強(qiáng)度的校核。

導(dǎo)管架；臨時(shí)鉆井甲板；有限元分析；SACS模型；樁腿

0 引言

海洋是我國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)，隨著海洋油氣勘探開發(fā)從淺海、半淺海向深海延伸，風(fēng)、浪、流等環(huán)境工況更為惡劣，對桿件和管節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度要求更高。如何在保證安全的前提下盡量縮短海上施工時(shí)間、節(jié)省材料是海洋工程一直努力的方向。基于70 m水深的導(dǎo)管架平臺臨時(shí)鉆井甲板與下部導(dǎo)管架的連接展開研究，提出了新型連接方式。典型導(dǎo)管架平臺如圖1所示，導(dǎo)管架臨時(shí)鉆井甲板安裝模擬如圖2所示。

圖1 典型導(dǎo)管架平臺三維模型

圖2 導(dǎo)管架臨時(shí)鉆井甲板安裝模擬

通常臨時(shí)鉆井甲板與導(dǎo)管架連接采用對位后直接焊接，或以隔水管作為支撐進(jìn)行焊接，完井后再將臨時(shí)鉆井甲板拆除。此方法滿足工程的使用要求，但從縮短海上施工時(shí)間，節(jié)省材料的方面考慮，該文提出了一種新型的連接方式，即臨時(shí)鉆井甲板與主腿連接處焊接了八個(gè)連接耳板，連接件位置如圖3所示，新型連接件結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖3 連接件位置示意圖

圖4 新型連接件的結(jié)構(gòu)形式

1 帶臨時(shí)鉆井甲板的導(dǎo)管架平臺整體分析

為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性，需要進(jìn)行連接件的整體分析[1]。首先根據(jù)環(huán)境工況和操作荷載，進(jìn)行整體分析，再從分析結(jié)果中提取連接件的桿件力，并選取合適的邊界條件進(jìn)行局部分析。導(dǎo)管架平臺整體分析采用結(jié)構(gòu)專業(yè)軟件SACS進(jìn)行，結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，環(huán)境和操作荷載見表1～表3[2]。

圖5 帶臨時(shí)鉆井甲板的SACS整體模型

表1 風(fēng)基本參數(shù)

表2 波浪基本參數(shù)

表3 流基本參數(shù)

(4) 活荷載：模型中加上相關(guān)附屬構(gòu)件荷載，臨時(shí)鉆井甲板上活荷載取5 kN/m2。

(5) 操作荷載：在臨時(shí)鉆井甲板上共有15口井，隨機(jī)取2口井進(jìn)行組合，并在每口井的井口結(jié)構(gòu)上加80 t的隔水管懸掛荷載。

提取SACS整體分析結(jié)果中連接件頂部標(biāo)高為EL(+)15.4 m處的荷載，用于連接耳板的局部計(jì)算，桿件荷載見表4。

表4 提取EL(+)15.4米處桿件荷載

2 公式校核連接耳板

考慮到板的形狀，選取了三個(gè)重要截面做了校核，根據(jù)整體分析計(jì)算結(jié)果，對連接件進(jìn)行公式校核。取M=2 892 kN·m，樁腿直徑：48 in，8個(gè)連接耳板，局部連接處受力如圖6所示，連接耳板處受力如圖7所示。

圖6 局部連接處受力圖

圖7 連接耳板處受力圖

(1)

(2)

選取的校核截面位置如圖8所示，連接耳板A向視圖尺寸如圖9所示。

圖8 連接耳板尺寸及選取校核截面

圖9 連接耳板A向視圖

截面1，考慮焊接為滿焊：

剪力：

截面2，彎矩校核

截面3：

3 基于ABAQUS的有限元局部分析

考慮到板的形狀，選取了三個(gè)重要截面做了校核，由于板梁理論的局限性，為了進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力分布狀況，采用了有限元方法，用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬[3]。

ABAQUS有限元模型劃分網(wǎng)格如圖10所示，選用S4R殼單元進(jìn)行模擬，連接件上部為臨時(shí)鉆井甲板，下部為導(dǎo)管架，為盡量降低局部分析中邊界條件的影響，模型中頂部的圓管高度取臨時(shí)鉆井甲板的標(biāo)高EL(+)15.4 m，下部圓管取到導(dǎo)管架頂部的工作點(diǎn)EL(+)6.5 m，從保守角度考慮，將下部與導(dǎo)管架連接處邊界條件采用固支處理，MISES應(yīng)力分布如圖11所示。在現(xiàn)場，臨時(shí)鉆井甲板與導(dǎo)管架的接觸截面處未焊接，但可以承受壓力，模型中未做接觸處理，八個(gè)連接耳板與圓管焊接，在模型中采用Tie命令模擬焊接，八個(gè)連接耳板的應(yīng)力分布如圖12所示。在有限元模型中保守考慮，即上下管件之間截面處不傳遞荷載，所有荷載通過八個(gè)連接耳板傳遞到下部的導(dǎo)管架上，最大應(yīng)力的連接耳板如圖13所示。

圖10 用S4R單元對ABAQUS有限元模型劃分網(wǎng)格

圖11 MISES應(yīng)力分布圖

圖12 八個(gè)連接耳板的應(yīng)力分布圖

圖13 最大應(yīng)力的連接耳板

最大Mises應(yīng)力的部位在連接耳板的內(nèi)部拐角處，為260 MPa，小于鋼材的許用應(yīng)力，滿足工程要求。

4 結(jié)論

新型連接裝置在常規(guī)做法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的改進(jìn)，新型方式與常規(guī)做法相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 傳統(tǒng)做法采用直接對位再焊接，完井后進(jìn)行拆除，并將導(dǎo)管架連接處打磨處理，再安裝上部組塊。新型連接方式，避免了打焊接坡口，操作方便，節(jié)省了海上施工時(shí)間。

(2) 傳統(tǒng)做法由于拆除切割導(dǎo)致臨時(shí)鉆井甲板連接處的結(jié)構(gòu)損壞，限制了其多次使用， 新型連接方式拆除時(shí)只需要切割連接耳板，對導(dǎo)管架和臨時(shí)鉆井甲板的結(jié)構(gòu)都沒有損壞，可反復(fù)利用，節(jié)省成本。

[1] API-RP2A-WSD.Recommended Practice for planning, designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working stress Design[S]. 2007.

[2] 劉杰鳴.API RP 2A在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 中國海上油氣，1995，7(1)：48-57.

[3] 段夢蘭.海冰環(huán)境中海洋石油鋼結(jié)構(gòu)的破壞分析[J]. 石油學(xué)報(bào)，1999(3)：71-76.

Stress Analysis of a New Type of Connection Device for Jacket Platform

ZHANG Jiu-ju1， SHI Chang-wei2, ZHOU Can-feng1, JIAO Xiang-dong1， WANG Bai-he3

(1.College of mechanical engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China; 2.Engineering Design Institute of CNPC Offshore Engineering Company, Beijing 100028, China; 3.Driuing Sivision of CNPC Offshore Engineer Company, Tianjin 300280, China)

The pipe rack platform and the upper part of the block are directly welded in the conventional way. Considering the connection between the pipe rack and the temporary drilling deck, and considering the need of temporary drilling deck after the completion of drilling, the new type of connection mode is put forward, which can shorten the construction time and save material. And the SACS software and ABAQUS software were used to check the whole and local strength.

jacket; temporary drilling deck; finite element analysis; SACS model pile leg

2015-12-28

張九菊(1979 -)，女，講師。

1001-4500(2016)05-0040-05

F416.22

A