鉆井船鉆臺結(jié)構設計及強度分析

雷雨雨， 夏侯命勝， 宋 旭， 邱華鋒

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.中國船舶及海洋工程設計研究院， 上海200011)

0 引 言

能源是維持現(xiàn)代經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展的“血液”。當前，中國已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟體，而且對能源進口的依存度逐漸擴大。為保障國家能源安全，必須加快全面勘探和開采陸地及海洋資源的步伐[1]。然而，面對陸地資源的快速耗竭，向海洋尋求能源、進軍深水將是保障我國能源供應的必由之路。在深水油氣資源開發(fā)中，鉆井是最重要的環(huán)節(jié)之一，深水鉆井船是目前國際上先進的海洋石油鉆井裝置。

鉆井系統(tǒng)作為鉆井船的核心系統(tǒng)，通常布置在船中月池中心正上方，主要由鉆臺和井架2部分組成。鉆臺是整個鉆井系統(tǒng)唯一的支撐平臺，在承擔井架傳遞的環(huán)境及其相關功能載荷(如大鉤載荷)的同時，還要承受其自身設備載荷(如：轉(zhuǎn)盤、立根盒等鉆井載荷)和環(huán)境載荷引起的慣性載荷及風載，而且船體在波浪載荷作用下會發(fā)生中垂及中拱彎曲變形，對鉆臺的主要構件及與月池相連接的支撐結(jié)構的強度要求更高。

本文通過綜合研究ABS、DNV及API等鉆井船和平臺相關規(guī)范，利用大型商用有限元分析軟件Patran/Nastran建立計算模型。設置考慮船體梁變形的強迫位移邊界條件，合理施加作業(yè)和環(huán)境載荷，對深水鉆井船鉆臺結(jié)構的強度和剛度進行分析評估。最終得到該類結(jié)構在設計工況下應力水平和剛度的變化情況，以便設計和使用方更加深入地了解鉆井船在遷航、自存、待命及作業(yè)狀態(tài)下鉆臺的結(jié)構性能，確保在滿足相關系統(tǒng)正常功能的同時，保證鉆臺結(jié)構在不利海況下的安全。

1 結(jié)構設計研究

1.1 結(jié)構功能分析

系統(tǒng)作業(yè)及功能要求決定了鉆臺的結(jié)構型式及所受載荷。深水鉆井船鉆臺承受的主要載荷[2]有：井架載荷，轉(zhuǎn)盤載荷，鉆井絞車、起下鉆機械設備、隔水管張緊器和立根盒等設備的載荷。鉆井船在風、浪、流的共同作用下，船體會產(chǎn)生縱搖、橫搖及升沉等運動，為了將其影響程度減小到最低，鉆臺通常布置在位于船體中央的月池上方[3]。

鉆井船鉆臺設計主要考慮以下4種工況：(1)遷航工況。無限航區(qū)遷航，無大鉤及立根載荷，設備均綁扎固定。(2)自存工況。隔水管與海底井口脫開，滿立根盒。(3)待機工況。鉆進停止，鉆桿取出排放立根盒，無鉤載，隔水管與井口連接。(4)鉆井工況。船位能夠有效維持，所有與鉆井作業(yè)相關的活動(如：正常鉆井作業(yè)、起下鉆作業(yè)和下套管作業(yè))均可以開展。綜合以上操作工況，為了大幅提高作業(yè)效率，本鉆井船采用雙聯(lián)井架技術。鉆臺主要功能載荷見表1。船體月池區(qū)域和鉆臺布置圖如圖1和圖2所示。

圖3 鉆臺整體結(jié)構

1.2 鉆臺結(jié)構設計

圖4 鉆臺主要支撐結(jié)構

本鉆井船鉆臺的主要結(jié)構包括：鉆臺支腿、甲板箱梁、甲板板和風墻。其中鉆臺高(船體主甲板到鉆臺面)約為18.0 m，風墻高為6.0 m，鉆臺支腿跨距為16.8 m×28.0 m，三維視圖如圖3所示。由于鉆井船鉆臺跨距大且受載強度高，普通型材很難滿足相關設計要求，因此鉆井船的鉆臺主梁一般采用筋板式箱型梁。該類大梁結(jié)構具有制作方便、整體剛度容易滿足設計要求等特點。另外，鉆臺與主船體之間連接的支腿是整個鉆井系統(tǒng)正常、安全作業(yè)的關鍵保證，其結(jié)構型式尤其是與鉆臺主梁及主船體月池區(qū)域的連接設計極其關鍵。結(jié)合鉆井船總布置的特點，本鉆臺主要結(jié)構采取箱型立柱配斜撐的結(jié)構型式，如圖4所示。該設計型式不僅能夠滿足不同角度風、浪、流引起的環(huán)境載荷(包括水平側(cè)向力及傾覆力矩)要求，還能夠很好地將井架載荷傳遞到主船體相關結(jié)構上，保證了鉆臺在工作及遷航工況下的安全及功能需要。

1.3 應力衡準

鉆臺相關構件主要采用AH/DH/EH36高強鋼，屈服應力Fy=355 MPa。根據(jù)美國鉆井船設計指南和美國移動式鉆井平臺入級與建造規(guī)范(ABS MODU)[4]，鉆臺設計的許用等效應力見表2。

表2 鉆臺設計許用等效應力

2 結(jié)構計算研究

2.1 有限元分析模型

本文鉆臺箱型梁及甲板結(jié)構采用CQUAD4和CTRIA3殼單元模擬，加強筋和扶強材利用梁單元模擬[5]。除局部高應力區(qū)采用細網(wǎng)格(尺寸為50 mm×50 mm)外，其他區(qū)域均采用粗網(wǎng)格(尺寸約為700 mm×700 mm)，鉆臺整體有限元模型如圖3所示。

2.2 載荷及工況組合

該鉆井船采用雙聯(lián)井架，高度約為70 m。無論是受風面積還是與高度密切相關的慣性力，最終均反映為鉆臺主要載荷之一的井架載荷。環(huán)境載荷主要包括：鉆井系統(tǒng)作業(yè)時產(chǎn)生的可變載荷(見表3)；鉆臺本身結(jié)構及安裝在其上的固定設備、管系和電纜等固定載荷[6]；風、浪引起的慣性載荷和風載荷?；谠撱@井船設計的技術要求，鉆臺設計基本載荷、組合工況和環(huán)境條件主要參數(shù)見表3。

表3 鉆臺設計載荷及工況

2.3 船體運動引起的慣性載荷

由于鉆井船在所有工況下都處于漂浮狀態(tài)，在風、浪共同作用下船體產(chǎn)生橫搖、縱搖及垂蕩等運動。鉆臺上設備多、質(zhì)量大且所處高度高，導致慣性載荷較大。當船體發(fā)生縱搖時，鉆臺慣性載荷為

(1)

ay=0

(2)

(3)

式中：ax為縱搖時x方向的加速度；ay為縱搖時y方向的加速度；az為縱搖時z方向的加速度；VP為縱搖中心到重心的垂向距離；LP為縱搖中心到重心的縱向距離；H為船體升沉運動幅度；TP為縱搖周期；Th為升沉周期；go為重力加速度；φ為縱搖角。

2.4 風載荷

風載荷主要通過井架、風墻和立根盒等結(jié)構和大型設備反映到鉆臺結(jié)構上，是影響鉆臺結(jié)構強度和設計的另一關鍵載荷[7]。根據(jù)ABS MODU規(guī)范，風壓P及風力F相關計算公式如下：

(4)

F=P×A

(5)

式中：系數(shù)f= 0.611；Vk為風速；Ch為高度系數(shù)；Ss為形狀系數(shù)；A為受風面積。

鉆臺結(jié)構和風墻所受風載荷可直接以風壓形式施加到相關結(jié)構上；井架所受風載荷則像井架所受其他載荷一樣，均反映在井架支腿支反力載荷上；其他設備所受風載荷的施加方法為：由相關設備廠商提供設備的受風面積，將風力F施加于設備風心處[8]。

2.5 邊界條件

位于船中的鉆臺不僅受到表3中作業(yè)和環(huán)境載荷的作用，還受到船體梁變形的影響。因此，邊界條件的合理設置是鉆臺強度分析的關鍵。由于各工況下海況及裝載不同，船體梁變形引起的邊界效應也會有所區(qū)別。本文主要分析鉆臺在4種工況下的船體梁變形，并提取相關數(shù)據(jù)對鉆臺邊界設置強迫位移約束。其中，通過總強度分析得到遷航工況下的船體梁變形如圖5所示。相應邊界條件的施加如圖6所示。

圖5 遷航工況下的船體梁變形示例 圖6 遷航工況下邊界條件

3 結(jié)果分析

通過計算可知：船體梁變形是影響鉆臺強度的主要載荷之一。通過總強度計算可知：遷航工況下波浪載荷最大，導致船體梁變形較大。因此，鉆臺結(jié)構強度控制工況為遷航工況。其中，主梁結(jié)構的最大von Mises應力為179 MPa，發(fā)生在遷航工況下風浪方向為45°時，應力分布如圖7所示。鉆臺最大變形為54.2 mm，與跨長之比為1/465。鉆臺支腿結(jié)構的最大等效應力為310 MPa，發(fā)生在遷航工況下風浪方向為135°時，應力分布如圖8所示。

圖7 控制工況下鉆臺主梁的應力云圖 圖8 控制工況下鉆臺支腿結(jié)構的應力云圖

觀察鉆臺主要結(jié)構應力分布特點發(fā)現(xiàn)：鉆臺最大應力分布于箱型梁間連接角隅區(qū)域，主要由應力集中所致。因此，設計時應盡量避免在相關區(qū)域開孔，否則應做特殊加強，以使結(jié)構滿足強度要求。鉆臺支腿應力主要與環(huán)境載荷施加方向密切相關，設計相關結(jié)構時應著重把握鉆臺支腿與主梁、鉆臺支腿與主船體間肘板的過渡(如圖9～圖10所示)，以保證鉆臺主要結(jié)構與主船體主要承載結(jié)構間順利地進行載荷傳遞。

圖9 支腿與主梁連接肘板設計及應力分布圖 圖10 支腿與主船體連接肘板設計及應力分布圖

4 結(jié) 語

(1) 遷航工況為鉆井船鉆臺結(jié)構強度分析的主要控制工況，其結(jié)構設計的重點在于支腿與主梁間過度肘板的設計。

(2) 相比鉆井平臺，鉆井船承受的環(huán)境載荷一般較大，且運動更加頻繁劇烈。鉆臺最大應力分布于箱型梁間連接角隅區(qū)域，設計時應盡量避免在該區(qū)域開孔。對于此類特殊結(jié)構的設計還應注意其結(jié)構剛度及疲勞強度問題。