海洋模塊鉆機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法適用性研究

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(1.中海油 研究總院，北京 100028；2.中海油 能源發(fā)展邊際油田開發(fā)項目組，天津 300457；3.西安特種設(shè)備檢驗檢測院，西安 710065)

目前，無論固定式生產(chǎn)平臺或者深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)，都離不開海洋鉆機。海洋模塊鉆機主要擔負鉆井、完井及油氣井生命周期結(jié)束后的棄井使命。由于模塊鉆機需要經(jīng)受海洋環(huán)境下的各類環(huán)境載荷和鉆完井作業(yè)期間的交變載荷，需要全面考慮模塊鉆機的作業(yè)環(huán)境與作業(yè)載荷，保證鉆機結(jié)構(gòu)能夠在各類載荷作用下仍保持安全狀態(tài)[1]。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計方法至關(guān)重要。

國際上通用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有2種，即工作應力法(WSD)和載荷與抗力系數(shù)法(LRFD)[2-3]。國內(nèi)外專家學者一直在討論哪一種設(shè)計方法更適合于海洋石油開發(fā)，更容易被設(shè)計者接受并采納[4-5]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

1.1 工作應力法

工作應力法即結(jié)構(gòu)受力桿件在工作狀態(tài)下的實際應力不能超過材料的允許應力，亦稱為許用應力法。工作應力法在海洋石油設(shè)計領(lǐng)域應用較為廣泛，例如美國石油學會已頒布了新版的設(shè)計規(guī)范API RP 2A-WSD的第三次增補，是API基于工作應力法進行海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、建造的系列標準。

工作應力法表達式如式(1)。

σ=[σ]=σs/Ω

(1)

式中：σ為工作應力，MPa；[σ]為許用應力，MPa；σs為材料的屈服極限，MPa；Ω為安全系數(shù)。

工作應力法可理解為給出一個指定的安全系數(shù)，以此來度量因材料達到屈服強度破壞或桿件進入屈曲狀態(tài)而失效的抵抗能力。

1.2 載荷與抗力系數(shù)法

載荷與抗力系數(shù)法即根據(jù)各種可能的極限狀態(tài)計算出構(gòu)件強度，用該強度乘以抗力系數(shù)確定設(shè)計構(gòu)件的承載力，將構(gòu)件承載力與構(gòu)件的結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力值進行比較[6]。由于該設(shè)計方法的復雜性，對于每個不同載荷都需要取相應的系數(shù)，以此來得到趨近一致的可靠度，因而載荷與抗力系數(shù)法應用的范圍有限。美國石油協(xié)會于1993年曾頒布了的API RP 2A—LRFD第一版設(shè)計標準，并于2002年進行了第一次增補。

載荷與抗力系數(shù)法表達式如式(2)。

F≤Φ×Fn=Φ×σs×A

(2)

式中：F為構(gòu)件許用承載能力，kN；Fn為名義抗力，kN；Φ為抗力系數(shù)。

相對于WSD，雖然LRFD規(guī)范較復雜，但其依據(jù)的設(shè)計理論及試驗結(jié)果比WSD的公式來源更具有說服力。另外,LRFD法引入了結(jié)構(gòu)可靠度的概念，使得采用LRFD設(shè)計的各種構(gòu)件均能達到一致的可靠度和安全性。

2 兩種設(shè)計方法的區(qū)別與聯(lián)系

2.1 桿件承載能力計算方式

根據(jù)WSD和LRFD 2種結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的表達式，可了解兩者的主要區(qū)別，即計算結(jié)構(gòu)桿件承載能力的方式不同。WSD法通過給定一個指定的安全系數(shù)，以此來衡量結(jié)構(gòu)桿件是否達到破壞程度；而LRFD法則以極限狀態(tài)法為依據(jù)，通過對結(jié)構(gòu)桿件的極限強度乘以抗力系數(shù)，以此作為結(jié)構(gòu)桿件的承載能力來度量結(jié)構(gòu)桿件在受力狀態(tài)下是否達到破壞程度。

2.2 載荷組合系數(shù)

根據(jù)API RP 2A規(guī)范和AISC規(guī)范中，對于2種設(shè)計方法的載荷組合推薦公式，可以清楚地了解2種載荷組合的主要區(qū)別。

WSD法：Q=D+L+W

(3)

LRFD法：Q=rdD+r1L+rwW

(4)

式中：Q為桿件所受載荷，kN；D為固定載荷，kN；L為可變載荷，kN；W為風載荷，kN；rd,rl,rw為相應的載荷系數(shù)。

由于本文主要針對海洋模塊鉆機進行適用性研究，而國內(nèi)海洋模塊鉆機的結(jié)構(gòu)設(shè)計均以API規(guī)范為設(shè)計依據(jù)，因此選取API規(guī)范中2種方法采用的載荷組合(根據(jù)API-LRFD(1993)規(guī)范注釋D中的說明，對于甲板上部的非管狀型鋼，采用AISC名義強度公式和抗力系數(shù)以及API的載荷系數(shù)，計算出的結(jié)果相近)。

API WSD:QO=1.0×D+1.0×L+1.0×WOQE=1.0D+0.75×L+1.0×WE

(5)

API LRFD:QO=1.3×D+1.5×L+1.2×WOQE=1.1D+1.1×L+1.35×WE

(6)

式中：QO為操作工況下桿件所受載荷，kN；QE為極限工況下桿件所受載荷，kN；WO為操作工況下的風載荷，kN；WE為極限工況下的風載荷，kN。

2.3 二者之間的聯(lián)系

2種設(shè)計方法的不同點在于載荷組合系統(tǒng)和安全系數(shù)(WSD)或抗力系數(shù)(LRFD)。但是，針對相同結(jié)構(gòu)且承受相同的外部載荷，無論采用何種方法進行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)桿件實際受力狀態(tài)相同，材料屈服極限也相同，不會得出兩種相差較大或相反的結(jié)果。

在開始制定LRFD規(guī)范時，考慮到與WSD規(guī)范的銜接和對應，即同一桿件的承載能力不應由于采用不同的設(shè)計規(guī)范而有所差異。為達到該目標值，對可變載荷(L)與固定載荷(D)的比值進行了調(diào)整，經(jīng)試算，當L/D=3時，采用LRFD規(guī)范取載荷組合1.3D+1.5L和采用WSD規(guī)范取載荷組合D+L，兩者計算得到的桿件承載能力標準值相近。

3 模塊鉆機結(jié)構(gòu)算例

3.1 概述

為驗證采用2種設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的影響，考慮DES模塊作業(yè)期間經(jīng)受動載荷較大，對結(jié)構(gòu)設(shè)計更為嚴苛，本文分別針對7 000 m和5 000 m模塊鉆機的DES模塊進行模擬計算，以驗證2種設(shè)計方法應用在海洋模塊鉆機結(jié)構(gòu)設(shè)計上的區(qū)別與聯(lián)系。模塊鉆機結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 7 000 與5 000 m模塊鉆機結(jié)構(gòu)示意

3.2 載荷及載荷組合系數(shù)

固定式導管架平臺上的模塊鉆機載荷包括4類：①固定載荷。模塊鉆機結(jié)構(gòu)質(zhì)量、設(shè)備質(zhì)量等；②可變載荷。設(shè)備中的液體載荷、泥漿載荷、活載荷等；③作業(yè)載荷。轉(zhuǎn)盤載荷、大鉤載荷、鉆臺上的立根載荷等；④風載荷。操作工況和極端工況下的風載荷。

模塊鉆機在操作工況和極端工況下的載荷組合系數(shù)遵循API RP 2A規(guī)范和API 4F規(guī)范，如表1～3。

表1 模塊鉆機API-WSD基本工況

表2 模塊鉆機API-LRFD基本工況

表3 載荷組合

3.3 分析結(jié)果

通過有限元計算軟件對2類模塊鉆機結(jié)構(gòu)進行計算分析，2種方法下的結(jié)構(gòu)桿件強度均滿足規(guī)范要求，即桿件名義應力比(UC值)均小于1。但根據(jù)2類模塊鉆機的計算結(jié)果，采用WSD法設(shè)計的結(jié)構(gòu)桿件名義應力比較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為保守。

3.4 設(shè)計優(yōu)化

為使2種設(shè)計方法下的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果更量化，對采用LRFD法設(shè)計的結(jié)構(gòu)桿件進行優(yōu)化，通過對同一桿件取得與WSD法相近的計算結(jié)果來衡量那一種設(shè)計方法更適用于海洋模塊鉆機設(shè)計。表4為7 000 m模塊鉆機鉆井設(shè)備模塊利用LFRD法設(shè)計優(yōu)化后的計算結(jié)果(5 000 m鉆機計算結(jié)果相似)。

表4 7 000 m模塊鉆機主要桿件計算結(jié)果

國內(nèi)海上固定式平臺上的模塊鉆機結(jié)構(gòu)型式近似，本例中選取的模塊鉆機為典型海洋鉆機配置(7 000 m模塊鉆機和5 000 m模塊鉆機占中海油鉆機保有量90%以上)。根據(jù)優(yōu)化后的計算結(jié)果，當模塊鉆機利用API RP 2A-LRFD法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，2類模塊鉆機優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量占總質(zhì)量的比重小于4%，如表5。

表5 兩類模塊鉆機設(shè)計優(yōu)化結(jié)果

3.5 結(jié)果分析

通過對2類模塊鉆機結(jié)構(gòu)進行試算，采用WSD法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，計算結(jié)果相對保守，結(jié)構(gòu)質(zhì)量相對較大；采用LRFD法(API推薦標準)進行設(shè)計且同一桿件取得相近的計算結(jié)果時，鉆機結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，但優(yōu)化質(zhì)量有限。由于我國各海域的載荷及抵抗力系數(shù)尚未標定，推薦采用WSD法進行海洋鉆機結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.6 工程應用

渤海某油田位于遼東灣海域，WHPA平臺的井口區(qū)沿南北方向共計12排井位，每一排井位在東西方向有4列井位。模塊鉆機DES模塊位于鉆機泥漿模塊的西側(cè)，用于完成鉆井及修井作業(yè)。DES模塊由下底座和可以移動的鉆臺面組成，鉆臺面可以在沿東西方向在不同的井位上滑移，整個DES模塊可在位于平臺主甲板上沿南北方向的滑軌上滑移[7]。

按照API RP 2A-WSD中的規(guī)定對鉆機DES模塊建模(如圖2)。

圖2 DES模塊極限井位結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)本節(jié)所述方法進行載荷模擬后校核結(jié)構(gòu)強度，在極限井位時該鉆機鉆臺處的結(jié)構(gòu)桿件最大變形量為40.6 mm,結(jié)構(gòu)桿件的最大名義應力比為0.89，小于1.0，校核結(jié)果顯示所有桿件均滿足規(guī)范要求。該鉆機自2008年服役以來，已經(jīng)順利完成40余口井的鉆完井作業(yè)任務，作業(yè)效率較高且受到現(xiàn)場作業(yè)及管理人員一致好評。

4 結(jié)論

1) 通過API規(guī)范中的工作應力法(WSD)和抗力系數(shù)法(LRFD)，對同一海洋的模塊鉆機進行分析計算，其結(jié)構(gòu)桿件強度均能滿足API規(guī)范的要求。 但2種設(shè)計方法存在較大的差別， LRFD法力求各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有較為一致、平均和協(xié)調(diào)的安全性和可靠度。

2) 無論AISC規(guī)范還是API規(guī)范中，推薦的抗力系數(shù)均非針對我國海域進行標定,我國尚無權(quán)威機構(gòu)對各海域的抗力系數(shù)進行標定。WSD法通過給定一個既定的安全系數(shù)，適用于所有海域。該方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計時雖稍為保守，但更容易被國內(nèi)外海洋結(jié)構(gòu)工程師所接受，也更符合我國具體需求，且工程應用效果良好。推薦采用WSD法對我國海洋模塊鉆機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。