海洋自升式井架抗風(fēng)能力分析*

楊 靜

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730300)

0 引 言

自升式井架由于其安裝占地面積小、模塊化程度高、拆裝快速及運輸方便等優(yōu)點，越來越受海洋鉆井平臺的青睞[1]。自升式井架在設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)分析為非常重要的一環(huán)，因此大量的鉆機設(shè)計工程師對自升式井架做了結(jié)構(gòu)分析。如楊建平等對海洋自升式井架起升工況做了靜力學(xué)分析[2]，任永強等對東方13-2B平臺的自升式井架作業(yè)工況和起升工況進行了靜態(tài)分析[3]，陳勇等對海洋深井鉆機的自升式井架進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]。筆者發(fā)現(xiàn)以上分析大多著眼于井架主體珩架結(jié)構(gòu)，或起升系統(tǒng)設(shè)計，很少有針對起升后連接井架底段與井架起升部分的節(jié)點進行單獨分析的研究。2019年，渤海地區(qū)發(fā)生了一起海洋平臺自升式井架被強臺風(fēng)刮倒的嚴重事故，事故井架的底段較好的存留在平臺上，但井架起升部分整體脫落掉入海中。這次事故也從另一個方面提出了對自升式井架底段與井架起升部分連接節(jié)點強度研究的需求。筆者以JJ315/47-KZJ自升式井架為例，對該井架底段與二段的連接節(jié)點進行分析。得出自升式井架抗風(fēng)能力薄弱環(huán)節(jié)為底段頂端導(dǎo)輪導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的結(jié)論。為該形式井架的改進提供了依據(jù)。

1 自升式井架結(jié)構(gòu)介紹

JJ315/47-KZJ井架為前開口式無繃繩自升式井架。主要由天車總成、井架主體、二層臺，頂驅(qū)導(dǎo)軌總成、梯子及平臺、起升裝置及立管夾等附件組成。主體分底段、二段、三段、四段、五段、頂段。安裝時先安裝井架底段，然后利用底段內(nèi)的起升裝置，將井架后腿作為導(dǎo)軌，從上至下逐段對井架進行起升。起升到位后，用插板裝置固定并鎖緊井架。

井架二段和底段的連接點共有六個，左右對稱分布。從司鉆側(cè)看，分布如圖1所示(僅顯示底段)。其中，節(jié)點1為滑輪導(dǎo)軌組合(見圖2)，承載主要依靠滑輪和H型鋼的翼緣擠壓，因此只能提供前后方向的位移約束。節(jié)點2、3為插板裝置(見圖3)，可以提供全方位約束。

圖1 單側(cè)支撐點分布示意意圖

圖2 導(dǎo)輪滑軌結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 插板結(jié)構(gòu)示意圖1.底段立柱 2.導(dǎo)輪 3.導(dǎo)軌1.底段立柱 2.插板 3.二段立柱

2 計算分析

2.1 井架參數(shù)

JJ315/47-KZJ自升式井架設(shè)計鉆深為5 000 m，最大靜鉤載3 150 kN，快繩拉力340 kN；立根合容量1 900 kN；設(shè)計操作風(fēng)速為(海拔高度10 m處)：26 m/s，不可遇見風(fēng)暴風(fēng)速：36 m/s，可預(yù)見風(fēng)暴風(fēng)速：48 m/s；環(huán)境溫度：-17～35 ℃；相對濕度：5%～99%。井架高度(含天車)50 m，鉆臺面海拔高度41.3 m。

2.2 SAFI模型

有限元分析軟件SAFI PSE(Petroleum Structural Engineering)是為石油鉆井結(jié)構(gòu)分析進行定制化的三維有限元分析軟件，該軟件內(nèi)嵌了API Spec 4F 4th、AISC ASD 9th等石油鉆機設(shè)計規(guī)范。JJ315/47-KZJ井架主體采用H型鋼，材料為Q355D[5]，為空間珩架結(jié)構(gòu)，在模型中用三維線型兩節(jié)點梁單元，根據(jù)AISC ASD-89設(shè)定各壓桿的無支撐長度。桿件之間的螺栓法蘭連接、雙銷子連接，在有限元模型中均采用固定連接來模擬[6-7]。井架、天車、二層臺等結(jié)構(gòu)均按實際尺寸一比一建模，井架上的梯籠、大鉗平衡重等附件簡化為質(zhì)點添加到模型中相應(yīng)位置，以便于在計算中準確模擬井架的實際受力情況[8]。用剛性實心矩形桿件模擬插板，兩端分別與井架起升部分和井架底段固定；用剛性圓柱模擬導(dǎo)輪，與井架底段固定，與井架二段連接處釋放扭轉(zhuǎn)及垂直方向約束，設(shè)定該桿件只能受壓，使其只能傳遞水平方向作用力，以更好的模擬導(dǎo)輪與導(dǎo)軌的相互作用。井架底段通過銷子耳板組與平臺連接，因此對模型底段與平臺連接處施加除前后方向可轉(zhuǎn)動外其余方向固定的鉸接約束作為模型的邊界條件。

模型按照API Spec 4F 4th規(guī)范進行加載，工況組合按表1進行[9]。

表1 各工況的設(shè)計載荷組合

表1中：TE為游動系統(tǒng)比重：

風(fēng)載按八個方向施加到結(jié)構(gòu)中[10-11]，如圖4所示。

圖4 風(fēng)載加載方向示意圖

2.3 SAFI分析結(jié)果

在表1的工況組合下，該井架主體結(jié)構(gòu)中UC值最大為0.87小于1，位于井架底段右后腿根部，可預(yù)見225度風(fēng)暴工況。因此，該井架主體框架結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力是滿足規(guī)范要求的[12]。

2.4 數(shù)據(jù)提取

從SAFI分析結(jié)果中，導(dǎo)出節(jié)點1、2、3的節(jié)點反力，其結(jié)果遵循全局坐標系(豎直向上為Y軸，X、Z軸見圖4)，保留三位小數(shù)。對每個節(jié)點，分別計算其危險截面上的最大應(yīng)力。以篩選出使截面應(yīng)力達到最大的工況及節(jié)點反力。見表2所列。

表2 各節(jié)點最大受力

2.5 節(jié)點分析

采用SolidWorks三維建模軟件對各節(jié)點進行三維實體建模分析。二段及底段材料為Q355，屈服強度355 MPa，抗拉強度大于630MPa。按API Spec 4F 4th規(guī)范，在風(fēng)暴工況下，應(yīng)力修正系數(shù)為1.33[13]。即屈服：465.5 MPa，抗拉：839.8 MPa。導(dǎo)輪及插板材料性能均優(yōu)于Q355，因此不作為重點。

2.5.1 節(jié)點1

節(jié)點1為導(dǎo)輪導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，由兩導(dǎo)輪和導(dǎo)軌兩部分組成。導(dǎo)輪的直徑290 mm，導(dǎo)軌截面最大尺寸為340 mm左右，因此選擇節(jié)點上下各1m范圍做為建模區(qū)域，模型上下兩端各50 mm范圍做成圓柱體，用以施加載荷和約束，以有效規(guī)避加載部位的應(yīng)力集中對節(jié)點應(yīng)力分布的影響。建模時消除裝配間隙，提高計算效率。

邊界條件：首先對導(dǎo)輪軸心施加軸向(即X軸)位移約束軸承約束，模擬導(dǎo)輪可滾動不可有空間位移的實際情況。因?qū)л唽?dǎo)軌沒有Y軸約束，因此對導(dǎo)軌上下兩端施加限制Y軸位移，其他方向自由的平移約束。

載荷：按表1施加。其中，F(xiàn)X,FZ分別以1/2大小施加在模型上下兩端的端面上，MY以1/2大小施加在模型兩端圓柱面上，MZ以一對力偶的形式施加在模型上下兩端的端面上。

采用四面體單元對模型劃分單元格，運行求解器。得到模型應(yīng)力云圖如圖5所示。從截面應(yīng)力分布云圖上可以很明顯的看出，導(dǎo)軌與導(dǎo)輪接觸的邊沿部分有很高的應(yīng)力集中現(xiàn)象其中最大應(yīng)力為1 395 MPa，高于截面材料的拉伸極限強度，截面被破壞，節(jié)點失效。

圖5 節(jié)點1分析結(jié)果 圖6 節(jié)點2分析結(jié)果

結(jié)果分析：由于扭矩MY的存在，使導(dǎo)軌產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)輪和導(dǎo)軌的接觸由線接觸變?yōu)辄c接觸，使接觸點產(chǎn)生極大的集中應(yīng)力，導(dǎo)軌從此處開始破壞，致使該節(jié)點失效。

2.5.2 節(jié)點2

節(jié)點2為插板銷子結(jié)構(gòu)，由底段立柱、二段立柱、插板銷子三部分組成。插板高度為410 mm，節(jié)點截面最大尺寸為420 mm，但插板承托結(jié)構(gòu)占用一定高度，因此選擇節(jié)點上下各1.5 m范圍作為建模區(qū)域。與節(jié)點1類似，在加載部位建立圓柱體模型，對模型進行消除裝配間隙等處理。

邊界條件：因插板結(jié)構(gòu)能夠提供全方位的約束，所以除底段立柱的上下端面施加固定約束外，不對模型施加其他約束。

載荷：按表1施加。其中，F(xiàn)X,FY,FZ分別以1/2大小施加在模型上下兩端的端面上，MY以1/2大小施加在模型兩端圓柱面上，MX,MZ以一對力偶的形式施加在模型上下兩端的端面上。

采用四面體單元對模型劃分單元格，運行求解器。得到模型應(yīng)力云圖如圖6所示。

其中應(yīng)力最大值為583 MPa，低于抗拉強度，位于二段立柱與插板的接觸點上，往二段與插板擠壓翼緣發(fā)展。貫穿擠壓側(cè)后停止，節(jié)點其余部分應(yīng)力均低于屈服強度。節(jié)點雖有局部屈服現(xiàn)象，但節(jié)點仍有效。

結(jié)果分析：受風(fēng)時，節(jié)點受力較大，但較大的接觸面積減小了應(yīng)力集中度；節(jié)點雖有局部屈服現(xiàn)象，但仍能提供有效的連接。

節(jié)點3的結(jié)構(gòu)、分析結(jié)果與節(jié)點2類似，且其受力小于節(jié)點2受力，經(jīng)分析，其最大應(yīng)力為221 MPa，處于彈性工作范圍。

3 結(jié) 論

在對井架結(jié)構(gòu)分析中，節(jié)點往往會被簡化為簡單的固定連接或鉸接，這與實際情況多有出入，存在隱患。本文以JJ315/47-KZJ自升式井架為例，使用SAFI軟件對井架結(jié)構(gòu)進行整體受風(fēng)分析；然后使用SOLIDWORKS對井架底段與起升部分連接點的受風(fēng)工況進行了三維分析。得到以下結(jié)論：

(1) JJ315/47-KZJ自升式井架抵抗風(fēng)暴的薄弱環(huán)節(jié)為底段頂端導(dǎo)輪導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。

(2) 風(fēng)暴等載荷產(chǎn)生的扭矩為節(jié)點失效的主要誘因。

據(jù)此，有以下改進方法：①增設(shè)連接節(jié)點；②增加節(jié)點約束；例如增設(shè)夾持結(jié)構(gòu)抵抗扭矩和水平載荷；③增加接觸面積，控制應(yīng)力集中程度。

其中：方法①需改變整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計更改較大，不經(jīng)濟；方法②因結(jié)構(gòu)限制，無法實現(xiàn)；又因?qū)л喤c導(dǎo)軌的接觸面積與接觸面硬度成反比，因此可采用橡膠導(dǎo)輪或者增設(shè)緩沖層的方法來實現(xiàn)。