180 t海洋修井機(jī)底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化*

楊 靜，王 博

(1.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730300;2.中石化中原石油工程有限公司鉆井2公司，河南 濮陽 457001)

0 引 言

底座是石油鉆機(jī)提升系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它承載著鉆機(jī)自身重量和各種工作載荷，是鉆機(jī)提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中最為復(fù)雜的部分之一。對(duì)于海洋修井機(jī)而言，因需搬遷應(yīng)用于不同的海洋平臺(tái)[1]，它的工況更為惡劣。除了普通鉆機(jī)底座的功能外，還需滿足可雙向水平移動(dòng)、小模塊化、高度集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、輕量化等要求[2]。因此在其設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得尤為重要。

180 t修井機(jī)是中海油為旅大16-3CEPA平臺(tái)配套的全新修井設(shè)備。該平臺(tái)共有32個(gè)井槽，呈4×4+4×4排列，井槽間距2 m×1.8 m；平臺(tái)甲板高度28 m，要求鉆臺(tái)面高度35.5 m，甲板導(dǎo)軌中心距11 m，配套井架底部跨距4 m×4.3 m。因此底座橫、縱向移動(dòng)范圍不小于6 m×5.4 m。

針對(duì)該項(xiàng)目的以上需求，將底座分為上下兩部分，配套液壓滑移系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)底座的雙向移動(dòng)功能。并采用SAFI軟件對(duì)底座在各個(gè)井位下各種工況進(jìn)行了計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。使其在滿足安全性、適用性的前提下最大限度的滿足客戶結(jié)構(gòu)輕量化的需求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)

180 t海洋修井機(jī)底座主要由上下移動(dòng)座、鉆臺(tái)擋風(fēng)墻、絞車防雨棚、鉆臺(tái)導(dǎo)軌、BOP吊裝梁、平臺(tái)導(dǎo)軌、坡道、梯子、飄臺(tái)等組成。以上下移動(dòng)座為研究對(duì)象，上下移動(dòng)座結(jié)構(gòu)為滿足底座橫縱向移動(dòng)能力而設(shè)計(jì)[3]，下移動(dòng)座設(shè)計(jì)為可沿甲板導(dǎo)軌縱向(南北)移動(dòng)三步，步長1.8 m；上移動(dòng)座可在下移動(dòng)座上橫向(東西)移動(dòng)3步，步長2 m。

下移動(dòng)座設(shè)在甲板導(dǎo)軌和上移動(dòng)座之間，主要包括左右基座、下移動(dòng)座大梁、導(dǎo)向裝置、鎖緊裝置、走道總成等[4]。下移動(dòng)座是整個(gè)修井機(jī)的基礎(chǔ)，傳遞所有鉆修井作業(yè)產(chǎn)生的力和力矩，因此下移動(dòng)座大梁分為左右大梁，珩架結(jié)構(gòu)，整體式設(shè)計(jì)。兩大梁中心距4 m，整體外形尺寸17 350×4 400×1 100 (mm)。下移動(dòng)座設(shè)計(jì)高度為4.5 m，占整個(gè)底座高度的60%，可為各種修井設(shè)施的安裝和使用提供足夠的操作空間。上移動(dòng)座主要包括上移動(dòng)座大梁、走道總成、走道支撐、導(dǎo)向裝置和鎖緊裝置等。上移動(dòng)座總成包含安裝絞車橇，動(dòng)力系統(tǒng)，絞車系統(tǒng)，液氣系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)、井架系統(tǒng)、鉆臺(tái)、擋風(fēng)墻、鋼絲繩卷筒、值班房、司控房、BOP梁及導(dǎo)軌小車、立管管匯與節(jié)流管匯等結(jié)構(gòu)的位置和預(yù)留接口。上移動(dòng)座主體為鋼架結(jié)構(gòu)，由于考慮制造、安裝、運(yùn)輸方便，上移動(dòng)座主要大梁采用整體焊接式結(jié)構(gòu)，為變截面焊接工字鋼，絞車梁、電機(jī)梁、轉(zhuǎn)盤梁和立根盒梁與主大梁焊接成一體，兩主大梁中心距4 m，整體外形尺寸16 000×4 360×2 125(mm)。上下移動(dòng)座的移動(dòng)通過液缸推拉實(shí)現(xiàn)，通過液壓站的控制，可以實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)座獨(dú)立或聯(lián)合移動(dòng)。

2 結(jié)構(gòu)分析

采用SAFI Quality Software Inc公司的 SAFI 11.0.2軟件對(duì)180T海洋修井機(jī)底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。該軟件是為石油鉆井結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行定制化的三維有限元分析軟件，內(nèi)嵌了API Spec 4F 4th、AISC ASD 9th等石油鉆機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范。為使模型的工況更接近實(shí)際，因此建模范圍包括井架、天車、二層臺(tái)等主要結(jié)構(gòu)。上下移動(dòng)座與相應(yīng)滑軌的接觸點(diǎn)雖然可以移動(dòng)，但除滑移時(shí)均處于鎖定狀態(tài)。因此模型中上下移動(dòng)座的連接采用固定節(jié)點(diǎn)模擬；下移動(dòng)座與甲板的連接采用固定端約束作為模型邊界條件。

模型完全依照API Spec 4F 4th規(guī)范進(jìn)行載荷組合設(shè)計(jì)，工況組合情況見表1所列[5]。表中TE為游動(dòng)系統(tǒng)比重：

表1 各工況的設(shè)計(jì)載荷組合

式中：最大靜鉤載：180 t，最大轉(zhuǎn)盤載荷：180 t，額定立根盒載荷：130 t。

2.1 SAFI模型

模型空間遵循笛卡爾坐標(biāo)系，以大門側(cè)(東)為+X軸，垂直向上為+Y軸，甲板面西北角井槽中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。有限元模型見圖1，此時(shí)模型位于第一井位，其他井位模型在該模型基礎(chǔ)上移動(dòng)得到。

圖1 有限元模型

2.2 分析結(jié)果

在各井位計(jì)算結(jié)果中，篩選出UC值最大的兩個(gè)構(gòu)件，如表2所示。表中Memb ID為構(gòu)件編號(hào)，340、341編號(hào)的構(gòu)件對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)盤后梁中間位置的H型鋼；Comb ID為工況編號(hào)，34、38編號(hào)對(duì)應(yīng)底座作業(yè)135°、315°風(fēng)工況。

表2 各井位最大UC值

從表2中可以看出，井位1的相應(yīng)UC值比其他井位小；井位3則是UC值最大的井位，為該底座的最不利井位。這是因?yàn)橄乱苿?dòng)座左右支撐不對(duì)稱導(dǎo)致的。但各井位各構(gòu)件的UC值均小于1，因此該底座在設(shè)計(jì)工況下是安全可靠的[6]。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)井位3來說，底座各構(gòu)件UC值分布如圖2所示。

圖2 井位3優(yōu)化前的UC值分布

從圖中可以看出，下移動(dòng)座左右大梁最大UC值為0.4，副梁最大UC值為0.07，存在嚴(yán)重的材料利用率不足的現(xiàn)象。因此更換其截面型材規(guī)格，例如：主梁翼緣厚度由30減為25，副梁型材寬度由150降至75，以提高材料利用率。修改后，主梁的最大UC值提高至0.49，副梁最大UC值提高至0.21，仍然滿足設(shè)計(jì)要求。其余部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化情況不再一一敘述。優(yōu)化后，底座在第3井位的UC值分布見圖3，底座部分構(gòu)件UC值增大，但均為超過原最大UC值(包含其他井位)，因此該優(yōu)化是安全的。

圖3 井位3優(yōu)化后的UC值分布

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，需要注意以下事項(xiàng)：①修改下層結(jié)構(gòu)后，會(huì)對(duì)上層及周圍構(gòu)件產(chǎn)生一定影響；因此在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，最好從下往上逐件進(jìn)行，以免對(duì)結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生的影響超出預(yù)期；②可以采用適當(dāng)提高關(guān)鍵部位型材截面的方法來抵消上述不利影響，但需要衡量各自得失；③實(shí)際工況遠(yuǎn)比模擬工況復(fù)雜，因此需控制優(yōu)化幅度在適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

4 結(jié) 論

從中海油的實(shí)際需求出發(fā),筆者采用SAFI 11.0.2軟件對(duì)180T海洋修井機(jī)底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到第3井位為該底座最不利井位；第1井位為最有利井位的結(jié)論。通過計(jì)算、設(shè)計(jì)修改、計(jì)算驗(yàn)證的過程對(duì)底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使該底座在滿足安全可靠的前提下提高了材料利用率，為該底座結(jié)構(gòu)的制造和選材提供了依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)；為客戶和公司節(jié)約了成本，創(chuàng)造了實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果得到了實(shí)踐證明和客戶的認(rèn)可，在這過程中，總結(jié)出的SAFI進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，對(duì)以后的SAFI結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作具有指導(dǎo)性意義。