海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)防噴器懸吊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

劉鳳羽

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

石油井控系統(tǒng)是對(duì)油氣井事故進(jìn)行預(yù)防、監(jiān)測(cè)、控制、處理的關(guān)鍵手段，是實(shí)現(xiàn)安全鉆井的可靠保障，防噴器組是井控系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要用于鉆井、試油、修井等作業(yè)過(guò)程中控制井口壓力，通過(guò)防噴器控制裝置、壓井管匯以及監(jiān)測(cè)儀表等防止井噴事故，通常分為環(huán)形防噴器、閘板防噴器以及旋轉(zhuǎn)防噴器等[1]。由于海洋鉆井工程的環(huán)境局限性，新建海洋平臺(tái)井口數(shù)量多，為保障油氣田穩(wěn)定投產(chǎn)，鉆完井效率急劇提高，需要頻繁地移動(dòng)防噴器組作業(yè)。海洋模塊鉆常用的雙閘防噴器組設(shè)備重量為 25～30t，需要在鉆臺(tái)底部設(shè)計(jì)專用的懸吊梁配合提升葫蘆對(duì)防噴器組進(jìn)行移位，所以防噴器懸吊梁需要承受設(shè)備自重以及滑移附加慣性等動(dòng)力荷載，是海洋平臺(tái)鉆井作業(yè)的關(guān)鍵性操作結(jié)構(gòu)。

為保障鉆井作業(yè)的安全操作，以渤海某平臺(tái)模塊鉆機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)API、AISC等規(guī)范[2-3]，采用有限元設(shè)計(jì)軟件 ANSYS對(duì)模塊鉆機(jī)防噴器懸吊梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，在驗(yàn)證優(yōu)化方法可行性的同時(shí)，根據(jù)海洋工程常用結(jié)構(gòu)型材給出推薦設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)形式

為便于海上安裝，海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)集成化程度很高，主要分為鉆機(jī)設(shè)備模塊和鉆機(jī)支持模塊[4]。鉆機(jī)設(shè)備模塊是位于井口區(qū)的鉆井、修井設(shè)備，通常又分為鉆臺(tái)面和下底座兩部分，為滿足各個(gè)井位作業(yè)，將防噴器設(shè)置在上部移動(dòng)模塊-鉆臺(tái)面的底部，保證鉆臺(tái)滑移方向的井位及試壓作業(yè)，以渤海某平臺(tái)模塊鉆機(jī)為例，布置如圖1所示。

鉆臺(tái)面底部設(shè)有集污盒、喇叭口及操作平臺(tái)、各系統(tǒng)管道等設(shè)施，防噴器懸吊梁設(shè)計(jì)需要支撐在鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)主梁上，既要防止與鉆臺(tái)底部設(shè)施干涉，同時(shí)保證提升葫蘆的正常滑移作業(yè)，要求懸吊梁具有足夠的滑移長(zhǎng)度。其結(jié)構(gòu)如圖 2、3所示，沿滑軌長(zhǎng)度設(shè)有5排共10個(gè)支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)最大間距為3.6m。

圖1 鉆井設(shè)備模塊布置圖Fig.1 Arrangement diagram of drilling equipment modules

圖2 防噴器懸吊梁側(cè)視圖1Fig.2 Side view 1 of BOP hanging beam

圖3 防噴器懸吊梁側(cè)視圖2Fig.3 Side view 2 of BOP hanging beam

2 懸吊梁結(jié)構(gòu)校核

2.1 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

防噴器懸吊梁采用SACS軟件進(jìn)行整體計(jì)算，模型如圖 4所示。結(jié)構(gòu)模型包括主梁和支撐立柱，將支撐立柱頂部進(jìn)行全約束，立柱采用Φ168×8圓管，材質(zhì)為20鋼，屈服強(qiáng)度為245MPa，為配合提升葫蘆設(shè)備尺寸，懸吊梁采用非對(duì)稱拼接H型鋼，初始設(shè)計(jì)值為 H400×350×200×25×25×38，材質(zhì)為 DH36，屈服強(qiáng)度為355MPa。

圖4 防噴器懸吊梁SACS計(jì)算模型Fig.4 SACS model of BOP hanging beam

計(jì)算載荷除懸吊梁、支撐立柱自身結(jié)構(gòu)重量外，還包括防噴器和提升葫蘆設(shè)備載荷，對(duì)于結(jié)構(gòu)自重和提升葫蘆豎向?yàn)殪o載荷，考慮 1.1倍安全系數(shù)，防噴器吊裝過(guò)程中存在動(dòng)力荷載，取 1.5倍的動(dòng)力放大系數(shù)計(jì)算，具體荷載如表 1所示。由于防噴器需要在整個(gè)懸吊梁上滑動(dòng)，需要考慮防噴器荷載施加在所有最危險(xiǎn)位置的工況，包括立柱位置以及兩個(gè)支撐點(diǎn)的中間位置。

表1 載荷匯總表Tab.1 Summary table of load factors

依據(jù)API RP 2A和AISC規(guī)范進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)校核，結(jié)果如表2所示。結(jié)構(gòu)變形最大值為1.39mm，規(guī)范要求最大變形不超過(guò)跨距的 1/240，最大 UC值為0.90，均滿足規(guī)范要求。

表2 整體計(jì)算結(jié)果Tab.2 Overall calculation results

2.2 結(jié)構(gòu)局部計(jì)算

由于防噴器作用方式的特殊性，需要對(duì)懸吊梁進(jìn)行局部有限元計(jì)算。選取懸跨距離最大的 3.6m段為對(duì)象，采用 ANSYS軟件進(jìn)行局部建模分析，加載位置為與實(shí)際相符的4個(gè)滾輪作用位置，懸吊梁兩端與立柱焊接位置全約束，模型采用 SOLID45六面體實(shí)體單元，單元尺寸 15mm×15mm，材料彈性模量為207GPa，泊松比為0.3。計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 防噴器懸吊梁局部結(jié)構(gòu)ANSYS模型Fig.5 ANSYS model for local structure of BOP hanging beam

懸吊梁材料屈服強(qiáng)度為 355MPa，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)考慮 0.8倍安全系數(shù)，許用應(yīng)力為 284.0MPa。局部計(jì)算結(jié)果顯示，局部結(jié)構(gòu)最大變形為 1.79mm，位置為懸跨梁中部，如圖 6所示，滿足設(shè)計(jì)要求。懸吊梁最大應(yīng)力發(fā)生在懸吊梁上翼緣與上支撐立柱連接位置，因?yàn)樽畲?Von Mises應(yīng)力為 302.3MPa，高于284.0MPa，如圖7所示，故目前懸吊梁結(jié)構(gòu)局部校核不滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)梁截面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖6 防噴器懸吊梁變形云圖Fig.6 Deformation contour plot of BOP hanging beam

圖7 防噴器懸吊梁Von Mises應(yīng)力云圖Fig.7 Von Mises stress contour plot of BOP hanging beam

3 懸吊梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案

防噴器懸吊梁局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求，根據(jù)Von Mises應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生在懸吊梁上翼緣端部，腹板以及下翼緣應(yīng)力不超過(guò) 150MPa，有較大裕量，可采用加強(qiáng)上翼緣、較弱腹板和下翼緣板的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)海洋工程常用板材規(guī)格特點(diǎn)，對(duì)懸吊梁截面做以下 4種優(yōu)化方案，其中下翼緣寬度受提升葫蘆設(shè)備影響限制寬度為 200mm，梁高限制不低于360mm。

表3 優(yōu)化方案數(shù)據(jù)表Tab.3 Optimization scheme data

表4 優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Optimization results

圖8 方案1 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.8 Von Mises stress contour plot of scheme 1

3.2 優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)對(duì) 4種方案優(yōu)化計(jì)算，局部變形值及 Von Mises應(yīng)力值如表 4所示。4種方案局部變形變化范圍為0.3mm，其中方案4變形最大為2.10mm，滿足剛度及提升設(shè)備正常作業(yè)要求。各個(gè)方案應(yīng)力分布如圖8～11所示，其中方案4最大Von Mises應(yīng)力為318.3 MPa，超過(guò)規(guī)范允許值 284.0 MPa，不滿足規(guī)范要求。方案主要是采用降低梁高，加厚板材的方式進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果顯示，降低梁高后局部變形和應(yīng)力均有所增加，降低梁高后整體抗彎性能降低明顯，通過(guò)加厚板材效果不明顯，可見(jiàn)該方案不可取。方案 1～3均通過(guò)調(diào)整腹板及翼緣板厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明Von Mises應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)考慮建造經(jīng)濟(jì)性，其中方案 1單位重量最小，材料利用率最高，為最優(yōu)化方案。

圖9 方案2 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.9 Von Mises stress contour plot of scheme 2

圖10 方案3 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.10 Von Mises stress contour plot of scheme 3

圖11 方案4 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.11 Von Mises stress contour plot of scheme 4

3.3 優(yōu)化方案驗(yàn)證

通過(guò)局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可知，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，材料的設(shè)計(jì)重量也得到大幅降低，因優(yōu)化設(shè)計(jì)改善了H型鋼截面屬性，使得應(yīng)力分布更加均勻，材料利用率得到提高，重量減輕約12.5%，優(yōu)化效果明顯。另外，將防噴器懸吊梁局部設(shè)計(jì)最優(yōu)解對(duì)防噴器懸掛結(jié)構(gòu)整體校核，如表 5所示，其中最大 UC值為 0.56，最大變形為 1.39mm，滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。

表5 優(yōu)化方案整體計(jì)算結(jié)果Tab.5 Overall calculation results of optimization scheme

4 結(jié) 論

以渤海油田某平臺(tái)模塊鉆機(jī)防噴器懸吊梁結(jié)構(gòu)為例，基于 API、AISC等相關(guān)規(guī)范，對(duì)海洋鉆井防噴器懸吊梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及截面優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)重量降低 12.5%，優(yōu)化效果明顯，提高了材料利用率，滿足工程設(shè)計(jì)需求，經(jīng)濟(jì)性效益顯著。設(shè)計(jì)方法可用于海洋工程其他局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有一定的參考意義。