海上井噴搶險“三分支”引火筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

張帥 苗典遠 蔣凱 鞠少棟 董延明 張文喜

1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；2. 國家海上油氣應(yīng)急救援渤海(天津)基地；3. 中海油能源發(fā)展股份有限公司井控安全與應(yīng)急技術(shù)重點實驗室

在石油勘探開發(fā)作業(yè)過程中，一旦發(fā)生井噴失控，極易引發(fā)爆炸和火災(zāi)，進而導(dǎo)致極端惡劣的事故災(zāi)難，嚴(yán)重威脅人員、環(huán)境和油氣資源安全［1-3］。救援井施工周期長，易產(chǎn)生次生事故，因此目前井噴失控搶險作業(yè)推薦使用源頭控制法［4］，恢復(fù)對井口的控制。其主要作業(yè)程序包括清除井口附近障礙物、切割井口殘骸、重建井口、壓井4個步驟，最終達到一級井控狀態(tài)［5-8］。由于井噴著火后伴隨高強度熱輻射(火焰溫度通常超過1 500 ℃)［5］，人員及設(shè)備無法靠近井口區(qū)，搶險作業(yè)通常會利用引火筒及配套工具［9-11］，將井噴流體(油、氣、鉆井液、火等)引至上方，保障搶險作業(yè)人員及設(shè)備安全。

根據(jù)現(xiàn)有文獻，引火筒技術(shù)早在1941年控制科威特油井大火時就已開始應(yīng)用［1］，其原理是通過將一根適當(dāng)長度的鋼管罩在失控的井口，利用“煙囪效應(yīng)”［12-15］將大火/井噴流體集中引向高空，使井口周圍產(chǎn)生負壓，同時起到降溫防護的作用，然后通過快速移開引火筒［16］、消防水炮封頂［5］、底部注氮［1,17］等方式，達到滅火的效果。四川油氣井滅火公司已經(jīng)成熟應(yīng)用該技術(shù)于多次井控應(yīng)急搶險作業(yè)［6,9,10,17-18］，后為避免井口附近作業(yè)期間發(fā)生燃爆、起火，以及潛在的H2S威脅，逐步開始推廣利用引火筒進行帶火作業(yè)［19-21］。

國內(nèi)外學(xué)者及作業(yè)人員針對引火筒進行了一些理論研究及改造應(yīng)用，艾才云［17］利用自由淹沒射流理論得出計算引火筒最小長度公式，王偉［22］對不同尺寸引火筒產(chǎn)生的阻力系數(shù)進行了理論分析，徐州徐工基礎(chǔ)工程機械有限公司［23-24］對旋挖機進行改造，研制了一種多功能遠程遙控的井噴救援車，中海油研究總院［25］設(shè)計了一種海上自走式搶裝井口作業(yè)器，中海油能源發(fā)展股份有限公司［11］和合力(天津)能源科技股份有限公司［26-28］設(shè)計了可避免火焰燒斷鋼絲繩的引火筒結(jié)構(gòu)及配套裝置。

綜上所述，國內(nèi)外對引火筒的研究與應(yīng)用均取得了相應(yīng)成果，但均不適用于海上生產(chǎn)平臺多井口同時敞噴所面臨的復(fù)雜工況［29-32］。為解決這一問題，設(shè)計了一種新型“三分支”引火筒，并對其進行強度評估及吊裝安全分析，判斷其在惡劣工況下的安全性能。

1 “三分支”引火筒設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)

“三分支”引火筒結(jié)構(gòu)包括引火筒和三分支旋轉(zhuǎn)機構(gòu)兩部分。三分支旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可通過角度旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對生產(chǎn)平臺叢式井口的高度配合，其核心部件包括3個引火筒懸掛部件、角度調(diào)整部件及中間連接部件，每個引火筒懸掛部件與角度調(diào)整部件之間通過對應(yīng)的中間連接部件相連接。

如圖1所示，引火筒懸掛部件由懸掛筒和限位螺栓兩部分組成，懸掛筒通過限位螺栓固定于對應(yīng)引火筒的外圍。角度調(diào)整部件由中心軸和旋轉(zhuǎn)外筒組成，二者通過鎖定鍵完成配合，中心軸采用了3層結(jié)構(gòu)設(shè)計，每層設(shè)計了角度為15°的均布齒輪。中間連接部件包括與懸掛外筒連接的上支撐架和下支撐架，且三者形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。

圖1 “三分支”引火筒結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of “three-branch” flow tube

1.1.1 引火筒

引火筒分為?350 mm引火筒、?410 mm引火筒、?610 mm 引火筒3種尺寸，3種尺寸的引火筒通過限位螺栓與相應(yīng)懸掛筒配合。參照“70 MPa 6BX型環(huán)形法蘭規(guī)格”及渤海某生產(chǎn)平臺結(jié)構(gòu)，設(shè)計三分支引火筒，如圖2所示。

1.1.2 懸掛筒

考慮到事故現(xiàn)場平面度問題，對3種尺寸引火筒分別設(shè)計了懸掛筒，引火筒上端3 m位置設(shè)計了調(diào)整槽，引火筒可以在懸掛筒內(nèi)部上下移動。當(dāng)移動到設(shè)計位置時，通過限位螺栓鎖定，懸掛筒配套?70 mm限位螺栓。

圖2 引火筒Fig. 2 Flow tube

1.1.3 角度調(diào)整部件

為實現(xiàn)3個引火筒之間夾角的調(diào)整，設(shè)計有中心軸及旋轉(zhuǎn)外筒，中心軸及旋轉(zhuǎn)外筒采用齒輪方案，最小調(diào)整角度為15°，當(dāng)角度調(diào)整完成后，在齒輪槽中安裝鎖定鍵鎖定角度。中心軸與旋轉(zhuǎn)外筒配合如圖3所示。

圖3 中心軸與旋轉(zhuǎn)外筒配合圖Fig. 3 Match between central shaft and rotary outer cylinder

1.1.4 中間連接部件

支撐部件設(shè)計中，選取長6 m、腰高×腿寬×腰厚為160 mm×88 mm×6 mm工字鋼作為支撐架，通過焊接與旋轉(zhuǎn)外筒及懸掛筒連接。工字鋼材質(zhì)為AH690，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強度σs不小于690 MPa，極限抗拉強度σb為770～940 MPa。

1.2 工作原理

使用時，根據(jù)事故井口相對位置，將各引火筒旋轉(zhuǎn)到合適的位置，通過鎖定鍵固定旋轉(zhuǎn)角度，再連接頂部緊固套，保證鎖定鍵安裝好后不脫出。

選擇相應(yīng)尺寸的引火筒，將引火筒與懸掛筒連接好后，通過限位螺栓固定。根據(jù)事故現(xiàn)場情況，調(diào)節(jié)引火筒高度，確保重心穩(wěn)定。下放過程中，在輔助牽引環(huán)內(nèi)連接鋼索及絞車，輔助整套設(shè)備的下放及位置調(diào)節(jié)。

2 強度評估

“三分支”引火筒主要的連接方式為工字梁焊接和螺栓定位連接，在整體結(jié)構(gòu)中，存在安全風(fēng)險的位置為懸掛筒與引火筒之間的限位螺栓，可能出現(xiàn)的失效為屈服失效和剪切失效。因此，需對限位螺栓部位進行強度分析，以判斷其是否滿足使用要求。

吊裝過程中，引火筒對連接螺栓的作用力全部來自于自身重力，為便于分析，將其簡化為引火筒短節(jié)，簡化后的懸掛筒和引火筒模型如圖4所示。

圖4 懸掛筒和引火筒模型Fig. 4 Model of suspension cylinder and flow tube

施加垂直向下的載荷模擬自身重力，對限位螺栓進行受力分析。以?610 mm引火筒為例，其受力分析參數(shù)為：引火筒質(zhì)量為5 351 kg，引火筒和限位螺栓材料為35CrMo。35CrMo屈服強度不小于835 MPa，剪切強度不小于584 MPa。

從圖5可以看出：最大等效應(yīng)力發(fā)生在限位螺栓與溝槽接觸端面處，為618 MPa，小于螺栓的屈服強度835 MPa。從螺栓切向應(yīng)力云圖可以看出，最大剪切力在螺栓與懸掛筒接觸內(nèi)表面，為78.9 MPa，小于螺栓剪切強度584 MPa，螺栓強度滿足要求。

圖5 螺栓等效應(yīng)力與切向應(yīng)力云圖Fig. 5 Equivalent stress and shear of screw bolt

從圖6可以看出，引火筒最大等效應(yīng)力發(fā)生在限位螺栓與限位槽連接處，由于圓柱面與平面接觸面積較小，產(chǎn)生了較大應(yīng)力。最大應(yīng)力為749.49 MPa，小于連接件的屈服強度835 MPa，因此引火筒強度滿足要求。

圖6 ?610 mm引火筒等效應(yīng)力云圖Fig. 6 Equivalent stress of ?610 mm flow tube

?350 mm引火筒、?410 mm引火筒、?610 mm引火筒的質(zhì)量分別為1 974 kg、2 636 kg和5 351 kg。本文對最重的?610 mm引火筒進行了分析，結(jié)構(gòu)強度滿足要求，因此，3種尺寸引火筒結(jié)構(gòu)強度均滿足要求。

3 吊裝安全分析

“三分支”引火筒吊裝過程安全分析主要考慮3種工況：一是起吊后整體受力情況，引火筒強度是否滿足要求，由于三分支引火筒3個支腿角度可調(diào)，其重心位置隨角度變化而變化，以三支腿各成120°夾角進行分析；二是在吊運引火筒至井噴井口上方時，井口噴出物的沖擊作用對吊運平衡的影響；三是在風(fēng)速為6級情況下(搶險工程船作業(yè)允許的最高風(fēng)速)，風(fēng)力載荷對引火筒整體結(jié)構(gòu)的影響。

3.1 三維幾何模型優(yōu)化及吊點設(shè)置

首先對幾何模型進行簡化，忽略倒角結(jié)構(gòu)，各子結(jié)構(gòu)之間采用固定連接。根據(jù)引火筒質(zhì)量15.7×103kg以及重心的相對位置，設(shè)計吊點位置，采用三吊點設(shè)計，其中2個吊點位于連接?350 mm引火筒和?410 mm引火筒工字梁的中點處，另一吊點位于連接?610 mm引火筒的工字梁上，距離引火筒2 m。同時配用3根鋼絲繩，長度分別為14.2、14.2、13.6 m。

3.2 模型網(wǎng)格劃分及求解

對模型進行網(wǎng)格劃分，由于模型整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格劃分，部分結(jié)構(gòu)采用四面體網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)為142 415，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.65，滿足計算需求。

整體采用穩(wěn)態(tài)計算方法，考慮鋼絲繩的特性，鋼絲繩采用特殊的link180單元，該單元只承受拉力，不承受扭矩，其余結(jié)構(gòu)采用常規(guī)實體單元?？紤]井噴流體對引火筒的作用力，假定井天然氣產(chǎn)量200×104m3/d，取引火筒截面積的一半為作用面積，忽略氣體黏度，可近似求得作用于引火筒截面的壓強約為50 716 Pa［11］。

3.3 仿真結(jié)果分析

圖7為引火筒在僅承受自身重力情況下的應(yīng)力云圖，可以看出，該結(jié)構(gòu)承受最大等效應(yīng)力約為532 MPa，位置在與最重的?610 mm引火筒連接的工字梁上端面和下端面處，工字梁材料的屈服強度為690 MPa，符合強度要求。

圖8(a)為引火筒在承受井口沖擊力下的應(yīng)力云圖，可以看出，由于相對于引火筒整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量而言，所受沖擊力相對較小，引火筒的等效應(yīng)力強度變化不大，最大等效應(yīng)力由532 MPa降至492 MPa，符合強度要求。

圖7 引火筒在重力作用下的等效應(yīng)力云圖Fig. 7 Equivalent stress contour of flow tube under the action of gravity

圖8 引火筒在承受井口沖擊力下的等效應(yīng)力和橫向位移云圖Fig. 8 Equivalent stress and lateral displacement contour of flow tube under the action of wellhead impact

觀察此狀態(tài)下的引火筒位移云圖，如圖8(b)所示，可以看出，引火筒最大位移基本不變，位移為348.02 mm，可見在井口沖擊力作用下，引火筒整體偏移較小。

圖9(a)為6級風(fēng)作用下的引火筒應(yīng)力云圖，即引火筒在側(cè)向風(fēng)載下的受力情況，通過應(yīng)力云圖可以看出，由于風(fēng)載相對于引火筒質(zhì)量較小，引火筒等效應(yīng)力強度變化不大，最大等效應(yīng)力為495 MPa，符合強度要求。

如圖9(b)所示，引火筒最大迎風(fēng)向位移處同樣為引火筒下端面，偏移量為353.12 mm?？梢娫?級風(fēng)作用力下，引火筒整體偏移較小。

圖9 引火筒在風(fēng)載下的等效應(yīng)力和橫向位移云圖Fig. 9 Equivalent stress and lateral displacement contour of flow tube under wind load

4 結(jié)論

(1)結(jié)合引火筒滅火機理及生產(chǎn)平臺搶險難題，設(shè)計了用于海上井控搶險的“三分支”引火筒，作業(yè)時可根據(jù)井口分布調(diào)整3個引火筒之間的角度和高度，配合鋼絲繩和絞車進行井噴搶險作業(yè)。

(2)利用ANSYS建立了有限元模型，并對應(yīng)力集中的螺栓連接處進行強度評估，結(jié)果表明設(shè)計滿足強度要求。

(3)對惡劣井噴工況下的吊裝進行了仿真分析，結(jié)果表明，設(shè)計的“三分支”引火筒在200×104m3/d氣井井噴環(huán)境下最大等效應(yīng)力為492 MPa，最大偏移量348.02 mm；在6級風(fēng)環(huán)境下最大等效應(yīng)力為495 MPa，最大偏移量為353.12 mm，均能滿足搶險作業(yè)需求，該研究結(jié)果可為生產(chǎn)平臺井噴搶險引火筒結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)提供參考。