井架結構裂紋風險分析及修復后安全評估

張士超，曹義威，王 鵬，徐光鵬，吳奇兵，陳小偉

(中海油安全技術服務有限公司，天津 300450)

0 引 言

模塊鉆機井架作為海洋石油鉆完井作業(yè)的重要工程結構，其結構完整性直接影響鉆完井作業(yè)安全[1-3]。井架在鉆完井作業(yè)時主要承受2種工況：頻繁的起下鉆作業(yè)等準靜態(tài)工況；偶然的大噸位解卡作業(yè)等動載工況。其中，循環(huán)的起下鉆工況長期作用會使井架結構產生疲勞裂紋，這種裂紋發(fā)生及擴展速率緩慢，可以在進行八大件年檢及井架無損探傷等定期或不定期檢驗中提前發(fā)現。而大噸位解卡等作業(yè)所帶來的沖擊載荷會產生意想不到的結構裂紋，這種裂紋尺寸大，不可預見，對井架結構承載能力的影響尤為嚴重，需引起足夠的重視。

某海洋平臺模塊鉆機井架在鉆井作業(yè)過程中遭受突發(fā)載荷，致使井架主結構產生了尺寸較大的穿透性裂紋。為保證其滿足后續(xù)鉆井作業(yè)的安全順利進行，在進行井架整體強度分析及裂紋擴展風險分析后，對井架進行加固修復，并對修復部位局部強度進行校核并全面評估井架結構修復后承載能力，確保其滿足作業(yè)載荷要求。

1 井架裂紋缺陷概述

該模塊鉆機井架為K形前開口井架，井架高度為46.4 m，額定載荷為3 150 kN，在某次鉆井作業(yè)過程中，突然出現較大噸位沖擊載荷，導致井架晃動較大，后經現場檢查發(fā)現：井架右側后立柱的腹板出現裂紋及變形，裂紋長度約450 mm；腹板出現鼓出現象，鼓出部位長度約800 mm，鼓出高度約20 mm；H形鋼翼板出現張口現象，張口約6 mm。井架結構缺陷如圖1所示。

圖1 井架結構缺陷

2 裂紋擴展風險分析

2.1 井架整體應力分析

為得到井架出現裂紋部位的局部受力情況，需對井架進行整體應力分析。為減小計算規(guī)模，在建立三維模型時對井架結構進行一定的簡化，忽略井架附屬結構。井架底端為固支約束。井架上體與基段之間通過銷軸連接傳遞載荷，采用耦合約束模擬。載荷施加方式是在天車中心位置施加向下的額定載荷3 150 kN。井架鋼材彈性模量E為2.06×105MPa，泊松比為0.3。井架單元類型采用三維線性梁單元。井架整體在額定載荷下應力及變形情況如圖2所示。

圖2 井架整體在額定載荷下應力及變形云圖

由額定載荷下的應力分析結果可得，井架主桿應力較大，最大應力為200.40 MPa，小于允許應力206.59 MPa([σ]=345 MPa/1.67)，滿足強度要求。

由圖2(a)可知：在靜載作用下井架應力最大值并沒有出現在井架后立柱破壞部位，而是出現在井架上體與下體的軸銷連接處。在實際作業(yè)中，當井架承受動載作用時，軸銷的連接方式會使得該部位釋放一部分沖擊力，該處的應力強度會有所降低。當載荷繼續(xù)向井架下體傳遞時，井架底部固定約束使得后立柱剛度較大，因此，在受到上體傳遞的突然載荷后應力得不到及時釋放，瞬時大噸位載荷使得井架大腿底部產生裂紋。

2.2 裂紋擴展分析

為了解井架裂紋存在的風險，建立破壞部位局部模型并進行裂紋擴展分析[4-10]。根據現場測量數據，將長度為450 mm、深度為12 mm的穿透型裂紋嵌入井架局部模型上。為保證計算精度，同時提高計算效率，在裂紋擴展方向進行網格細化。模型采用六面體網格，井架裂紋擴展有限元模型如圖3所示。

圖3 井架裂紋擴展有限元模型

模型參數如下：以最大主應力失效準則作為損傷起始判據，最大主應力為84.4 MPa，損傷演化選取基于能量、線性軟化、混合模式的指數損傷演化規(guī)律，設置斷裂能G1C=G2C=G3C=43 300 N/m，參數Power=1。

提取井架整體應力分析時井架破壞部位頂部的位移，以位移載荷方式施加到缺陷部位局部模型頂部，計算出含裂紋缺陷局部井架的受力狀態(tài)，如圖4所示。由圖4可知，在井架額定載荷下，井架存在的裂紋不會繼續(xù)擴展，但裂紋尖端應力集中現象明顯。

圖4 含裂紋井架局部應力云圖

為分析裂紋在井架不同變形量作用下的擴展規(guī)律，進行多種位移載荷作用下的裂紋擴展分析，如圖5所示。通過計算提取STATUSXFEM參數可直觀地體現裂紋擴展的狀態(tài)。STATUSXFEM是表征擴展單元狀態(tài)的參量，取值范圍為[0,1]：當取值為0時表示單元不含裂紋；當取值為(0,1)時表示單元部分裂開，裂紋是黏性裂紋；當取值為1時表示單元完全裂開。

圖5 不同頂部豎向位移作用下裂紋擴展形態(tài)

由圖5可知，當井架承受的頂部位移載荷增大時，井架裂紋會逐步擴展：當頂部豎向位移達2.30 mm時井架裂紋開始向下方開裂；當頂部豎向位移達3.00 mm時井架裂紋上邊緣開始向上方開裂；當頂部豎向位移達3.02 mm時井架裂紋突然迅速擴展，并且裂紋擴展方向有朝翼緣轉向的趨勢；當頂部豎向位移達4.20 mm時井架裂紋已經由腹板擴展至翼緣位置，整個結構完全失效?？梢姡S著井架壓縮變形量的增加，裂紋會有進一步擴展的趨勢。

3 井架修復后安全評估

3.1 修復情況

通過井架生產廠家、井架使用單位及第三方認證機構多方溝通研究，最終采用由廠家提供的修復方案。修復設計圖紙如圖6所示。該修復方案是在修復裂紋的基礎上，在井架大腿截面上增加多個加強板，從而提高橫截面積及抗彎剛度，增加井架截面承載軸向應力及彎曲應力的能力。按照該修復方案修復后的現場局部結構如圖7所示。

單位：mm圖6 修復設計方案

圖7 修復后井架實體

3.2 修復部位局部強度校核

為驗證修復后的井架右后立柱結構受力特點，根據修復設計圖紙，建立修復部位局部模型并進行強度分析。提取井架整體應力分析時井架大腿修復局部的頂部位移，施加至該模型，可以得到井架大腿修復后的局部應力分布。

由圖8可知，修復后的井架右后立柱大腿局部最大應力處為軸銷穿孔部位及井架根部，最大應力為193.50 MPa，小于井架的許用應力206.59 MPa，滿足強度要求。應力云圖提示的高應力區(qū)需在后續(xù)作業(yè)工程中加強關注。

圖8 井架大腿修復后額定載荷下應力云圖

3.3 應力測試

SY/T 6326—2019[11]的10.3 a)規(guī)定，井架主要承載件在使用過程中出現開裂、彎曲、變形等情況，應進行井架檢測評定。依據該標準要求，采用如下方法進行井架應力測試[12]。

(1) 對井架設置2個測試截面，共計36個測點，部分測點布置如圖9所示。

圖9 井架應力測試

(2) 加載時通過逐級上提井下鉆具獲得大鉤載荷，載荷值依次為100 kN、200 kN、400 kN、600 kN和800 kN，為減少測試不確定性，重復采集3次，采集應變數據。

(3) 將各載荷下應變數據線性反推至額定鉤載下的應變值，依據標準提供的結構校核公式計算UC值。

分析計算后得出額定鉤載下的結構校核系數最大值為0.40<1，滿足標準要求。依據評級標準該井架可評為A級。但限于該井架發(fā)生過大修事件，建議縮短井架檢測周期。

4 結 論

(1) 對井架結構進行整體建模計算，得出井架的整體應力分布規(guī)律，并確定井架受力最不利位置。建議參照應力分布情況，在作業(yè)前對井架主承載結構做全面細致的外觀檢查。

(2) 由井架裂紋擴展分析可知，井架裂紋的存在會產生嚴重的應力集中現象，進而降低井架承載能力。隨著井架壓縮變形量的增加，裂紋會有逐步擴展的趨勢。

(3) 通過截取井架右后立柱修復部位建立精細的三維模型進行有限元計算，得到修復后的結構強度滿足要求的結論。井架應力測試結果顯示，井架結構滿足設計承載能力要求，評定為A級。但限于該井架發(fā)生過大修事件，建議縮短井架檢測周期。

(4) 建議在井架承受大噸位載荷后及時對結構進行目檢及無損探傷，可盡早發(fā)現井架裂紋缺陷，避免由微小裂紋逐步擴展而引發(fā)重大的安全事故。