450 t在役海洋鉆機(jī)井架應(yīng)力測(cè)試工裝設(shè)計(jì)

王 晶 祝卓華 白 濤

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司 2.中石油西南油氣田公司物資分公司)

0 引 言

450 t海洋井架是我國(guó)海洋石油鉆井中應(yīng)用最廣泛的一種井架。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于風(fēng)災(zāi)、腐蝕、疲勞、拆裝及超載等各種因素的影響，井架會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷缺陷，這些損傷缺陷會(huì)使井架的性能低于原設(shè)計(jì)，導(dǎo)致使用性能未知，存在生產(chǎn)安全隱患[1-3]。為確保海洋鉆機(jī)鉆修井過(guò)程的安全運(yùn)行，準(zhǔn)確測(cè)定在役海洋鉆機(jī)井架的承載能力意義重大[4]。海洋鉆機(jī)井架應(yīng)力測(cè)試是評(píng)價(jià)井架承載能力的一項(xiàng)基礎(chǔ)檢測(cè)工作，通過(guò)測(cè)定不同載荷作用時(shí)井架大腿的應(yīng)力，經(jīng)過(guò)相應(yīng)計(jì)算后即可得到井架的實(shí)際承載能力。目前，在海洋鉆機(jī)井架應(yīng)力測(cè)試時(shí)，井架的載荷施加方式通常有2種：一是直接拉載套管進(jìn)行載荷施加；二是通過(guò)拉載專(zhuān)用工裝進(jìn)行載荷施加。采用拉載套管加載時(shí)容易導(dǎo)致套管損壞而且需要停止鉆進(jìn)作業(yè)，因此一般不推薦此加載方式。采用拉載專(zhuān)用工裝加載時(shí)，一般通過(guò)拉載貼附在轉(zhuǎn)盤(pán)梁上的工裝上以獲得井架載荷[5-6]，采用本加載方式施工時(shí)需要拆卸并回裝喇叭筒及管道等部件，存在工作量大、時(shí)間長(zhǎng)及成本高等問(wèn)題。為了提高工作效率、降低生產(chǎn)成本，本文提出了一種新的載荷施加方案，本加載方案采用鉆機(jī)下底座作為工裝支撐進(jìn)行載荷施加，避免了喇叭筒及管道等部件的拆卸安裝工作。針對(duì)本加載方案，筆者設(shè)計(jì)了一種新型井架應(yīng)力測(cè)試工裝，該工裝應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，滿(mǎn)足450 t海洋鉆機(jī)井架應(yīng)力測(cè)試的要求。

1 工裝技術(shù)分析

1.1 工裝加載方案

海洋鉆機(jī)普遍采用移動(dòng)底座支撐井架，為滿(mǎn)足叢式井鉆井需要，上、下底座必須設(shè)計(jì)無(wú)遮擋的中間通槽，這就為采用下底座工字梁作為工裝支撐提供了通道。鑒于海洋鉆井一般采用頂驅(qū)鉆進(jìn)，大部分平臺(tái)上不配備游車(chē)大鉤，因而可通過(guò)鋼絲繩索具連接工裝與游車(chē)提環(huán)銷(xiāo)來(lái)對(duì)井架進(jìn)行加載，加載方案如圖1所示。

1—天車(chē)；2—井架；3—大繩；4—游車(chē)；5—提環(huán)銷(xiāo)；6—鋼絲繩索具；7—喇叭筒；8—上底座；9—下底座；10—工裝。圖1 海洋井架應(yīng)力測(cè)試加載方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading scheme of offshore derrick stress test

450 t海洋鉆機(jī)井架最大鉤載為4 500 kN，按照SY/T 6326—2019的標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)拉力不得小于井架最大鉤載的20%[7]，因而井架應(yīng)力測(cè)試時(shí)最大試驗(yàn)拉力必須大于900 kN；考慮試驗(yàn)拉載控制難度較大，必須留有一定余量，綜合考慮工裝額定承載為1 200 kN。由于游車(chē)兩提環(huán)銷(xiāo)平行布置，為避免鋼絲繩索具相互摩擦，工裝宜采用兩根工字梁并且相互平行的布置方式，這樣工裝每根工字梁只需承載600 kN的載荷。

工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋼絲繩索具必須穿過(guò)喇叭筒，因此受喇叭筒最小內(nèi)徑及下底座工字梁底面與井口甲板距離的限制，工裝設(shè)計(jì)時(shí)必須保證工裝承載軸間距小于喇叭口最小內(nèi)徑，工裝主體高度不得大于下底座工字梁底面與井口甲板的距離。

1.2 工裝結(jié)構(gòu)方案

圖2為針對(duì)450 t海洋鉆機(jī)井架應(yīng)力測(cè)試設(shè)計(jì)的承載軸式工裝結(jié)構(gòu)圖，主要部件包括承載梁、耳板、承載軸、止退銷(xiāo)、限位塊及加強(qiáng)筋。配套鋼絲繩索具選用6×37M-FC-60，單根額定承載320 kN，長(zhǎng)度15 m，共4根。

1—耳板；2—承載軸/止退銷(xiāo)；3—耳板加強(qiáng)筋；4—承載梁；5—限位塊；6—承載梁加強(qiáng)筋。圖2 工裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic of tooling

2 工裝主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工裝承載梁

如圖2所示，工裝承載梁承受彎矩與剪力作用，以滿(mǎn)足彈性設(shè)計(jì)要求，即工裝承載梁在1 200 kN載荷作用下其正應(yīng)力與剪應(yīng)力必須在相應(yīng)的許用應(yīng)力范圍內(nèi)。為降低制造成本并與現(xiàn)場(chǎng)游車(chē)相適應(yīng)，工裝承載梁采用兩根平行布置并相互連接的焊接工字梁，截面尺寸為400 mm×350 mm×25 mm×25 mm，長(zhǎng)度為2 m，材料選用Q345B鋼，屈服強(qiáng)度σs=335 MPa。下底座工字梁間距(支撐距離)1.5 m，為提高安全性，工裝安全系數(shù)n取2。由此得許用正應(yīng)力[σ]與剪應(yīng)力[τ]為：

[σ]=σ/2

(1)

[τ]=0.6[σ]

(2)

按簡(jiǎn)支梁受集中力作用計(jì)算承載梁的最大正應(yīng)力與剪應(yīng)力，計(jì)算式為：

σmax=MmaxH/(2Iz)

(3)

τmax=FmaxSz/(Izδ1)

(4)

式中：Mmax為承載梁的最大彎矩，N·m，取值600 N·m；Iz為承載梁的慣性矩，m4；H為工字梁的高度，mm；δ1為工字梁的腹板厚度，mm；Fmax為承載梁的最大剪力，N；Sz為承載梁的靜矩，m3。

代入數(shù)值計(jì)算后，σmax=63.8 MPa，小于[σ]；τmax=34.4 MPa，小于[τ]。由此可知，工裝承載梁強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2.2 耳板

耳板是將試驗(yàn)拉力傳遞給工裝承載梁的中間傳力部件，由于采用薄壁件制造且與工裝主體采用焊接方式連接，應(yīng)力測(cè)試時(shí)承受應(yīng)力較大，是整個(gè)工裝中最為危險(xiǎn)的部件。圖3為耳板結(jié)構(gòu)圖。耳板材料選用Q345B鋼，板厚c=35 mm。耳板共4件，兩兩對(duì)稱(chēng)布置于承載梁中間，間距與450 t游車(chē)提環(huán)銷(xiāo)對(duì)應(yīng)，為205 mm。耳板中間?112 mm孔可穿過(guò)?110 mm承載軸，用于連接鋼絲繩索具。

圖3 耳板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural schematic of ear plate

由耳板受力可知，A-A截面承受最大的拉應(yīng)力作用，B-B截面承受最大的剪應(yīng)力作用，計(jì)算式分別為：

σmax=P/S1

(5)

τmax=P/S2

(6)

式中：P為耳板承受的擠壓力，N；S1為A-A截面面積；S2為B-B截面面積。

代入數(shù)值可知，σmax=36.0 MPa，小于[σ]；τmax=72.0 MPa，小于[τ]。

施加拉載過(guò)程中，承載軸與耳板孔壁的接觸形成擠壓應(yīng)力，因此必須對(duì)局部擠壓應(yīng)力σc進(jìn)行校驗(yàn)[8]。σc計(jì)算式為：

σc=P/(cd)

(7)

式中：d為承載軸直徑，mm。

代入數(shù)值后，σc=77.9 MPa，小于[σc]。[σc]為許用擠壓應(yīng)力，[σc]=1.4[σ]=234.5 MPa。如圖3所示，耳板雙面開(kāi)坡口，垂直焊接在承載梁頂部，焊縫屬于T型和角接組合焊縫，由于耳板只承受垂直方向的力且與焊縫長(zhǎng)度方向垂直，通過(guò)下式進(jìn)行焊縫強(qiáng)度σh校核[9]。

σh=P/Ae

(8)

式中：Ae為焊縫有效面積。

代入數(shù)值后，σh=30.6 MPa，小于[σh]。[σh]為焊縫許用強(qiáng)度，[σh]=0.8[σ]=134 MPa。上述計(jì)算結(jié)果表明，耳板強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2.3 承載軸

圖4為承載軸結(jié)構(gòu)圖。承載軸材料采用42CrMo，調(diào)質(zhì)后硬度為269～302 HBW，屈服強(qiáng)度σs=550 MPa。許用正應(yīng)力與剪應(yīng)力計(jì)算為：

[σ1]=σs/2

(9)

[τ1]=0.6[σ1]

(10)

圖4 承載軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural schematic of the bearing shaft

承載軸最大彎曲應(yīng)力σ1max與最大剪切應(yīng)力τ1max計(jì)算式分別為：

(11)

(12)

式中：F為承載軸承受的拉力，kN；l為鋼絲繩的長(zhǎng)度，m；r為承載軸半徑，mm。

代入數(shù)值計(jì)算后，σ1max=235.4 MPa，小于[σ1]；τ1max=42.1 MPa，小于[σ1]。由此可見(jiàn)，承載軸強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

3 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)性分析

中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司TWT-A平臺(tái)鉆機(jī)井架采用垂直伸縮式結(jié)構(gòu)，高度46.33 m，設(shè)計(jì)最大鉤載4 500 kN，在海上服役了16 a，特別是經(jīng)歷2019年多次臺(tái)風(fēng)作用后，急需對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試以評(píng)估井架實(shí)際承載能力。為保障井架應(yīng)力測(cè)試過(guò)程安全，首先對(duì)下底座工字梁和鉆井大繩進(jìn)行了檢測(cè)和計(jì)算等工作。在確保下底座工字梁和鉆井大繩承載能力滿(mǎn)足井架應(yīng)力測(cè)試要求的情況下，按上述設(shè)計(jì)制作了井架加載工裝，使用前還獲得了中國(guó)船級(jí)社的認(rèn)證。依據(jù)SY/T 6326—2019標(biāo)準(zhǔn)要求[8]，擬定分級(jí)加載載荷為0、400、600、800及1 000 kN。工裝安裝過(guò)程簡(jiǎn)單方便，先由平臺(tái)吊車(chē)將工裝運(yùn)至BOP甲板，然后由鉆臺(tái)小絞車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至井口甲板，最后用鋼絲繩索具連接工裝與游車(chē)提環(huán)銷(xiāo)。2020年6月5日在TWT-A平臺(tái)對(duì)井架進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試。井架實(shí)際加載測(cè)試過(guò)程中，分別進(jìn)行了3次循環(huán)加載測(cè)試，總時(shí)間約90 min，其中最大載荷加載到1 210 kN并穩(wěn)載5 min，工裝未出現(xiàn)塑性變形、撕裂以及異響等情況，順利完成了應(yīng)力測(cè)試工作。

本方案采用下底座工字梁作為工裝支撐進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，與采用轉(zhuǎn)盤(pán)梁作為工裝支撐進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試相比，避免了拆卸回裝喇叭口及管道等部件，減輕了海洋平臺(tái)上的工作量，若按照一班5人，工期10 d，每人每天0.15萬(wàn)元的費(fèi)用計(jì)算，采用本方案每次井架應(yīng)力測(cè)試可節(jié)省7.5萬(wàn)元，效益可觀(guān)。

4 結(jié) 論

(1)采用下底座工字梁作為工裝支撐，通過(guò)鋼絲繩索具連接工裝與游車(chē)提環(huán)銷(xiāo)的方式對(duì)在役海洋鉆機(jī)井架進(jìn)行應(yīng)力加載的方案可行，與采用轉(zhuǎn)盤(pán)梁作為工裝支撐加載相比，該方案可有效降低成本，效益可觀(guān)。

(2)以?xún)筛叫胁⑾嗷ミB接的工字梁為主體設(shè)計(jì)的海洋鉆機(jī)井架應(yīng)力測(cè)試工裝結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加載，表明設(shè)計(jì)的新型工裝應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，滿(mǎn)足450 t在役海洋鉆機(jī)井架應(yīng)力測(cè)試的要求。