水下采油樹下部導(dǎo)向框架結(jié)構(gòu)與強度分析

范白濤，王名春，王 彬，于小濤，隋中斐，張會增

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京，100028; 2.威飛海洋裝備制造有限公司，山東 東營，257029)

通過對我國近30套淺水井口采油樹系統(tǒng)的調(diào)研，淺水采油樹系統(tǒng)及其導(dǎo)向框架市場被FMC Technologies、Cameron、VetcoGray(GEOil&Gas)、Aker Solutions和Dril-Quip 5家外國油氣供應(yīng)商所占據(jù)。國內(nèi)在使用過程中存在成本高、采購周期長、后期設(shè)備維護費用昂貴等一系列的問題[1-3]。隨著渤海區(qū)域淺水油氣田的開發(fā)，設(shè)計和研發(fā)具有我國自主產(chǎn)權(quán)的水下采油樹系統(tǒng)及其導(dǎo)向框架，突破 “卡脖子”技術(shù)壁壘勢在必行，同時對提升我國淺水領(lǐng)域海洋裝備的綜合實力也有著跨時代的意義[4]。

按照產(chǎn)品的使用工況，結(jié)合水下采油樹的整體布置，依據(jù)API17D《水下井口裝置和采油樹設(shè)備》規(guī)范，成功設(shè)計出適用于水下采油樹的下部導(dǎo)向框架。使用Solidworks進行三維建模，采用ANSYS WORKBENCH軟件進行力學(xué)性能分析，結(jié)合現(xiàn)場的使用情況，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1 下部導(dǎo)向框架的布置

水下采油樹作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分，在水下生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。下部導(dǎo)向框架作為采油樹關(guān)鍵部件，與完井導(dǎo)向基座連接，在水下采油樹下放和安裝過程中起到至關(guān)重要的作用。它可以將水下采油樹系統(tǒng)精準(zhǔn)坐放到水下井口系統(tǒng)上，大幅提高水下采油樹系統(tǒng)下放和安裝的效率。同時，下部導(dǎo)向框架是水下采油樹附件的主要安裝基座，為水下管路、控制接口、配重板、MQC面板和水下采油樹其他附件提供了固定點。下部導(dǎo)向框架在水下采油樹上的布置如圖1所示。

1-水下采油樹系統(tǒng)及其附件；2-上部框架；3-下部導(dǎo)向框架；4-完井導(dǎo)向基座。

由于下部導(dǎo)向框架與完井導(dǎo)向基座連接,所以根據(jù)完井導(dǎo)向基座立柱的直徑和間距尺寸確定了下部導(dǎo)向框架的接口直徑和間距[5]。完井導(dǎo)向基座的立柱間距為2 585.7 mm×2 585.7 mm，立柱直徑為219.2 mm，完井導(dǎo)向基座導(dǎo)向立柱布置如圖2所示。

根據(jù)已知的完井導(dǎo)向立柱的直徑尺寸和間距確定了下部導(dǎo)向框架的接口內(nèi)徑和間距，下部導(dǎo)向框架的接口間距為2 585.7 mm×2 585.7 mm，接口直徑為273 mm，下部導(dǎo)向框架的接口布置如圖3所示[6]。

圖2 完井導(dǎo)向基座立柱布置

圖3 下部導(dǎo)向框架接口布置

2 下部導(dǎo)向框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

下部導(dǎo)向框架在設(shè)計過程中存在2大難題。

1) 框架選材的問題。如果框架采用普通結(jié)構(gòu)鋼，在滿足水下采油樹系統(tǒng)承載的前提下，框架結(jié)構(gòu)會變得非常復(fù)雜和笨重，增加了水下采油樹下放安裝的難度，同時普通型鋼難以滿足海水下的使用要求。

2) 如何讓采油樹下放變得更加的容易和精準(zhǔn)，從而提高水下采油樹系統(tǒng)安裝的準(zhǔn)確性和效率，解決采油樹系統(tǒng)下放和安裝困難的問題。

針對以上提出的2個設(shè)計難題對下部導(dǎo)向框架進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，框架整體采用高強度結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，在符合海水下使用要求的同時，也使得框架的質(zhì)量減輕，增加采油樹水下安裝的可操作性。下部導(dǎo)向框架主要由導(dǎo)向裝置、外部骨架、內(nèi)部骨架、中心板、中心環(huán)、ROV控制面板和支撐板等組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示[7-9]。

1-導(dǎo)向裝置；2-外部骨架；3-內(nèi)部骨架；4-支撐板；5-ROV控制面板；6-中心板；7-中心環(huán)。圖4 下部導(dǎo)向框架結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向裝置是下部導(dǎo)向框架的核心部件，是解決采油樹系統(tǒng)水下下放和安裝的關(guān)鍵。導(dǎo)向裝置設(shè)計上采用了“上部鋼管加下部喇叭口式組合”的結(jié)構(gòu)形式，喇叭口母線與中心軸的夾角為45°，增加了與完井導(dǎo)向基座導(dǎo)向立柱頂端的接觸空間，提高了水下采油樹下放和安裝準(zhǔn)確性和效率。導(dǎo)向裝置上部采用尺寸為323.9 mm×25.4 mm(外徑×壁厚)X52材質(zhì)的鋼管制造而成，喇叭口結(jié)構(gòu)采用了Q355ND材質(zhì)鋼板加工而成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)

內(nèi)部骨架和外部骨架為下部導(dǎo)向框架主要支撐，同時也是采油樹附件主要固定點。外部骨架采用尺寸為150 mm×150 mm×12 mm(橫截面長度×橫截面寬度×壁厚)材質(zhì)為Q355ND的方管制造而成，內(nèi)部骨架采用尺寸為HW 200 mm×200 mm×8 mm ×12 mm材質(zhì)為Q355ND的焊接H型鋼制造而成。

下部導(dǎo)向框架中心環(huán)與采油樹閥塊組件相連接，通過中心板和螺栓固定在閥塊上，中心環(huán)采用尺寸為923.8 mm×25.4 mm(外徑×壁厚)材質(zhì)為Q355ND焊接圓管制作而成，中心板采用厚度25 mm材質(zhì)為Q355ND的鋼板制作而成。

ROV控制面板是MQC面板及臍帶纜、熱刺插頭和飛線接頭的主要承載板，主要承受MQC面板和臍帶纜帶來的載荷，面板采用厚度20 mm的Q355ND材質(zhì)鋼板板制造，面板后方有3件厚度20 mm筋板支撐。

支撐板增加了整體的承載能力，使整個框架吊裝更加的平穩(wěn)，同時支撐板也是采油樹系統(tǒng)配重板的安裝支撐，主要承受配重板的重力載荷，采用厚度25 mm、材質(zhì)為Q355ND的鋼板板制造。

3 下部導(dǎo)向框架有限元模型

3.1 模型的網(wǎng)格劃分

下部導(dǎo)向框架采用ANSYS WORKBENCH機械網(wǎng)格(Aggressive mechanical)進行網(wǎng)格劃分，大部分零件網(wǎng)格劃分采用掃掠方法，其余少數(shù)零件采用多域掃掠的方法進行網(wǎng)格劃分，從而得到了整個模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果。為了準(zhǔn)確地評估螺栓接口的應(yīng)力，對螺栓接口的關(guān)鍵區(qū)域進行了精細化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 下部導(dǎo)向框架網(wǎng)格劃分

3.2 模型的載荷和邊界條件

下部導(dǎo)向框架通過導(dǎo)向裝置與完井導(dǎo)向基座相連，框架的中心環(huán)和中心板通過螺栓與采油樹閥塊相連。根據(jù)使用要求，下部導(dǎo)向框架在被閥塊支撐和被導(dǎo)向裝置支撐2種工況下，可以承受水下采油樹組件的重力載荷、MQC面板載荷和生產(chǎn)跨接管載荷[10]。

3.2.1 水下采油樹組件的重力載荷

水下采油樹的組件對下部導(dǎo)向框架施加載荷，根據(jù)組合后的重心位置，將合并的重力載荷作為遠端力施加到下部導(dǎo)向框架上，采油樹組件重力載荷明細如表1所示。

表1 水下采油樹組件的重力

圖7 閥塊、彎頭等合并載荷

圖8 配重板載荷

3.2.2 MQC面板載荷

根據(jù)MQC重心位置，將他的重力載荷作為1個遠端力施加到螺栓孔上，同樣將與MQC連接的臍帶纜產(chǎn)生的力和力矩施加到MQC螺栓孔上[11]，MQC載荷分布如表2所示。

表2 MQC載荷分布

圖9 MQC面板重力載荷施加

圖10 MQC對螺栓孔產(chǎn)生的力施加

圖11 MQC對螺栓孔產(chǎn)生的扭矩施加

3.2.3 生產(chǎn)跨接管載荷

在生產(chǎn)短接與閥塊連接螺栓的位置施加遠端力，由于生產(chǎn)短接上的力矩將直接轉(zhuǎn)移到閥塊螺栓孔連接位置，所以同樣在閥塊螺栓連接位置施加扭矩。力和力矩的大小來自API TR 6AF2中對4″法蘭限定，同時考慮到68.9 MPa(10 000 psi)內(nèi)壓，得出法蘭的載荷限定值(如圖12和圖13中圓圈所示)，如表3所示[12-14]。

圖12 4″68.9 MPa(10 000 psi)6BX法蘭載荷限定值(螺栓上緊應(yīng)力為362 MPa)

圖13 4″68.9 MPa(10 000 psi)6BX法蘭載荷限定值(螺栓上緊應(yīng)力為最小轂應(yīng)力值)

表3 API TR 6AF2 4″法蘭的載荷限定值

表3 API TR 6AF2 4″法蘭的載荷限定值

載荷步驟力/N(lb)彎矩/(N·m)(ft-lb)1226 796(50 000)6 674.5(5 000)20(0)16 258.8(12 000)3907 185(200 000)21 678.4(16 000)4680 389(150 000)28 452.9(21 000)5453 592(100 000)37 937.2(28 000)6226 796(50 000)43 356.8(32 000)70(0)51 486.2(38 000)

把得到的法蘭限定載荷數(shù)值作為生產(chǎn)跨接管的遠端力和扭矩，分別施加到生產(chǎn)短接與導(dǎo)向框架連接螺栓位置和導(dǎo)向框架與閥塊連接螺栓位置,如圖14～15所示。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 下部導(dǎo)向框架被閥塊支撐的工況

在下部導(dǎo)向框架被閥塊支撐的工況下，Won-Mi-ses應(yīng)力圖顯示：大部分區(qū)域都在材料的屈服強度范圍內(nèi)，但在螺栓孔拐角處有高度集中的區(qū)域，此區(qū)域最大應(yīng)力值為610.32 MPa(88 529 psi)，超過屈服強度340.70 MPa(50 000 psi)。通過分析得知，應(yīng)力集中是由于尖角引起的。通過對螺栓孔邊緣進行去除尖角，減小了此處的應(yīng)力集中，確保螺栓孔能夠承受MQC板的載荷[15]，下部導(dǎo)向框架被閥塊支撐的工況下Von-Mises應(yīng)力如圖16所示。

圖14 生產(chǎn)跨接管遠端力施加

圖15 生產(chǎn)跨接管扭矩施加

圖16 閥塊支撐工況下Von-Mises應(yīng)力

3.3.2 下部導(dǎo)向框架被導(dǎo)向裝置支撐的工況

在下部導(dǎo)向框架被導(dǎo)向裝置支撐的情況下，Von-Mises應(yīng)力圖顯示：大部分區(qū)域都在材料的屈服強度范圍內(nèi)，在螺栓孔拐角處有高度集中的區(qū)域，最大應(yīng)力609.17 MPa(88 362 psi)，超過屈服強度340.70 MPa(50 000 psi)。通過分析得知，應(yīng)力集中是由于尖角引起的。通過對螺栓孔邊緣進行去除尖角，減小此處的應(yīng)力集中，確保螺栓孔能夠承受MQC板的載荷，下部導(dǎo)向框架被導(dǎo)向裝置支撐的工況下Von-Mises應(yīng)力如圖17所示。

圖17 導(dǎo)向裝置支撐的工況下Von-Mises應(yīng)力

4 結(jié)論

1) 下部導(dǎo)向框架選用高強度結(jié)構(gòu)鋼焊接制造，在滿足承載的情況下，減輕了產(chǎn)品的質(zhì)量，使框架整體結(jié)構(gòu)變得更加簡單、靈活和可靠，增加了在復(fù)雜水下環(huán)境下的可操作性。

2) 框架導(dǎo)向裝置采用“上部鋼管加下部喇叭口式組合”結(jié)構(gòu)，增加了與完井導(dǎo)向基座立柱頂端的接觸空間，提高了水下采油樹系統(tǒng)下放安裝的效率和準(zhǔn)確度，解決了采油樹系統(tǒng)水下安裝難的問題。

3) 通過ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得知下部導(dǎo)向框架大部分區(qū)域都在屈服強度要求范圍內(nèi)。但是，在個別區(qū)域存在應(yīng)力集中的問題，通過去除尖角的方式解決了該區(qū)域的應(yīng)力集中問題，使下部導(dǎo)向框架整體結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，滿足水下采油樹下放、安裝和使用過程中的承載要求。