基于API標(biāo)準(zhǔn)的HXJ180海洋修井機(jī)作業(yè)強(qiáng)度分析*

孫巧雷 靳祖文 王健剛 馮定 趙鈺

(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心)

孫巧雷,靳祖文,王健剛,等.基于API標(biāo)準(zhǔn)的HXJ180海洋修井機(jī)作業(yè)強(qiáng)度分析.石油機(jī)械,2022,50(11):58-65,72.

0 引言

近年來(lái),油氣資源的開發(fā)逐步由陸地向海洋領(lǐng)域推進(jìn),油氣勘探開發(fā)趨于復(fù)雜化,工程難度日益增大[1]。海洋修井機(jī)作為海洋平臺(tái)修井作業(yè)環(huán)節(jié)中的重要設(shè)備,面臨工作環(huán)境惡劣、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)及勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題,嚴(yán)重影響油氣開發(fā)設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性[2-3]。按照海洋工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),修井機(jī)在投入現(xiàn)場(chǎng)使用之前,應(yīng)預(yù)先對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載極限進(jìn)行測(cè)算,以保證修井機(jī)滿足安全性能要求,避免安全隱患。

近年來(lái),已有不少學(xué)者針對(duì)修井機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度開展了部分計(jì)算和校核工作。周莉莉等[4]利用ANSYS對(duì)HXJ158C型海洋修井機(jī)進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析,得出了修井機(jī)整體的應(yīng)力分布及模態(tài)振型;黃志強(qiáng)等[5]對(duì)某塔形井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元靜力分析和模態(tài)分析,并開展了相應(yīng)的靜力、模態(tài)測(cè)試,以此驗(yàn)證了仿真分析方法的正確性;祝娟等[6]利用ANSYS軟件對(duì)ZT135修井機(jī)底座最大應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算,并通過(guò)應(yīng)力測(cè)試的方式對(duì)其承載能力進(jìn)行了測(cè)試;LIU Z.等[7]通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)井架進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析及優(yōu)化;FENG Z.P.等[8]針對(duì)井架錨樁系統(tǒng)進(jìn)行了分析及優(yōu)化,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了井架承載能力;FU H.D.等[9]通過(guò)有限元法對(duì)井架進(jìn)行了優(yōu)化,研究得出了井架支撐件布置方式、門框結(jié)構(gòu)及危險(xiǎn)截面對(duì)井架腿部應(yīng)力的影響規(guī)律;L.S.STANCIU等[10]針對(duì)桅形井架最大鉤載工況,對(duì)其應(yīng)力和位移分布進(jìn)行了計(jì)算和分析,驗(yàn)證了井架強(qiáng)度安全性。

基于前人的研究,筆者針對(duì)HXJ180修井機(jī),利用ANSYS APDL命令流進(jìn)行建模,并計(jì)算得到修井機(jī)在4種組合工況、8種風(fēng)向下各構(gòu)件單元的主應(yīng)力、等效應(yīng)力、位移、彎矩和彎曲應(yīng)力等,據(jù)此判斷得到修井機(jī)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域?；贏ISC規(guī)范中的UC值判定方法,對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核驗(yàn)證,以此為該修井機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全校核提供理論參考。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及校核方法

1.1 修井機(jī)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

某在役HXJ180海洋修井機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該修井機(jī)井架為兩節(jié)伸縮式∏形井架,采用直立、前開口、無(wú)繃?yán)K結(jié)構(gòu)。在井架升起狀態(tài)下,由下至上分為15節(jié)。井架直立時(shí)高33.0 m,下座主梁跨距13.0 m,井架質(zhì)量約為35.6 t。最大設(shè)計(jì)鉤載為1 800 kN,最大轉(zhuǎn)盤載荷為1 800 kN,滿立根時(shí)立根重力為900 kN。該修井機(jī)抗風(fēng)能力表現(xiàn)為:最大作業(yè)狀況風(fēng)速25.2 m/s(49節(jié)),最大非預(yù)期工況(滿立根時(shí))風(fēng)速47.8 m/s(93節(jié)),最大可預(yù)期工況(無(wú)立根時(shí))風(fēng)速55.0 m/s(107節(jié))。該修井機(jī)僅有井架部分采用了管狀結(jié)構(gòu)作為關(guān)鍵件進(jìn)行連接設(shè)計(jì),其中方管材料均為Q345鋼,彈性模量E為206 GPa,泊松比μ為0.3,密度ρ為7.85×103kg/m3,屈服應(yīng)力σs為345 MPa。

圖1 修井機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Overall structure of workover rig

1.2 計(jì)算載荷及工況分類

作用于HXJ180海洋修井機(jī)上的載荷主要包括:恒定載荷[11](井架、底座以及天車、游車、絞車、轉(zhuǎn)盤等結(jié)構(gòu)附件的自重)、大鉤載荷、立根載荷、轉(zhuǎn)盤載荷和風(fēng)載。

1.2.1 結(jié)構(gòu)附重分類

在HXJ180海洋修井機(jī)中,各結(jié)構(gòu)附件自重包括:天車(18 kN)、立管(12 kN)、游車(50 kN)、撓性板(20 kN)、絞車(300 kN)、轉(zhuǎn)盤(100 kN)、蓄能瓶(30 kN)、鋼絲繩圈(30 kN)、木垛立根(30 kN)、司鉆房(40 kN)、下底基層附件(200 kN)、上底基層附件(300 kN)、循環(huán)控制管匯(80 kN)、二層臺(tái)擋風(fēng)墻(20 kN)、固體和氣體管線(120 kN)、防噴器反式設(shè)備(80 kN)、上底基層擋風(fēng)墻(100 kN)、油井工具及上下底基層上的鋼板100 kN。

1.2.2 風(fēng)載計(jì)算方法

根據(jù)API SPEC 4F—2020(第5版)對(duì)風(fēng)載計(jì)算的逐件法說(shuō)明,修井機(jī)結(jié)構(gòu)的總風(fēng)力應(yīng)該通過(guò)計(jì)算單個(gè)構(gòu)件和附件上的風(fēng)力的向量和來(lái)估算[12]。其中,垂直于個(gè)別構(gòu)件縱軸、擋風(fēng)墻表面或附件投影面積的風(fēng)載計(jì)算公式為:

式中:Fm為垂直于構(gòu)件縱軸、擋風(fēng)墻表面或附件投影面積的風(fēng)載,N;Ki為考慮構(gòu)件縱軸與風(fēng)之間傾角φ的系數(shù)(當(dāng)風(fēng)垂直于構(gòu)件、附件及擋風(fēng)墻,即φ=90°時(shí),Ki=1.0;當(dāng)風(fēng)與構(gòu)件的縱軸成角度φ時(shí),Ki=sin2φ);vz為在指定高度處的當(dāng)?shù)仫L(fēng)速,節(jié)(1節(jié)=0.514 m/s);Cs為形狀系數(shù);A為單個(gè)構(gòu)件的投影面積(構(gòu)件長(zhǎng)度與構(gòu)件相對(duì)于風(fēng)垂直分量的投影寬度的乘積),或?yàn)楦郊诖怪庇陲L(fēng)向上的平面上的投影面積,或?yàn)閾躏L(fēng)墻的垂直表面積,m2。

在指定高度處的當(dāng)?shù)仫L(fēng)速計(jì)算公式為:

式中:vdes為最大額定風(fēng)速,節(jié);β為高度系數(shù)。

1.2.3 工況組合

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況,在對(duì)HXJ180海洋修井機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí),將其組合工況分為以下4種(此處不考慮地震工況):操作工況1,最大鉤載1 800 kN+最大立根載荷900 kN+修井機(jī)結(jié)構(gòu)附重+最大作業(yè)狀況風(fēng)速25.2 m/s;操作工況2,最大立根載荷900 kN+修井機(jī)結(jié)構(gòu)附重+最大作業(yè)狀況風(fēng)速25.2 m/s;非預(yù)期工況,最大立根載荷900 kN+最大轉(zhuǎn)盤載荷1 800 kN+修井機(jī)結(jié)構(gòu)附重+最大非預(yù)期工況風(fēng)速47.8 m/s;可預(yù)期工況:最大轉(zhuǎn)盤載荷1 800 kN+修井機(jī)結(jié)構(gòu)附重+最大可預(yù)期工況風(fēng)速55 m/s。

此外,由于修井機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向復(fù)雜多變,風(fēng)的不可控因素大,需要針對(duì)以上4種工況在不同風(fēng)向角的情況下進(jìn)行修井機(jī)強(qiáng)度分析。根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向情況,指定各風(fēng)向角為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°,則相應(yīng)的分析工況需增加至32種[13]。

1.3 基于AISC規(guī)范的井架強(qiáng)度校核方法

通過(guò)計(jì)算,得到各構(gòu)件單元的主應(yīng)力、等效應(yīng)力、位移、彎矩和彎曲應(yīng)力等,據(jù)此判斷井架的危險(xiǎn)區(qū)域[14],可以發(fā)現(xiàn):危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在井架底座立根區(qū)域前端,且該區(qū)域構(gòu)件在軸向上主要起承壓作用。根據(jù)AISC 360—16美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范中提出的構(gòu)件強(qiáng)度要求[15],當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)件承受彎矩和軸向壓力的組合作用時(shí),其強(qiáng)度需滿足的條件可用UC值來(lái)表示:

式中:Fa為只有軸向力存在時(shí)允許的軸向壓應(yīng)力,MPa;Fb為只有彎矩存在時(shí)允許的軸向壓應(yīng)力,MPa;fa為計(jì)算軸向壓應(yīng)力,MPa;fb為計(jì)算彎曲應(yīng)力,MPa;Cm為計(jì)算系數(shù),取0.85;F′e為歐拉應(yīng)力除以安全系數(shù)后的值,MPa;Fy為材料屈服強(qiáng)度,MPa。以上參數(shù)下標(biāo)x、y代表該參數(shù)對(duì)應(yīng)的彎曲軸。

式(3)中F′e的計(jì)算式為:

式中:E為材料的彈性模量,MPa;K為彎曲平面內(nèi)的有效長(zhǎng)度系數(shù);lb為彎曲平面內(nèi)的實(shí)際無(wú)支撐長(zhǎng)度,m;rb為相應(yīng)的回轉(zhuǎn)半徑,m。

當(dāng)fa/Fa≤0.15時(shí),可利用下式中的條件代替式(3):

2 模型建立

2.1 有限元模型建立

為降低建模難度,減少不必要的工作量,可在保證計(jì)算精度的前提下,將修井機(jī)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[16-19]:①將修井機(jī)中所有桿件焊接處視為可靠的剛性連接;②假定井架上下體之間以及井架與底座之間不會(huì)發(fā)生任何相對(duì)移動(dòng),始終保持相對(duì)固定;③忽略修井機(jī)上的扶梯、護(hù)欄及踏板等對(duì)修井機(jī)承載能力影響微小的構(gòu)件。鑒于HXJ180修井機(jī)中的井架及底座主體部分皆為三維桁架結(jié)構(gòu),不同部位的桿件截面形狀及尺寸參數(shù)存在差異,且修井機(jī)中各桿件不僅要承受沿桿件方向的拉壓力,還需要承受一定的彎矩載荷,因此,采用Beam188單元來(lái)建立修井機(jī)桁架結(jié)構(gòu)模型[20]。

HXJ180修井機(jī)有限元模型建立過(guò)程如圖2所示。建模坐標(biāo)系以井架開口正對(duì)方向?yàn)閄軸正向,以豎直向上方向?yàn)閆軸正向。整個(gè)過(guò)程采用命令流代碼驅(qū)動(dòng)的方式,先創(chuàng)建637個(gè)空間節(jié)點(diǎn),再分別創(chuàng)建1 034個(gè)兩節(jié)點(diǎn)線型梁?jiǎn)卧?最后將提前定義好的41種截面形狀及尺寸(包括矩形鋼、角鋼、工字鋼、管形鋼、槽鋼)賦給各梁?jiǎn)卧?完成修井機(jī)模型的創(chuàng)建[21-22]。

圖2 HXJ180修井機(jī)有限元模型建立Fig.2 Finite element model of HXJ180 workover rig

2.2 邊界條件及載荷施加

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,將修井機(jī)底座與海上平臺(tái)橫梁及甲板之間的連接視為全固定,對(duì)相應(yīng)的單元節(jié)點(diǎn)施加全約束。此外,針對(duì)不同的工況組合,將各重力載荷分別施加到對(duì)應(yīng)的承載單元節(jié)點(diǎn)上,如圖3a所示。在盡量不偏離實(shí)際情況的前提下簡(jiǎn)化加載流程。在施加風(fēng)載時(shí),考慮到水平風(fēng)向角的變化對(duì)風(fēng)力作用方向的影響,將所有的風(fēng)力載荷分解為沿X軸和Y軸的兩個(gè)分量,分別施加到各作用節(jié)點(diǎn)上。按高度將井架整體由上到下均分為6層,分別計(jì)算出每一層的總風(fēng)載大小,并將其均分施加到對(duì)應(yīng)縱梁相交的節(jié)點(diǎn)上,將天車承受的風(fēng)載以同樣的方式均分施加在井架頂部節(jié)點(diǎn)上;實(shí)際作業(yè)中,立管倚靠在左右兩側(cè)排管架上,因此,將立管承受的風(fēng)載以及其對(duì)排管架的倚靠力,均分施加在排管架左右兩側(cè)梁的節(jié)點(diǎn)上。水平方向載荷具體施加形式如圖3b所示。

圖3 邊界條件及載荷施加示意圖Fig.3 Boundary conditions and load application

3 各作業(yè)工況結(jié)果分析

3.1 2種操作工況

通過(guò)計(jì)算,得到操作工況1及操作工況2下,不同風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的修井機(jī)位移及等效應(yīng)力分布情況,分別如圖4和圖5所示。

圖4 操作工況1下的位移(左)及等效應(yīng)力(右)分布Fig.4 Displacement(left)and equivalent stress(right)distribution under working condition 1

圖5 操作工況2下的位移(左)及等效應(yīng)力(右)分布Fig.5 Displacement(left)and equivalent stress(right)distribution under working condition 2

2種操作工況所對(duì)應(yīng)不同風(fēng)向下的最大位移點(diǎn)和最大等效應(yīng)力點(diǎn)的位置均基本保持不變。在操作工況1時(shí),最大位移點(diǎn)位于井架天車座上,井架上體、二層臺(tái)、上移動(dòng)座司鉆側(cè)走道邊緣及氣固體管線承重梁區(qū)域均存在較大位移;最大等效應(yīng)力點(diǎn)位于上移動(dòng)座立根區(qū)域前端,井架上、下體縱梁上也有較大應(yīng)力分布。在操作工況2時(shí),最大位移點(diǎn)位于氣固體管線承重梁處,井架上下體、二層臺(tái)、上移動(dòng)座司鉆側(cè)及對(duì)側(cè)走道邊緣、轉(zhuǎn)盤、上移動(dòng)座立根區(qū)域也存在較大位移,最大等效應(yīng)力點(diǎn)位于上移動(dòng)座立根區(qū)域前端,下移動(dòng)座的左右支座上也存在較大應(yīng)力。

提取2種操作工況下各風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的修井機(jī)最大位移及應(yīng)力值,并根據(jù)AISC 360—16美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范,計(jì)算構(gòu)件的最大UC值,結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 操作工況1各風(fēng)向下最大位移、應(yīng)力和UC值Table 1 Maximum displacement,stress and UC value in various wind directions under working condition 1

由表1和表2數(shù)據(jù)可知:2種操作工況下,風(fēng)向角對(duì)修井機(jī)所受最大應(yīng)力的影響不大,但其對(duì)修井機(jī)最大位移的影響顯著;在風(fēng)向角為0°時(shí),2種工況下的最大位移值分別為為111.1和57.7 mm,達(dá)到對(duì)應(yīng)8個(gè)子工況中的最大。且通過(guò)查看對(duì)應(yīng)的單元信息可以發(fā)現(xiàn):在2種操作工況下,各風(fēng)向角下的修井機(jī)構(gòu)件最大UC值都出現(xiàn)在上移動(dòng)座立根區(qū)域前端位置,但是最大UC值均小于AISC規(guī)范允許的最大值1.0。這表明HXJ180修井機(jī)井架的綜合強(qiáng)度足夠。

表2 操作工況2各風(fēng)向下最大位移、應(yīng)力和UC值Table 2 Maximum displacement,stress and UC value in various wind directions under working condition 2

3.2 非預(yù)期工況及可預(yù)期工況

計(jì)算得到非預(yù)期工況及可預(yù)期工況不同風(fēng)向下,對(duì)應(yīng)的修井機(jī)位移及等效應(yīng)力分布情況,如圖6～圖9所示。由圖6和圖7可知:在此2種工況下,風(fēng)向?qū)ξ灰品植嫉挠绊戯@著,主要集中在井架上體部分及二層臺(tái)區(qū)域;在非預(yù)期工況下,風(fēng)向角為0°、45°、135°、180°、225°和315°時(shí),最大位移點(diǎn)位于井架天車座上;風(fēng)向角為90°和270°時(shí),最大位移點(diǎn)位于二層臺(tái)前端。而可預(yù)期工況下,當(dāng)風(fēng)向角為270°時(shí),最大位移點(diǎn)位于二層臺(tái)前端,其余風(fēng)向?qū)?yīng)的7個(gè)子工況中,最大位移點(diǎn)均位于井架天車座上。2種工況下,風(fēng)向?qū)?yīng)力分布的影響均較小,各風(fēng)向下的最大等效應(yīng)力點(diǎn)始終位于上移動(dòng)座立根區(qū)域前端,如圖8和圖9所示。

圖6 非預(yù)期工況不同風(fēng)向下的位移分布Fig.6 Displacement distribution in different wind directions under unexpected working conditions

圖7 可預(yù)期工況不同風(fēng)向下的位移分布Fig.7 Displacement distribution in different wind directions under expectable working conditions

圖8 非預(yù)期工況下的等效應(yīng)力分布Fig.8 Equivalent stress distribution under unexpected working conditions

圖9 可預(yù)期工況下的等效應(yīng)力分布Fig.9 Equivalent stress distribution under expectable working conditions

針對(duì)此2種工況,提取得到各風(fēng)向角下對(duì)應(yīng)的修井機(jī)最大位移、應(yīng)力及構(gòu)件最大UC值,分別如表3和表4所示。

表3 非預(yù)期工況各風(fēng)向角下最大位移、應(yīng)力、UC值Table 3 Maximum displacement,stress and UC value in various wind directions under unexpected working condition

表4 可預(yù)期工況各風(fēng)向角下最大位移、應(yīng)力、UC值Table 4 Maximum displacement,stress and UC value in various wind directions under expectable working condition

由表3和表4可知:此2種工況下,風(fēng)向角度對(duì)修井機(jī)最大位移值影響顯著;非預(yù)期工況和可預(yù)期工況分別在風(fēng)向角為90°和270°時(shí),最大位移值達(dá)到8個(gè)子工況中的最大。各風(fēng)向角下的修井機(jī)構(gòu)件最大UC值都出現(xiàn)在上移動(dòng)座立根區(qū)域前端,且都小于AISC規(guī)范允許的最大值1.0,表明修井機(jī)的綜合強(qiáng)度足夠。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)建立HXJ180修井機(jī)模型,計(jì)算得到其在4種組合工況、8種風(fēng)向下各構(gòu)件單元的主應(yīng)力、等效應(yīng)力、位移、彎矩和彎曲應(yīng)力,據(jù)此判斷修井機(jī)的綜合強(qiáng)度危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在上移動(dòng)座立根區(qū)域前端。因此在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中,應(yīng)著重關(guān)注該區(qū)域的強(qiáng)度安全。

(2)修井機(jī)氣固管線重力較大,間接作用于上移動(dòng)座立根區(qū)域前端承載梁,立根載荷也作用于該位置,因此在所有工況下,最大等效應(yīng)力點(diǎn)都集中在上移動(dòng)座立根區(qū)域前端區(qū)域,風(fēng)向?qū)ψ畲髴?yīng)力點(diǎn)位置的影響不大。2種操作工況下,風(fēng)向?qū)π蘧畽C(jī)位移分布的影響較小,最大位移點(diǎn)分別位于井架天車座、氣固體管線承重梁區(qū)域;而在非預(yù)期工況及可預(yù)期工況下,風(fēng)向?qū)苌象w部分及二層臺(tái)的位移分布有明顯影響,但最大位移點(diǎn)與操作工況相同。

(3)根據(jù)AISC 360—16美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范中提出的構(gòu)件強(qiáng)度要求,對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域構(gòu)件單元的UC值進(jìn)行了計(jì)算及校核。結(jié)果表明:所有工況下構(gòu)件的最大UC值都出現(xiàn)在上移動(dòng)座立根區(qū)域前端處,且最大UC值都小于1,表明該修井機(jī)的綜合強(qiáng)度滿足安全要求。