[太重(天津)濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心，天津 300000]

海洋井架不同工況下的安全性評(píng)估

邳帥郭亮趙志朋

[太重(天津)濱海重型機(jī)械有限公司技術(shù)中心，天津 300000]

為保證井架鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的安全性，通過建立典型海洋井架模型，對(duì)在不同工況、不同風(fēng)向下的井架進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得出井架在不同工況下的最大應(yīng)力并指出其薄弱部位。結(jié)果表明，井架收口處應(yīng)力接近許用應(yīng)力，該結(jié)果對(duì)今后海洋井架的安全評(píng)估具有參考意義。

井架；安全性評(píng)估；有限元計(jì)算

海洋井架是海洋鉆機(jī)的重要組成部件之一，其安裝在鉆臺(tái)底座上，與鉆機(jī)配套使用，用于安放天車、懸掛提升系統(tǒng)、進(jìn)行起下鉆具、排放立根、下套管、處理井下事故等作業(yè)[1]。海洋井架通常由井架主體、二層臺(tái)、擋風(fēng)墻、井架走臺(tái)和籠梯、頂驅(qū)導(dǎo)軌、穩(wěn)繩器、套管扶正籃、天車防碰裝置等組成。井架作為鉆井設(shè)備主要承載結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能的優(yōu)劣直接影響著鉆機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量[2]。

目前海上鉆井工況復(fù)雜且環(huán)境惡劣，特殊的海洋環(huán)境給海洋井架帶來了更大挑戰(zhàn)，隨著我國海洋石油鉆井向深水、超深水方向發(fā)展，海洋設(shè)備重量逐漸增大，使得海洋井架不但要承受工作載荷，還要承受風(fēng)載荷以及海洋環(huán)境載荷[3]。幾十年來，井架鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的生產(chǎn)安全事故數(shù)不勝數(shù)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]，因此井架在海上鉆井作業(yè)中的安全性成為不容忽視的問題。表1列出了主要海洋平臺(tái)鉆機(jī)井架的結(jié)構(gòu)形式[5]。

表1 國內(nèi)外生產(chǎn)的海洋鉆機(jī)井架結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)國內(nèi)外井架形式發(fā)現(xiàn)，瓶式塔形井架自開發(fā)使用后，得到了各公司的一致認(rèn)可，認(rèn)為該井架形式適合平臺(tái)吊裝安裝、結(jié)構(gòu)合理、安裝占地面積小，安全性能高，推動(dòng)了深海鉆井設(shè)備的發(fā)展[6]，故本文以某自升式鉆井平臺(tái)9 000 m井架為例，依據(jù)API Spec.4F《鉆井和修井井架、底座規(guī)范》[7]的規(guī)定，綜合井架上各個(gè)設(shè)備和海洋工作環(huán)境對(duì)海洋井架的影響，進(jìn)行井架在不同工況下的有限元分析計(jì)算，指出各工況下井架薄弱結(jié)構(gòu)，為今后海洋井架結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供了參考。

1 井架形式及參數(shù)

該井架為瓶式塔形井架，主體為四面桁架式鋼結(jié)構(gòu)，由大尺寸的H型鋼作井架主體立柱，整個(gè)井架體是四根立柱和眾多橫斜腹桿經(jīng)螺栓連接成一個(gè)整體；井架設(shè)有兩套梯子系統(tǒng)，可分別到達(dá)二層臺(tái)和天車平臺(tái)；井架一側(cè)設(shè)有一對(duì)平行的頂驅(qū)導(dǎo)軌，通過連接架與井架主體連接；二層臺(tái)四面設(shè)有擋風(fēng)墻。井架結(jié)構(gòu)見圖1[8]。

圖1 井架結(jié)構(gòu)1.井架主體 2.走臺(tái)和籠梯 3.二層臺(tái)及擋風(fēng)墻 4.頂驅(qū)導(dǎo)軌

井架主要技術(shù)參數(shù)如下：

井架高度：52 m；

最大額定靜鉤載：6 750 kN；

井架抗風(fēng)能力： 可預(yù)期風(fēng)速：51.5 m/s

不可預(yù)期風(fēng)速：36 m/s

工作狀態(tài)最大風(fēng)速：24.7 m/s

二層臺(tái)高度：26.5 m

總質(zhì)量:234 t

環(huán)境溫度：-10 ℃-50 ℃

頂部跨距：5.486×5.486 m; 底部跨距：12.192×12.192 m

2 計(jì)算分析

2.1 井架主要構(gòu)件尺寸

井架編號(hào)尺寸見表2。

表2 井架編號(hào)尺寸

2.2 載荷分類

海洋井架的設(shè)計(jì)載荷包括固定載荷、工作載荷、環(huán)境載荷三類，如表3所示。

表3 井架載荷分類

井架自重以重力加速度的方式加到結(jié)構(gòu)上，天車自重、游車自重、頂驅(qū)自重、鋼絲繩拉力平均分配到井架頂端的四個(gè)節(jié)點(diǎn)上，立根載荷以線載荷的形式加在二層臺(tái)的指梁上，頂驅(qū)工作載荷以集中力的形式施加于頂驅(qū)軌道不同的位置。

2.3 計(jì)算工況[2]

根據(jù)API 設(shè)計(jì)規(guī)范，主要對(duì)三種工況：作業(yè)、預(yù)期風(fēng)暴自存、非預(yù)期風(fēng)暴自存，進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)考慮每種工況+X方向、+Y方向、45度沿+X方向的受力工況，省略-X、-Y方向的工況。具體9種工況如表4所示。

表4 井架計(jì)算工況

2.4 計(jì)算結(jié)果

井架有限元模型及計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 井架有限元模型及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 井架計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)井架計(jì)算表明，在最大鉤載6 750 kN時(shí)，井架最大應(yīng)力值為203 MPa，位置在井架四根立柱由垂直狀態(tài)變?yōu)閮A斜狀態(tài)的交界處，材料的屈服材料為345 MPa，安全系數(shù)為1.71，高于API規(guī)范中要求的安全系數(shù)1.67，故該井架滿足強(qiáng)度要求。

(2)立柱由垂直狀態(tài)變?yōu)閮A斜狀態(tài)的交界處應(yīng)力最大，發(fā)生在作業(yè)狀態(tài)、+Y方向下，此位置在9個(gè)工況中的安全系數(shù)均小于1.85，需特別加強(qiáng)，可增加井架立柱的尺寸或者材料，使其能夠承受更大的載荷，提高井架結(jié)構(gòu)的安全性。

(3)此外，井架前底部大開口處，最大應(yīng)力也達(dá)到160 MPa左右,發(fā)生在作業(yè)狀態(tài)、+X方向下，這是由于在自重及最大鉤載的迎風(fēng)狀態(tài)下，該處開口大，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)少，作為立柱作為主要加強(qiáng)構(gòu)件，受力變大。

(4)井架收口處的斜拉筋也需注意，由于此處主立柱受力最大，應(yīng)適當(dāng)增加斜拉筋尺寸。

(5)根據(jù)有限元分析結(jié)果，給出需要加強(qiáng)的薄弱部位，與實(shí)際情況相對(duì)照，基本符合，對(duì)其他類型井架的安全評(píng)估使用具有一定參考作用。

1 劉偉杰. 自升式鉆井平臺(tái)井架結(jié)構(gòu)分析[D].青島理工大學(xué)，2013.

2 何軍國，余利軍，劉志動(dòng). 基于ANSYS的HJJ31546型海洋井架安全性分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2015，44(2)：71-72.

3 張輝，馮利杰，潘志杰. HJJ675/52-T型海洋井架在風(fēng)暴自存下的特性分析[J].石油機(jī)械，2014，42(12)：48-49.

4 韓東穎，吳畏. 井架鋼結(jié)構(gòu)在風(fēng)載工況下的安全性分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，38(6)：1293.

5 張勇. 海洋鉆機(jī)井架技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) [J].石油機(jī)械，2009，37(8)：93-94.

6 葛運(yùn)春，劉孔忠，魏柳興. 9000m自升式海洋井架的研制 [J].石油機(jī)械，2014，42(11)：151-152.

7 劉健，齊明俠，趙煥娟. 基于應(yīng)力分析的海洋鉆機(jī)井架結(jié)構(gòu)可靠性分析[J]. 石油機(jī)械，2011，39(6)：15-18.

(責(zé)任編輯：譚銀元)

SafetyAssessmentofDerrickinVariousWorkingConditions

PIShuai，GUOLiang，ZHAOZhi-peng

(TZ(Tianjin)binhai Technology Center, Tianjin 300000 ,China)

In order to ensure the safety of derrick steel, marine derrick is calculated in various working conditions and various wind loads by establishing typical marine derrick model. The calculations indicate the maximum stress and the weakness of derrick in various conditions. The analysis results show that the variable cross-section location where the stress of derrick is approximate to the allowable safe stress should be extra strengthened. These can provide references for the safety assessment of marine derrick.

derrick; safety assessment; fem analysis

2016-12-28

邳 帥，女，工程師，主要從事船舶與海洋工程專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

U674.38

A

1671-8100(2017)02-0028-03