雷雨雨， 夏侯命勝， 宋 旭， 邱華鋒

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院， 上海200011)

0 引 言

能源是維持現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的“血液”。當(dāng)前，中國(guó)已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，而且對(duì)能源進(jìn)口的依存度逐漸擴(kuò)大。為保障國(guó)家能源安全，必須加快全面勘探和開(kāi)采陸地及海洋資源的步伐[1]。然而，面對(duì)陸地資源的快速耗竭，向海洋尋求能源、進(jìn)軍深水將是保障我國(guó)能源供應(yīng)的必由之路。在深水油氣資源開(kāi)發(fā)中，鉆井是最重要的環(huán)節(jié)之一，深水鉆井船是目前國(guó)際上先進(jìn)的海洋石油鉆井裝置。

鉆井系統(tǒng)作為鉆井船的核心系統(tǒng)，通常布置在船中月池中心正上方，主要由鉆臺(tái)和井架2部分組成。鉆臺(tái)是整個(gè)鉆井系統(tǒng)唯一的支撐平臺(tái)，在承擔(dān)井架傳遞的環(huán)境及其相關(guān)功能載荷(如大鉤載荷)的同時(shí)，還要承受其自身設(shè)備載荷(如：轉(zhuǎn)盤(pán)、立根盒等鉆井載荷)和環(huán)境載荷引起的慣性載荷及風(fēng)載，而且船體在波浪載荷作用下會(huì)發(fā)生中垂及中拱彎曲變形，對(duì)鉆臺(tái)的主要構(gòu)件及與月池相連接的支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求更高。

本文通過(guò)綜合研究ABS、DNV及API等鉆井船和平臺(tái)相關(guān)規(guī)范，利用大型商用有限元分析軟件Patran/Nastran建立計(jì)算模型。設(shè)置考慮船體梁變形的強(qiáng)迫位移邊界條件，合理施加作業(yè)和環(huán)境載荷，對(duì)深水鉆井船鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析評(píng)估。最終得到該類(lèi)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力水平和剛度的變化情況，以便設(shè)計(jì)和使用方更加深入地了解鉆井船在遷航、自存、待命及作業(yè)狀態(tài)下鉆臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能，確保在滿足相關(guān)系統(tǒng)正常功能的同時(shí)，保證鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)在不利海況下的安全。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

1.1 結(jié)構(gòu)功能分析

系統(tǒng)作業(yè)及功能要求決定了鉆臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式及所受載荷。深水鉆井船鉆臺(tái)承受的主要載荷[2]有：井架載荷，轉(zhuǎn)盤(pán)載荷，鉆井絞車(chē)、起下鉆機(jī)械設(shè)備、隔水管張緊器和立根盒等設(shè)備的載荷。鉆井船在風(fēng)、浪、流的共同作用下，船體會(huì)產(chǎn)生縱搖、橫搖及升沉等運(yùn)動(dòng)，為了將其影響程度減小到最低，鉆臺(tái)通常布置在位于船體中央的月池上方[3]。

鉆井船鉆臺(tái)設(shè)計(jì)主要考慮以下4種工況：(1)遷航工況。無(wú)限航區(qū)遷航，無(wú)大鉤及立根載荷，設(shè)備均綁扎固定。(2)自存工況。隔水管與海底井口脫開(kāi)，滿立根盒。(3)待機(jī)工況。鉆進(jìn)停止，鉆桿取出排放立根盒，無(wú)鉤載，隔水管與井口連接。(4)鉆井工況。船位能夠有效維持，所有與鉆井作業(yè)相關(guān)的活動(dòng)(如：正常鉆井作業(yè)、起下鉆作業(yè)和下套管作業(yè))均可以開(kāi)展。綜合以上操作工況，為了大幅提高作業(yè)效率，本鉆井船采用雙聯(lián)井架技術(shù)。鉆臺(tái)主要功能載荷見(jiàn)表1。船體月池區(qū)域和鉆臺(tái)布置圖如圖1和圖2所示。

圖3 鉆臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

1.2 鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 鉆臺(tái)主要支撐結(jié)構(gòu)

本鉆井船鉆臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)包括：鉆臺(tái)支腿、甲板箱梁、甲板板和風(fēng)墻。其中鉆臺(tái)高(船體主甲板到鉆臺(tái)面)約為18.0 m，風(fēng)墻高為6.0 m，鉆臺(tái)支腿跨距為16.8 m×28.0 m，三維視圖如圖3所示。由于鉆井船鉆臺(tái)跨距大且受載強(qiáng)度高，普通型材很難滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求，因此鉆井船的鉆臺(tái)主梁一般采用筋板式箱型梁。該類(lèi)大梁結(jié)構(gòu)具有制作方便、整體剛度容易滿足設(shè)計(jì)要求等特點(diǎn)。另外，鉆臺(tái)與主船體之間連接的支腿是整個(gè)鉆井系統(tǒng)正常、安全作業(yè)的關(guān)鍵保證，其結(jié)構(gòu)型式尤其是與鉆臺(tái)主梁及主船體月池區(qū)域的連接設(shè)計(jì)極其關(guān)鍵。結(jié)合鉆井船總布置的特點(diǎn)，本鉆臺(tái)主要結(jié)構(gòu)采取箱型立柱配斜撐的結(jié)構(gòu)型式，如圖4所示。該設(shè)計(jì)型式不僅能夠滿足不同角度風(fēng)、浪、流引起的環(huán)境載荷(包括水平側(cè)向力及傾覆力矩)要求，還能夠很好地將井架載荷傳遞到主船體相關(guān)結(jié)構(gòu)上，保證了鉆臺(tái)在工作及遷航工況下的安全及功能需要。

1.3 應(yīng)力衡準(zhǔn)

鉆臺(tái)相關(guān)構(gòu)件主要采用AH/DH/EH36高強(qiáng)鋼，屈服應(yīng)力Fy=355 MPa。根據(jù)美國(guó)鉆井船設(shè)計(jì)指南和美國(guó)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范(ABS MODU)[4]，鉆臺(tái)設(shè)計(jì)的許用等效應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2 鉆臺(tái)設(shè)計(jì)許用等效應(yīng)力

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算研究

2.1 有限元分析模型

本文鉆臺(tái)箱型梁及甲板結(jié)構(gòu)采用CQUAD4和CTRIA3殼單元模擬，加強(qiáng)筋和扶強(qiáng)材利用梁?jiǎn)卧M[5]。除局部高應(yīng)力區(qū)采用細(xì)網(wǎng)格(尺寸為50 mm×50 mm)外，其他區(qū)域均采用粗網(wǎng)格(尺寸約為700 mm×700 mm)，鉆臺(tái)整體有限元模型如圖3所示。

2.2 載荷及工況組合

該鉆井船采用雙聯(lián)井架，高度約為70 m。無(wú)論是受風(fēng)面積還是與高度密切相關(guān)的慣性力，最終均反映為鉆臺(tái)主要載荷之一的井架載荷。環(huán)境載荷主要包括：鉆井系統(tǒng)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的可變載荷(見(jiàn)表3)；鉆臺(tái)本身結(jié)構(gòu)及安裝在其上的固定設(shè)備、管系和電纜等固定載荷[6]；風(fēng)、浪引起的慣性載荷和風(fēng)載荷?；谠撱@井船設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，鉆臺(tái)設(shè)計(jì)基本載荷、組合工況和環(huán)境條件主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鉆臺(tái)設(shè)計(jì)載荷及工況

2.3 船體運(yùn)動(dòng)引起的慣性載荷

由于鉆井船在所有工況下都處于漂浮狀態(tài)，在風(fēng)、浪共同作用下船體產(chǎn)生橫搖、縱搖及垂蕩等運(yùn)動(dòng)。鉆臺(tái)上設(shè)備多、質(zhì)量大且所處高度高，導(dǎo)致慣性載荷較大。當(dāng)船體發(fā)生縱搖時(shí)，鉆臺(tái)慣性載荷為

(1)

ay=0

(2)

(3)

式中：ax為縱搖時(shí)x方向的加速度；ay為縱搖時(shí)y方向的加速度；az為縱搖時(shí)z方向的加速度；VP為縱搖中心到重心的垂向距離；LP為縱搖中心到重心的縱向距離；H為船體升沉運(yùn)動(dòng)幅度；TP為縱搖周期；Th為升沉周期；go為重力加速度；φ為縱搖角。

2.4 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷主要通過(guò)井架、風(fēng)墻和立根盒等結(jié)構(gòu)和大型設(shè)備反映到鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)上，是影響鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)的另一關(guān)鍵載荷[7]。根據(jù)ABS MODU規(guī)范，風(fēng)壓P及風(fēng)力F相關(guān)計(jì)算公式如下：

(4)

F=P×A

(5)

式中：系數(shù)f= 0.611；Vk為風(fēng)速；Ch為高度系數(shù)；Ss為形狀系數(shù)；A為受風(fēng)面積。

鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)和風(fēng)墻所受風(fēng)載荷可直接以風(fēng)壓形式施加到相關(guān)結(jié)構(gòu)上；井架所受風(fēng)載荷則像井架所受其他載荷一樣，均反映在井架支腿支反力載荷上；其他設(shè)備所受風(fēng)載荷的施加方法為：由相關(guān)設(shè)備廠商提供設(shè)備的受風(fēng)面積，將風(fēng)力F施加于設(shè)備風(fēng)心處[8]。

2.5 邊界條件

位于船中的鉆臺(tái)不僅受到表3中作業(yè)和環(huán)境載荷的作用，還受到船體梁變形的影響。因此，邊界條件的合理設(shè)置是鉆臺(tái)強(qiáng)度分析的關(guān)鍵。由于各工況下海況及裝載不同，船體梁變形引起的邊界效應(yīng)也會(huì)有所區(qū)別。本文主要分析鉆臺(tái)在4種工況下的船體梁變形，并提取相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)鉆臺(tái)邊界設(shè)置強(qiáng)迫位移約束。其中，通過(guò)總強(qiáng)度分析得到遷航工況下的船體梁變形如圖5所示。相應(yīng)邊界條件的施加如圖6所示。

圖5 遷航工況下的船體梁變形示例 圖6 遷航工況下邊界條件

3 結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算可知：船體梁變形是影響鉆臺(tái)強(qiáng)度的主要載荷之一。通過(guò)總強(qiáng)度計(jì)算可知：遷航工況下波浪載荷最大，導(dǎo)致船體梁變形較大。因此，鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制工況為遷航工況。其中，主梁結(jié)構(gòu)的最大von Mises應(yīng)力為179 MPa，發(fā)生在遷航工況下風(fēng)浪方向?yàn)?5°時(shí)，應(yīng)力分布如圖7所示。鉆臺(tái)最大變形為54.2 mm，與跨長(zhǎng)之比為1/465。鉆臺(tái)支腿結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為310 MPa，發(fā)生在遷航工況下風(fēng)浪方向?yàn)?35°時(shí)，應(yīng)力分布如圖8所示。

圖7 控制工況下鉆臺(tái)主梁的應(yīng)力云圖 圖8 控制工況下鉆臺(tái)支腿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

觀察鉆臺(tái)主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：鉆臺(tái)最大應(yīng)力分布于箱型梁間連接角隅區(qū)域，主要由應(yīng)力集中所致。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免在相關(guān)區(qū)域開(kāi)孔，否則應(yīng)做特殊加強(qiáng)，以使結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。鉆臺(tái)支腿應(yīng)力主要與環(huán)境載荷施加方向密切相關(guān)，設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)著重把握鉆臺(tái)支腿與主梁、鉆臺(tái)支腿與主船體間肘板的過(guò)渡(如圖9～圖10所示)，以保證鉆臺(tái)主要結(jié)構(gòu)與主船體主要承載結(jié)構(gòu)間順利地進(jìn)行載荷傳遞。

圖9 支腿與主梁連接肘板設(shè)計(jì)及應(yīng)力分布圖 圖10 支腿與主船體連接肘板設(shè)計(jì)及應(yīng)力分布圖

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 遷航工況為鉆井船鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的主要控制工況，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于支腿與主梁間過(guò)度肘板的設(shè)計(jì)。

(2) 相比鉆井平臺(tái)，鉆井船承受的環(huán)境載荷一般較大，且運(yùn)動(dòng)更加頻繁劇烈。鉆臺(tái)最大應(yīng)力分布于箱型梁間連接角隅區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免在該區(qū)域開(kāi)孔。對(duì)于此類(lèi)特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還應(yīng)注意其結(jié)構(gòu)剛度及疲勞強(qiáng)度問(wèn)題。