侯 敏，李汶東，張友會(huì)，廉光義，雷傳軍，李鵬舉

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心,陜西 寶雞 721002；3.西部鉆探工程有限公司，巴州分公司，新疆 庫爾勒 841000；4.川慶鉆探工程有限公司 新疆分公司，新疆 庫爾勒 841000)

張力腿平臺(tái)(Tension Leg platform, TLP) 是目前深海油氣開發(fā)最常用形式之一。其升沉運(yùn)動(dòng)小，適用水深大，抵抗惡劣海況能力較強(qiáng)，且有很高的性價(jià)比，具有良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，很適合在我國南海投入使用。目前，應(yīng)用SACS軟件對(duì)海洋井架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的研究較少，風(fēng)振分析的研究也較少。自振周期的計(jì)算結(jié)果是風(fēng)振分析的重要判據(jù)，但是現(xiàn)有自振周期的計(jì)算數(shù)據(jù)比較分散，大的達(dá)到40 Hz，小的達(dá)到幾赫茲。

筆者根據(jù)國家科技重大專項(xiàng)《南海荔灣氣田群和流花油田群開發(fā)示范工程》中子任務(wù)二《張力腿平臺(tái)模塊鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用研究》的相關(guān)要求，開展了適用于張力腿平臺(tái)模塊鉆機(jī)的海洋動(dòng)態(tài)井架設(shè)計(jì)研究，給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并完成了各工況下井架的強(qiáng)度分析計(jì)算，由于該井架屬于高聳結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了風(fēng)振分析，給出了海洋塔型井架自振周期的取值建議值，以期為未來類似的TLP模塊鉆機(jī)[1]井架設(shè)計(jì)開發(fā)提供借鑒。

1 井架設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)計(jì)原則

井架設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證其有足夠的承載能力，又兼顧經(jīng)濟(jì)性的原則[2]。井架設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足頂驅(qū)、載人維護(hù)籃等設(shè)備的安裝及使用。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

張力腿平臺(tái)屬于浮式平臺(tái)的一種，其模塊鉆機(jī)井架設(shè)計(jì)可遵循美國石油學(xué)會(huì)的API Spec 4F規(guī)范。

1.3 總體技術(shù)參數(shù)

鉆探深度

5 000 m

最大鉤載

3 150 kN

井架底部跨距

9.144 m×9.144 m

井架有效高度

46.6 m

作業(yè)環(huán)境溫度

15.9～35.9 ℃

1.4 總體布置

井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足平臺(tái)整體布置、鉆井工藝流程及鉆臺(tái)布局要求。鉆臺(tái)布局如圖1所示，司鉆房位于井架支座內(nèi)部，便于觀察動(dòng)力貓道和井口設(shè)備運(yùn)行。司鉆房對(duì)側(cè)井架支座外部布置有死繩固定器、泥漿立管管匯、節(jié)流壓井管匯、固井管匯和泥氣分離器。2個(gè)立根盒布置在鉆臺(tái)面前側(cè)，在立根盒2側(cè)布置有2臺(tái)風(fēng)動(dòng)絞車。在司鉆房對(duì)側(cè)立根盒和井口之間布置有1臺(tái)鐵鉆工。

1—立根區(qū)域；2—井架支座；3—風(fēng)動(dòng)絞車；4—司鉆房；5—載人絞車；6—鉆井絞車；7—液壓貓頭；8—泥漿盒；9—泥氣分離器；10—節(jié)流壓井管匯；11—轉(zhuǎn)盤；12—鐵鉆工；13—泥漿立管管匯；14—死繩固定器；15—固井管匯；16—鋼絲繩倒繩機(jī)；17—?jiǎng)恿ω埖馈?/p>

鉆臺(tái)后側(cè)布置1臺(tái)鉆井絞車，倒繩機(jī)布置在“V”大門外側(cè)飄臺(tái)上。整個(gè)鉆臺(tái)布局合理，滿足鉆井工藝流程需要，可極大提高鉆井作業(yè)效率。

2 井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

1) 最大額定靜鉤載 3 150 kN

注：①6×7繩系，滿立根，風(fēng)速≤39.7 m/s。

②加速度、沖擊、排放立根和風(fēng)載將降低最大鉤載。

2) 井架有效高度46.6 m

3) 井架底部開檔9.144 m×9.144 m

4) 二層臺(tái)安裝高度(至鉆臺(tái)面)26.5 m

5) 二層臺(tái)容量

②127 mm(5英寸)鉆鋌，28 m立根，10柱

③203.2 mm(8英寸)鉆鋌,3柱

6) 最大額定設(shè)計(jì)風(fēng)速

①鉆井作業(yè)工況(滿鉤載、滿立根)39.7 m/s

②風(fēng)暴工況(無鉤載、滿立根)65.7 m/s

③拖航工況(無鉤載、無立根)51.5 m/s

7) 結(jié)構(gòu)安全級(jí)別E2/U2

8) 慣性載荷，如表1。

表1 井架慣性載荷

2.2 結(jié)構(gòu)方案

井架為單斜瓶頸式塔形結(jié)構(gòu)，其上部設(shè)有天車，快繩輪和死繩輪對(duì)角布置，滿足鉆臺(tái)布局要求。井架結(jié)構(gòu)方案如圖2所示[3]。

1—天車；2—頂驅(qū)導(dǎo)軌；3—快繩；4—井架體；5—二層臺(tái)；6—泥漿立管管匯；7—載人維護(hù)籃；8—籠梯平臺(tái)；9—放空管線。

井架立柱由焊接H型鋼制成，立柱和橫、斜桿經(jīng)高強(qiáng)度螺栓連成整體。全部裸露構(gòu)件均經(jīng)熱噴涂鋅/鋁處理，增強(qiáng)了井架的抗腐蝕能力。井架主要承載構(gòu)件滿足環(huán)境溫度15.9～35.9 ℃的使用要求。

井架內(nèi)部設(shè)有頂驅(qū)導(dǎo)軌且空間大，滿足頂驅(qū)、載人維護(hù)籃等設(shè)備的安裝及運(yùn)行要求；井架兩側(cè)設(shè)有通往天車和二層臺(tái)的籠梯，并設(shè)有休息臺(tái)及防墜落設(shè)施，滿足人員安全通行要求。

2.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1) 井架采用單斜瓶頸式塔形結(jié)構(gòu)，二層臺(tái)上方第1個(gè)桁格以上為井架上部，以下為井架下部，上部錐度大于下部錐度；V大門位于立根側(cè)，其對(duì)側(cè)為絞車單斜側(cè)，該結(jié)構(gòu)可減小滾筒中心線至井口的距離，在滿足立根排放及頂驅(qū)安裝要求的同時(shí),盡可能的縮小了井架橫截面尺寸，減輕了井架質(zhì)量。

2) 井架是一個(gè)橫截面為矩形的可拆卸、栓裝式封閉空間鋼結(jié)構(gòu)，井架腹桿布置采用風(fēng)阻小的菱形桁格，井架立柱采用寬翼緣焊接H型鋼、井架橫梁及斜撐采用焊接H型鋼或雙角鋼。根據(jù)受力分析結(jié)果優(yōu)化材料截面，在滿足承載能力要求的同時(shí)減輕井架質(zhì)量。

3) 井架各桿件之間采用螺栓群組進(jìn)行連接。根據(jù)受力特點(diǎn)，井架立柱之間采用端面法蘭高強(qiáng)度螺栓連接，橫梁與立柱之間采用端面法蘭或單面節(jié)點(diǎn)板連接，斜撐與立柱之間采用雙角鋼連接或單面節(jié)點(diǎn)板連接，井架支座與鉆臺(tái)間采用端面法蘭高強(qiáng)度螺栓連接。

4) 井架V大門位于鉆臺(tái)正前方，與立根臺(tái)同側(cè)，它是外部設(shè)備、鉆具及工具進(jìn)入井架內(nèi)部的入口，面向排管架，其高度可滿足14.6 m長套管及19.8 m長HP隔水管或雙單根立柱進(jìn)出的要求。

5) 二層臺(tái)布置如圖3，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了鉆井作業(yè)時(shí)所需5 000 m立根排放容量以及平臺(tái)搖擺時(shí)立根排放對(duì)穩(wěn)定性要求[4]。設(shè)計(jì)了一種特殊的鉆桿靠放指梁，由擋桿、軸座、卡板、卡座等組成，若需靠放鉆桿，打開卡板，將鉆桿推入卡板與卡板間的空隙，閉合卡板，鉆桿就被卡住；若需取出鉆桿，上翻打開卡板，即可將鉆桿推出用于鉆井作業(yè)。采用此結(jié)構(gòu)，可將鉆桿可靠的固定在指梁上，不會(huì)發(fā)生鉆桿脫出事故。

二層臺(tái)四周設(shè)有擋風(fēng)墻，內(nèi)部設(shè)有環(huán)形走道，兩側(cè)籠梯可直達(dá)二層臺(tái)。

1—籠梯；2—擋風(fēng)墻；3—鉆桿指梁；4—舌臺(tái)。

3 井架設(shè)計(jì)計(jì)算[5-11]

3.1 整體結(jié)構(gòu)有限元分析

采用SACS有限元分析軟件對(duì)操作工況、風(fēng)暴工況和拖航工況下井架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，確保井架設(shè)計(jì)滿足API Spec 4F規(guī)范[5]要求。

經(jīng)過分析，認(rèn)為可采用三維彈性梁?jiǎn)卧M組成井架的各桿件，可采用質(zhì)量單元模擬安裝在井架上的設(shè)備及附件；根據(jù)各桿件之間連接節(jié)點(diǎn)的特性，斜撐桿模擬為鉸接，橫梁及立柱模擬為剛接，井架支腳模擬為鉸接，井架有限元模型如圖4。

圖4 井架有限元模型

3.2 工況組合

根據(jù)API Spec 4F規(guī)范[5]，并結(jié)合張力腿平臺(tái)的作業(yè)特點(diǎn)，確定鉆井作業(yè)工況、風(fēng)暴工況和拖航工況3種危險(xiǎn)工況，如表2所示。根據(jù)風(fēng)向及慣性載荷方向，可將這3種工況劃分為若干子工況。

表2 井架計(jì)算工況

注[5]：TE=游車重力+大鉤(或頂驅(qū)) 重力+ 鋼絲繩重力。

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果

分析結(jié)果表明[7]，鉆井作業(yè)工況、135°風(fēng)向；風(fēng)暴工況，225°風(fēng)向；拖航工況，315°風(fēng)向。這3種受力狀態(tài)最為惡劣。

3.3.1 鉆井作業(yè)工況計(jì)算結(jié)果

該工況下井架絞車側(cè)上部立柱折彎處出現(xiàn)最大UC值0.969，如圖5所示。

圖5 鉆井作業(yè)工況時(shí)井架UC值(UC≥0.75)

3.3.2 風(fēng)暴工況計(jì)算結(jié)果

該工況下井架“V”大門立柱上出現(xiàn)最大UC值0.83，如圖6所示。

圖6 風(fēng)暴工況時(shí)井架UC值(UC≥0.75)

3.3.3 拖航工況計(jì)算結(jié)果

該工況下井架“V”大門立柱上出現(xiàn)最大UC值0.939，如圖7所示。

圖7 拖航工況時(shí)井架UC值(UC≥0.75)

井架在上述危險(xiǎn)工況下的最大UC值均小于AISC(335-1989)[6]規(guī)定的允許值，因而井架設(shè)計(jì)滿足API Spec 4F規(guī)范[5]要求。

4 井架風(fēng)動(dòng)力學(xué)分析

海洋環(huán)境復(fù)雜而惡劣，風(fēng)暴不可避免。海洋井架高度大、橫截面小、阻尼比小，由于風(fēng)振而造成失效的事故時(shí)有發(fā)生，其失效形式主要有3種。

1) 頻繁的大幅度擺動(dòng)使結(jié)構(gòu)不能正常工作。

2) 結(jié)構(gòu)橫截面或構(gòu)件內(nèi)力達(dá)到極限，發(fā)生屈服、斷裂、失穩(wěn)甚至倒塌。

3) 結(jié)構(gòu)長時(shí)間振動(dòng)，造成材料疲勞累計(jì)損傷，引起結(jié)構(gòu)破壞[12]。

為避免此類事故的發(fā)生，有必要對(duì)井架進(jìn)行風(fēng)動(dòng)力學(xué)分析，以判斷井架是否為風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，是否會(huì)隨風(fēng)產(chǎn)生共振。

風(fēng)動(dòng)力學(xué)分析的第1步為模態(tài)分析，以獲得井架結(jié)構(gòu)基本自振周期(頻率)。目前，已發(fā)表的關(guān)于SACS軟件應(yīng)用的文獻(xiàn)，靜力分析的居多，詳細(xì)介紹動(dòng)力學(xué)分析的很少。為此，筆者對(duì)模態(tài)分析的步驟方法進(jìn)行了研究，并根據(jù)國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.1 SACS模態(tài)分析流程

在SACS軟件中進(jìn)行模態(tài)分析，需要建立3個(gè)文件。

1) 模型文件(inp文件)。

2) dyninp文件。

3) run文件。

對(duì)于模型文件，可以直接采用SACS靜力分析時(shí)的模型，但是需要對(duì)模型做2方面處理。

1) 需要人為指定動(dòng)力主自由度，并將其自由度由(000 000)修改為(222 000)。

2) 在dyninp文件中應(yīng)至少聲明豎向坐標(biāo)軸，單位制、需要提取的模態(tài)數(shù)量、結(jié)構(gòu)的密度、質(zhì)量計(jì)算選項(xiàng)、SACS荷載選項(xiàng)中的質(zhì)量，對(duì)于質(zhì)量點(diǎn)的SACS荷載方向，所加載質(zhì)量的系數(shù)等[7]。這里選擇+z方向?yàn)樨Q向坐標(biāo)軸，因?yàn)榻r(shí)利用質(zhì)量單元模擬井架附件，所以直接進(jìn)行模態(tài)計(jì)算即可。

4.2 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算所得的各階頻率和周期如表3所示。

表3 井架前10階振型頻率和周期

由于篇幅所限，這里僅列出井架前10階振型中的前3階的云圖，如圖8～10所示，可知，第1階振型為前后向(x向)的平動(dòng)，第2階振型為左右方向(y向)的平動(dòng)，第3階振型繞豎向軸(z向)為扭轉(zhuǎn)。

圖8 第1階振型

圖9 第2階振型

圖10 第3階振型

4.3 模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)中提供了塔式結(jié)構(gòu)第1自振周期的估算公式：

T1J=(0.007～0.013)H

(1)

式中：T1J為建筑塔第1自振周期；H為全塔高度。

但是，由式(1)計(jì)算的數(shù)值范圍太寬，僅適用于質(zhì)量和外形連續(xù)變化的塔式結(jié)構(gòu)。采用式(1)計(jì)算井架的第1自振周期，得：

T1J=(0.007～0.013)×46.6=0.326～0.606 s

其它行業(yè)也根據(jù)自己的行業(yè)特點(diǎn)研究了塔形結(jié)構(gòu)的第1自振周期的計(jì)算公式。例如電力行業(yè)，根據(jù)工程實(shí)際所做的輸電塔架結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)研究，得到的輸電塔架結(jié)構(gòu)的第1自振周期的近似計(jì)算公式[13-14]為：

(2)

式中：T1D為電塔第1自振周期；H為全塔高度；b為塔頭寬度；B為根開寬度。

由式(2)計(jì)算井架的第1自振周期，得：

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用電力行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的第1自振周期是1個(gè)固定值，針對(duì)性強(qiáng)、適用性較窄；《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范給出的第1自振周期，即特征周期的適用面寬；海洋塔型井架的自振周期非常接近按建筑荷載規(guī)范給出的經(jīng)驗(yàn)公式的下限值，差值僅為建議下限值的3%。

根據(jù)API 4F規(guī)范的規(guī)定，對(duì)因在風(fēng)和結(jié)構(gòu)之間動(dòng)力相互作用可能經(jīng)受附件載荷的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力分析。該規(guī)范條文說明中介紹了澳大利亞規(guī)范AS1170.2-1989，該規(guī)范規(guī)定：結(jié)構(gòu)的1階振型頻率<1 Hz、結(jié)構(gòu)高寬比大于5時(shí)，需要進(jìn)行風(fēng)動(dòng)力分析。

本井架總高46.6 m，最小寬度3.5 m，高寬比為13.3，1階振型頻率3.165 Hz，雖然高寬比遠(yuǎn)大于5，但第1階頻率3.165>1 Hz，因而不屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行風(fēng)動(dòng)力學(xué)分析。另外，當(dāng)風(fēng)暴作用頻率接近3.2 Hz 時(shí)，可能對(duì)井架產(chǎn)生共振破壞。

5 結(jié)論

1) 分析了井架設(shè)計(jì)所依據(jù)的原則、標(biāo)準(zhǔn)及任務(wù)書要求，設(shè)計(jì)了單斜瓶頸式塔形井架，井架可承受3 150 kN鉤載、風(fēng)載及慣性載荷的聯(lián)合作用，可滿足5 000 m立根的排放要求，可滿足頂驅(qū)、載人維護(hù)籃等設(shè)備的安裝及使用要求，適于海上復(fù)雜工況作業(yè)。

2) 井架主體為栓裝可拆卸結(jié)構(gòu)，主承載構(gòu)件滿足環(huán)境溫度15.9～35.9 ℃的使用要求。井架全部裸露構(gòu)件均經(jīng)熱噴涂鋅/鋁處理，抗腐蝕能力強(qiáng)，適合于海洋大氣環(huán)境。

3) 分析了井架作業(yè)過程中所承受的各種載荷，并確定了危險(xiǎn)載荷工況組合。利用SACS軟件對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析及驗(yàn)證，結(jié)果表明，井架具有質(zhì)量輕、承載能力大、抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，井架設(shè)計(jì)完全滿足API Spec 4F規(guī)范要求。

4) 介紹了海洋井架SACS軟件模態(tài)分析計(jì)算方法，分析了其它行業(yè)常見的2種鋼結(jié)構(gòu)自振周期的計(jì)算公式?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》給出的經(jīng)驗(yàn)公式的下限值與海洋石油塔形井架的自振周期非常接近。

5) 根據(jù)澳大利亞規(guī)范AS1170.2—1989的規(guī)定，該井架高寬比雖然大于5，但結(jié)構(gòu)的1階振型頻率大于1 Hz，因而不屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行風(fēng)動(dòng)力學(xué)分析。另外，當(dāng)風(fēng)暴作用頻率接近3.2 Hz 時(shí)，可能對(duì)井架產(chǎn)生共振破壞。