趙 銳

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

鉆井液（又稱泥漿）是鉆井作業(yè)的血液，通常又稱鉆孔沖洗液，是鉆井作業(yè)中以其功能滿足多種鉆井工作需要的各種循環(huán)液體的總稱。泥漿處理是海上鉆井作業(yè)的重要工藝流程，系統(tǒng)常稱泥漿凈化/固控系統(tǒng)，包括的設備和裝置主要有振動篩、除砂器、除氣器、除泥器、粘土箱、泥漿清潔器、攪拌機、沉淀池和各型高壓輸送泵等。對于深水鉆井船或半潛式鉆井平臺來說，由于泥漿處理能力需要滿足復雜作業(yè)環(huán)境條件下鉆機系統(tǒng)正常工作要求，并且考慮到主甲板下的空間問題，通常將泥漿處理系統(tǒng)進行模塊化、撬裝式設計，將所有設備系統(tǒng)布置于模塊之中，使模塊結(jié)構簡便可靠，在滿足功能性的前提下具有良好的工藝性[1]。

本文以某型第六代深水鉆井船的泥漿處理模塊的結(jié)構設計和強度分析為主要研究內(nèi)容，介紹了模塊結(jié)構的設計特點，并利用通用有限元軟件根據(jù)美國船級社規(guī)范Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit (2012)[2]要求進行了強度分析。

1 模塊結(jié)構

模塊位于鉆井船主甲板左舷中部、鉆臺模塊支撐結(jié)構下方位置。模塊尺寸長約33.4 m，寬約12.0 m，高約9.8 m，共計由3層甲板組成，其中第1層甲板主要布置為除砂器、除氣器和除砂器等設備服務的高壓輸送泵，第2層甲板主要布置振動篩、粘土箱、泥漿清潔器、攪拌機和其他輔助設備，各類沉淀池、泥漿槽和切割槽等布置于第1和第2層甲板之間，主甲板和第2層甲板操作區(qū)域均為開敞式設計，頂甲板為隔水套管張緊器預留操作空間。

模塊結(jié)構所用材料均為屈服強度為315 MPa的高強度鋼，結(jié)構設計特點主要包括以工字鋼桁架形式作為主要支撐結(jié)構，生根于主甲板并增加局部加強，層間甲板由6 mm～7 mm甲板板和橫縱骨材組成，各沉淀池艙采用槽型艙壁組成，各類設備均按照不同載荷增加必要的反面加強結(jié)構，典型模塊結(jié)構橫剖面見圖1。

圖1 典型模塊結(jié)構橫剖面

2 結(jié)構強度分析

2.1 有限元模型概述

有限元分析是將船體結(jié)構離散為有模擬承載和變形情況的有限個單元，以表述船體結(jié)構布置特點、構件之間的受力以及變形協(xié)調(diào)關系。船體結(jié)構主要由平板、殼和骨材組成，因此有限元模型主要由板單元、殼單元和梁單元組成，根據(jù)結(jié)構不同形式和受力特點選取合適的單元以求到達滿意的計算結(jié)果[3]。

本文中甲板板、圍壁板和支柱與主甲板連接處選用板單元，骨材、橫梁和支柱選用梁單元，選用質(zhì)量單元模擬設備并選用剛性單元模擬設備與結(jié)構連接，模塊結(jié)構網(wǎng)格尺寸為175 mm×175 mm，主船體網(wǎng)格尺寸為700 mm×700 mm。有限元模型覆蓋主船體部分（104號～220號肋位）、鉆臺部分和模塊本身部分，見圖2。

圖2 有限元模型

2.2 坐標系選取

坐標系原點選擇與鉆井船主船體一致，坐標系原點即采用右手法則，即沿船長方向為X軸，船艏為正；沿船寬方向為Y軸，左舷為正；沿高度方向為Z軸，朝上為正。

2.3 材料屬性

材料選取屈服強度為315 MPa的船用高強度鋼，材料屬性為：楊氏模量2.06×105MPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。

2.4 約束條件

約束條件見圖3，在主船體模型104號肋位和220號肋位分別設置A、B這2個獨立點，并與主結(jié)構剛性連接。其中A點約束x、y、z方向線位移和x、z方向角位移，即DOF自由度值1、2、3、4、6約束；B點約束y、z方向線位移和x、z方向角位移，即DOF自由度值2、3、4、6約束。

圖3 約束條件

2.5 載荷組成

載荷主要包括模塊自重、設備質(zhì)量、風載荷、主船體總縱強度作用載荷、船舶運動慣性載荷和沉淀柜泥漿載荷等，船級社規(guī)范要求的各層甲板載荷同樣計入。

1）模塊自重包括結(jié)構、舾裝、管系、電氣和其他固定質(zhì)量，參照質(zhì)心報告，利用慣性載荷方法施加，即重力加速度取為9.8 m/s2。

2）據(jù)穩(wěn)性報告，得出總縱強度作用載荷，見表1。

表1 船舶總縱強度作用載荷

3）船舶運動慣性載荷是根據(jù)船舶不同工況下整體運動分析得到模塊所對應的運動加速度，進而得到作用在模塊結(jié)構上的慣性力。查閱船舶運動分析報告，取自存工況下最保守的慣性力加載，見表2。

表2 船舶運動慣性載荷

4）根據(jù)船級社規(guī)范[2]要求，風載荷計算公式

式中：P 為風載荷，N/m2；Vk為風速，取值51.5 m/s；Ch為高度系數(shù)，取值1.1；Cs為外形系數(shù)，取值1.5。最終得出風載荷計算值為2 673.87 N/m2。

5）甲板載荷根據(jù)船級社規(guī)范[1]要求，取值見表3。

表3 甲板載荷

6）設備質(zhì)量，按照質(zhì)量質(zhì)心表中分別取值，如有濕重，則取濕重。主要設備質(zhì)量分別為粘土箱15.82 t、除氣器7.40 t、泥漿清潔器4.99 t和振動篩3.65 t。

2.6 工況組合

根據(jù)2.5中提及的各類載荷，結(jié)合鉆井船自存工況、拖航工況、鉆井工況和意外工況等不同條件下環(huán)境載荷及工作狀態(tài)變化，對除自重以外的各類載荷進行組合用于強度分析，本文共選取16種工況進行分析，見表4。

表4 工況組合

表4 工況組合（續(xù)）

2.7 許用衡準

根據(jù)船級社規(guī)范[1]要求，結(jié)構應力須滿足構件許用應力σ，即

式中：σs為材料屈服強度，MPa；γs為安全系數(shù)。本文根據(jù)規(guī)范，板單元結(jié)構Von Mises應力等效安全系數(shù)取值1.1，其他單元結(jié)構安全系數(shù)取值1.25，各區(qū)域不同結(jié)構的許用應力見表5。

表5 許用應力

2.8 計算結(jié)果

不同工況下的計算結(jié)果顯示，模塊結(jié)構最大板單元Von Mises應力和梁單元合成應力出現(xiàn)在工況301，見表6、圖4和圖5。在此工況下主甲板連接處最大Von Mises應力為254 MPa，見圖6。

圖4 工況301模塊結(jié)構最大Von Mises應力分布

圖5 工況301梁單元最大合成應力分布

圖6 工況301模塊連接處結(jié)構最大Von Mises應力分布

表6 計算應力結(jié)果

根據(jù)以上計算結(jié)果，所有工況下結(jié)構強度均滿足規(guī)范強度要求，最大應力出現(xiàn)在主船體月池附近的縱向模塊支撐肘板趾端處。

3 結(jié)論

文章以某型鉆井船泥漿處理模塊為研究對象，介紹了結(jié)構設計特點并進行強度分析校核，結(jié)論如下：

1）結(jié)構形式和尺寸均滿足規(guī)范要求，方案可行。

2）模塊結(jié)構通常以桁架形式為支撐上部功能性房間，主甲板連接處采用支墩式設計，并注意支墩肘板形式，避免產(chǎn)生應力集中影響疲勞壽命。

3）基于船舶總縱強度和運動慣性載荷影響，最大應力出現(xiàn)在主船體月池附近高應力區(qū)域，并對模塊結(jié)構本身產(chǎn)生影響，設計過程中應引起高度重視。