廖飛龍 譚政博 宋 鑫 唐順東 陳鵬輝 蔡 燦

(1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢 618300；2.四川科特檢測(cè)技術(shù)有限公司，四川 廣漢 618300；3.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610599)

0 前 言

海洋平臺(tái)井架作為鉆機(jī)、修井機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，其承載能力直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)的安全。與陸地井架不同，海洋平臺(tái)井架常年處于高鹽的海水腐蝕環(huán)境中，桿件截面局部腐蝕減薄、銹蝕穿孔等腐蝕損傷已成常態(tài)，同時(shí)其承載能力也受到風(fēng)載、浪載的較大影響。為了保障生產(chǎn)安全，必須及時(shí)了解井架的受力狀況，并對(duì)其承載能力進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定。為此，學(xué)者們針對(duì)井架的強(qiáng)度分析和安全性評(píng)價(jià)問(wèn)題作了大量研究。

蘇一凡等人針對(duì)多風(fēng)載海洋修井機(jī)井架的不同工況，應(yīng)用ANSYS軟件分析其位移及應(yīng)力分布，校核其支架強(qiáng)度，評(píng)價(jià)其適用性[1]。之后，應(yīng)用 ANSYS軟件計(jì)算井架的加載應(yīng)變，得到最大應(yīng)變和應(yīng)力，并將此方法與傳統(tǒng)的貼應(yīng)變片法相結(jié)合[2]。程波等人應(yīng)用ANSYS軟件分析了JJ315/40-K型石油鉆機(jī)在不同工況下的靜強(qiáng)度及其井架的模態(tài)變化，得出井架前4階的固有頻率和固有振型，并據(jù)此預(yù)判井架結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律[3]。楊宏山等人應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)XJ-650型修井機(jī)井架進(jìn)行建模，分析了井架在最大設(shè)計(jì)鉤載時(shí)的位移變化和應(yīng)力分布情況[4]。韓玉強(qiáng)等人應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)ZJ70鉆機(jī)井架在4種工況下的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，計(jì)算井架的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移，并在井架強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求的工況下對(duì)井架模型進(jìn)行了模擬優(yōu)化[5]。祖寧針對(duì)全自動(dòng)帶壓石油作業(yè)修井機(jī)建立了有限元分析力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行了靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、穩(wěn)定性和疲勞壽命等方面的分析[6]。王麗君針對(duì)ZJ20-ZJ90鉆機(jī)井架建立了模型庫(kù)，并設(shè)計(jì)了井架數(shù)據(jù)庫(kù)分析軟件[7]。應(yīng)用該軟件，可完成井架ANSYS靜力計(jì)算及穩(wěn)定性、可靠性、疲勞度等分析。楊波等人建立了K型井架有限元模型，并對(duì)其設(shè)計(jì)載荷作用下的變形位移及應(yīng)力分布情況進(jìn)行了仿真分析，從而確定井架承載過(guò)程中的主要危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)[8]。向文進(jìn)等人應(yīng)用ANSYS軟件針對(duì)K型井架的多種工況進(jìn)行了靜力學(xué)分析和強(qiáng)度校核，結(jié)合材料的屈服極限判斷井架的安全性[9]。龐世強(qiáng)等人針對(duì)HJJ900/64-T型超深井井架建立了完整的有限元模型，對(duì)其在各種工況及外部載荷激勵(lì)條件下的狀態(tài)進(jìn)行了模態(tài)分析[10]。

這些井架有限元分析大多屬于定制化建模和個(gè)性化分析，并不適用于大批固定型號(hào)井架的檢測(cè)與分析。ANSYS等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值分析軟件往往難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的便利性和交互性需求，且對(duì)技術(shù)人員的力學(xué)和有限元分析基礎(chǔ)理論知識(shí)及軟件的操作技能有一定要求。為了彌補(bǔ)以上不足，本次研究將通過(guò)繁瑣的建模、截面設(shè)置、載荷施加和結(jié)果提取等過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化APDL編程，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一款海洋平臺(tái)在役井架仿真分析軟件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)井架檢測(cè)與分析的快速計(jì)算和結(jié)果提取。

1 井架數(shù)值分析軟件開(kāi)發(fā)

1.1 軟件流程設(shè)計(jì)

應(yīng)用井架數(shù)值分析軟件，可對(duì)繁瑣的建模、截面設(shè)置、載荷施加和結(jié)果提取等過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化和交互式處理。在此，基于VB 6.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)了海洋平臺(tái)在役井架仿真分析軟件,軟件應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 井架數(shù)值分析軟件應(yīng)用流程

(1)文件路徑設(shè)置。設(shè)置有限元分析文件的保存路徑及ANSYS軟件應(yīng)用程序所在目錄。

(2)新建有限元分析。清除舊數(shù)據(jù)，建立新的APDL命令流文件，并開(kāi)始輸入相關(guān)參數(shù)。

(3)井架建模。井架建模工作分為數(shù)據(jù)庫(kù)建模和參數(shù)化建模。在數(shù)據(jù)庫(kù)建模過(guò)程中，可直接選擇井架型號(hào)，然后建立模型；在參數(shù)化建模過(guò)程中，可先選擇井架類型，再輸入關(guān)鍵尺寸參數(shù)，然后建立模型。

(4)截面尺寸設(shè)置。根據(jù)所選井架型號(hào)，獲取相應(yīng)的桿件類型，并輸入桿件尺寸大小。

(5)施加載荷設(shè)置。輸入恒載、立根載、風(fēng)浪載、鉤載等載荷數(shù)據(jù)，然后通過(guò)后臺(tái)調(diào)用ANSYS計(jì)算其數(shù)值。

(6)強(qiáng)度分析。將通過(guò)ANSYS所得的計(jì)算結(jié)果文本文件及云圖在可視化軟件上展示出來(lái)，據(jù)此分析井架的強(qiáng)度。

(7)腐蝕減薄。利用ANSYS的重啟動(dòng)功能，根據(jù)腐蝕減薄桿件的尺寸更新已有的井架模型，分析腐蝕減薄情況。

1.2 開(kāi)發(fā)內(nèi)容

1.2.1 井架參數(shù)化建模與數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

井架的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，建模工作量較大。在此，根據(jù)實(shí)際圖紙的尺寸，針對(duì)K型50、70、90，塔型50、70，以及修井機(jī)等6種型號(hào)井架建立有限元模型(見(jiàn)圖2)，以供技術(shù)人員選用。

圖2 井架數(shù)據(jù)庫(kù)有限元模型

井架有限元模型采用BEAM188單元，其中包含工字鋼、槽鋼、矩形鋼和圓管鋼等類型截面(見(jiàn)圖3)。

圖3 井架截面類型

選定井架型號(hào)后，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)井架各位置的桿件截面類型及默認(rèn)截面尺寸，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改。

1.2.2 井架載荷的施加

與陸地井架相比，海洋平臺(tái)井架的受力情況更加復(fù)雜，所承受的載荷包括恒載、鉤載、立根載、風(fēng)載和波浪載。

(1)恒載。恒載主要考慮天車和游動(dòng)系統(tǒng)的重量，以及井架自重與二層臺(tái)的重量。天車和游動(dòng)系統(tǒng)的重量平均施加在頂部4個(gè)節(jié)點(diǎn)上，井架的自重以重力加速度(9.8 m/s2)施加于整體模型上，二層臺(tái)的重量作用于它與井架主體連接梁的節(jié)點(diǎn)上。

(2)鉤載。鉤載是指大鉤提起的重量，輸入鉤載平均分配于頂部4個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

(3)立根載荷。立根載荷，是指立根通過(guò)其所處二層臺(tái)的主梁作用于井架主體對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的載荷，其表達(dá)式為：

(1)

式中：Fl——立根水平載荷，N；

W——單位長(zhǎng)度的立根重量，N/m；

l——立根長(zhǎng)度，m；

n——立根數(shù)量；

θ——立根與鉆臺(tái)平面的傾角，取86°～88°。

(4)風(fēng)載荷。風(fēng)載荷僅反映了井架背向來(lái)風(fēng)的情況，可用于計(jì)算井架節(jié)點(diǎn)的總風(fēng)載荷，其表達(dá)式為：

Ff=p·A

(2)

p=0.611 5·v2·Ch·Cs

(3)

式中:Ff——井架節(jié)點(diǎn)總風(fēng)載荷，N；

p——風(fēng)壓，Pa；

A——承風(fēng)面積，m2；

v——風(fēng)速，m/s；

Ch——高度系數(shù)；

Cs——形狀系數(shù)。

(5)波浪載荷。海洋平臺(tái)井架所受波浪載荷較為復(fù)雜，且難以定量計(jì)算。但海洋平臺(tái)所處環(huán)境的波浪加速度是可以檢測(cè)的，故對(duì)波浪載荷予以簡(jiǎn)化，將其分為波浪升沉加速度和波浪橫搖加速度，施加于整體井架模型上。

圖4所示為K型50井架載荷施加界面。其中，各相關(guān)載荷參數(shù)可自行輸入，也可在選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的工況條件后自動(dòng)輸入。井架底部4個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件設(shè)置為完全約束。

圖4 K型50井架載荷施加界面

1.2.3 軟件的構(gòu)建

通過(guò)參數(shù)化建模施加載荷，然后基于VB 6.0軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)井架強(qiáng)度分析數(shù)值軟件。應(yīng)用該軟件，根據(jù)輸入?yún)?shù)生成APDL命令流文件，能夠在不進(jìn)入ANSYS分析界面的情況下通過(guò)后臺(tái)調(diào)用ANSYS進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并輸出結(jié)果。

2 井架數(shù)值分析軟件應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 井架實(shí)例參數(shù)

以井架模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的海洋平臺(tái)K型50井架為例，應(yīng)用本軟件對(duì)井架的強(qiáng)度進(jìn)行分析。井架的參數(shù)如下：鉤載300 t；材料為Q345鋼；屈服強(qiáng)度為345 MPa；彈性模量為206 GPa；密度為7 850 kg/m3;泊松比為0.28。截面屬性均采用數(shù)據(jù)庫(kù)的默認(rèn)值，設(shè)計(jì)背面來(lái)風(fēng)(風(fēng)速為25 m/s)，立根載荷的計(jì)算結(jié)果為 57 514.24 N。

2.2 井架鉤載下的有限元分析結(jié)果

在處理過(guò)程中，首先選擇井架模型、截面尺寸并施加相關(guān)載荷，形成APDL命令流文件；然后，通過(guò)可視化軟件調(diào)用ANSYS得出計(jì)算結(jié)果，從而獲取井架的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，并提取出井架桿件應(yīng)力值排序?yàn)榍笆臈U件類型。

井架的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D及其提取過(guò)程如圖5所示。結(jié)果顯示，井架應(yīng)力最大值出現(xiàn)在Ⅱ大節(jié)第1小節(jié)處，為149 MPa。這是因?yàn)榇颂幗孛娉叽绨l(fā)生了變化，所以在桿件連接位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)，由于井架大腿底部承受了整個(gè)井架主體的重力及鉤載荷，使得該位置的應(yīng)力達(dá)到最大值，而其余應(yīng)力較大值均存在于井架底部的桿件上。

圖5 井架的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D及其提取

2.3 井架局部腐蝕減薄有限元分析

由于海洋平臺(tái)井架長(zhǎng)期處于高鹽腐蝕環(huán)境中，隨著井架服役時(shí)間的延長(zhǎng)，桿件會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕損傷，這些損傷主要表現(xiàn)為桿件截面變薄。在此，可通過(guò)可視化軟件重新定義桿件指定位置處的截面尺寸，并模擬桿件腐蝕過(guò)程。

圖6所示為井架腐蝕減薄操作界面，其中井架主體桿件分為井架左右扇面和井架背面。對(duì)于井架左右兩扇面桿件，可通過(guò)大節(jié)號(hào)、小節(jié)號(hào)和桿件名稱進(jìn)行定位；井架背面桿件分為斜拉桿和背橫梁，可通過(guò)桿件編號(hào)和桿件類型進(jìn)行定位。根據(jù)桿件實(shí)際腐蝕位置，確定桿件位置參數(shù)及桿件編號(hào)，然后設(shè)置所選桿件腐蝕減薄后的截面尺寸。

圖6 井架腐蝕減薄操作界面

以二層臺(tái)上的4根主立柱桿件為例，將其具體位置分別設(shè)置于左扇Ⅲ大節(jié)第1小節(jié)前、后主立柱，以及右扇Ⅲ大節(jié)第1小節(jié)前、后主立柱，并分析受損后的井架應(yīng)力應(yīng)變分布情況。將桿件腐蝕減薄程度設(shè)置為10%，從而獲得井架應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，并按應(yīng)力值從大到小的順序提取應(yīng)力前十桿件。

表1所示為應(yīng)力前十桿件的位置及應(yīng)力變化。截面尺寸變化導(dǎo)致應(yīng)力較為集中，腐蝕減薄前后 Ⅱ大節(jié)第1小節(jié)桿件均出現(xiàn)應(yīng)力最大值。腐蝕減薄桿件為二層臺(tái)的4根主立柱桿件(Ⅲ大節(jié)第1小節(jié)主立柱桿件)，使得此處桿件應(yīng)力增大到了 148 MPa。由此可見(jiàn)，桿件腐蝕減薄對(duì)井架腐蝕桿件的應(yīng)力分布影響較大，而對(duì)于未腐蝕桿件的影響較小。

3 結(jié) 語(yǔ)

在本次研究中，應(yīng)用APDL命令流對(duì)ANSYS程序進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，基于VB 6.0平臺(tái)設(shè)計(jì)了包含井架模型、截面尺寸、工況載荷的可視化軟件。應(yīng)用本軟件，能夠通過(guò)后臺(tái)調(diào)用ANSYS來(lái)分析井架的應(yīng)力應(yīng)變情況，并提取井架應(yīng)力前十桿件的位置及其應(yīng)力值。

本次設(shè)計(jì)的井架模型數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)值分析軟件中，包含K型井架、塔型井架及修井機(jī)等3類井架的有限元模型，工字鋼、槽鋼、圓管、矩形鋼等截面類型，以及立根載荷、風(fēng)載、浪載、鉤載等載荷類型。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體工況選擇或修改相關(guān)參數(shù)。由于海洋平臺(tái)井架存在腐蝕損傷現(xiàn)象，因此，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置桿件尺寸減薄參數(shù)，從而模擬井架的損傷，并啟動(dòng)ANSYS計(jì)算。本軟件還具有便于操作的優(yōu)點(diǎn)，即使技術(shù)人員不熟悉ANSYS的操作流程，也可順利完成針對(duì)井架的有限元分析。