自升式钻井平台中钻台结构强度分析研究
2013-06-12高学静张洪欣
高学静，张洪欣
(烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台264000)
自升式钻井平台作为一种可移动的海洋结构物，主要由平台主体、桩腿桩靴、升降机构、钻井结构以及生活设施和大型设备等构成。其主船体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行作业。由于其造价低、定位能力强，在各种海况下基本都能保证平稳的钻井作业等优点。这种平台在海洋石油开发中被广泛应用，在大陆架海域的油气资源勘探开发中居重要地位［1］。
文中以某典型91.44 m(300 ft)水深作业的桁架式桩腿自升式钻井平台钻台结构部分为研究对象，见图1。根据美国钢结构技术(AISC)规范要求，利用SACS软件对钻台在正常作业、拖航等工况下的强度进行了分析，并用ABAQUS软件进行结果分析对比，对该结构的计算方法和过程进行评估。
图1 自升式钻井平台
1 建立有限元模型
1.1 坐标系的确定
计算模型选取右手坐标系，坐标原点位于钻杆中心(即井心)处。
X轴，纵向指向平台艏部为正;
Y轴，横向指向平台左舷为正;
Z轴，垂向向上方向为正。
1.2 计算模型
利用SACS软件作为分析软件，该软件可将所有的结构数据:几何形状、构件尺寸、材料特性以及环境条件以文件方式存储，然后求解程序对这些数据进行分析计算，得出最终的求解文件，结果会包含所有节点的位移以及单元内力。
参照基本结构图纸，需要对整体钻台结构部分进行合理简化，将图纸中大型桁材以梁的形式建出。一些大型设备以及钻杆的中心位置处的梁结构需要真实模拟，如部分小结构(肘板之类)等可相应简略。SACS模型见图2。
图2 SACS模型图
1.3 材料参数和边界条件
基本材料参数:
杨氏模量E=2.1×1011Pa;
密度ρ=7 850 kg/m3;
泊松比μ=0.3。
主要梁结构材料为EQ47，屈服强度为460 MPa，部分工字钢材料是DH36，屈服强度是355 MPa。在模型中定义梁截面时，大部分结构的梁截面都是工字钢，可按照实际截面情况定义截面属性。型梁结构每段板厚不尽相同，保守起见可取小板厚值。
考虑钻台与其下面的悬臂梁结构的接触约束情况以及钻台的实际工作状态，静载、作业和拖航工况下，4个约束点采取简支约束，在SACS软件中简支边界条件表示见图3。而钻台在滑移工况中边界约束略有不同，图4为钻台模型滑移工况边界条件，图中1表示约束，0表示自由。
图3 钻台模型简支边界条件
图4 钻台模型滑移工况边界条件
2 基本载荷与分析工况
在对钻台结构强度分析时，应在模型中先定义好所有基本的固定载荷和环境载荷，再按实际计算工况进行相互叠加分析计算。
2.1 基本载荷
1)结构自重。模型建好以后，软件可自行计算结构自重。由于部分结构没有建出，所以此处实际分析计算中考虑了5%的增加量，取重力加速度为9.81 m/s2。
2)设备重量。根据总布置图和重量重心报告，将各设备重量施加在钻台结构相应位置处。
3)甲板工作载荷。根据技术规格书，在甲板开放区域施加甲板工作载荷。
4)setback。setback区域是指钻台上放置钻杆的地方。根据技术规格书，将给定的重量值施加在setback区域。
5)钻井工作载荷。钻井工作载荷主要考虑由位于钻杆井心处的4根梁结构承担。
6)吊钩工作载荷。吊钩处的工作载荷就是指其自身重量和上面的一些滑轮组的重量，还要包括所有setback的管子的重量。
7)风载。由于钻台结构上有较高的钻井架和周围大面积的风墙结构，所以风载荷对钻台的结构强度影响较大。风载荷大小是由风压与井架受风的投影面积的乘积得到。根据建造规格书和船级社要求，在作业工况时需要考虑70 kn风速;在拖航工况时需要考虑100 kn风速。风载的计算方法可参考美国船级社(ABS)中公式要求。在实际分析计算时需要考虑8个方向，即0°，45°，
90°，135°，180°，225°，270°，315°，360°
风力F w可用下面的计算公式得到。
式中:v——风速，m/s;
Ch——高度系数;
Cs——形状系数;
A——结构的受风面积，m2。
由于在模型中无法模拟出整个结构，因此需要根据其受风面积计算出风载的大小，再将该力转换成弯矩后施加在相应井架与钻台连接处。
8)惯性载荷。根据美国船级社(ABS)规范［2］，远洋拖航时，以摇摆周期为10 s、单摆幅值为15°的摇摆角作为校核平台中钻台结构强度的计算工况。
假定平台的摇摆(横摇和纵摇)为简谐运动，摇摆中心为水线面处的漂心，其摇摆运动方程为［3］
摇摆运动的最大角加速度为
式中:θ0——摇摆幅值;
T0——摇摆周期;
t——时间变量;
φ——初相位。
9)滑移摩擦载荷。本文中钻台结构是以左右滑动方式运动的，需要考虑滑移摩擦载荷，计算时可取摩擦系数0.05。
滑动摩擦力=(结构自重+设备重量+setback+甲板工作载荷)×0.05
2.2 计算分析工况
钻台结构的设计应主要考虑静载工况、作业工况、拖航工况和滑移工况，以校核结构能否在各种工作形态下满足强度计算要求。设计中需要注意避免井架与钻台连接处的应力集中。同时，由于钻台在悬臂梁上实际可左右运动形式，移动滑移工况在实际分析计算时也应一并考虑［4］。
表1为4种计算工况组合，其中拖航工况分为近距离拖航、远洋拖航2种。
表1 计算工况组合
3 校核标准及计算结果
3.1 校核标准
按照美国钢结构技术(AISC)规范和美国船级社(ABS)规范2008版中设计标准要求，在SACS软件中，AMOD为许用应力系数，各个工况的取值如下。
1)静载工况AMOD=1.00。
2)作业工况AMOD=1.33。
3)滑移工况AMOD=1.00。
4)拖航工况AMOD=1.33。
校核结果与许用值之比为材料利用率，也叫UC值。该值小于等于1，即表示结构满足强度要求。如果在计算中出现材料利用率大于1，表示该钻台结构强度不足(除结构中应力集中区域)，需要进行局部结构加强处理。
3.2 计算结果
由于考虑环境载荷时分别计算了8个方向，结果不能逐一列举，表2中只显示了在各个工况下计算结果的最大值。
为了验证SACS简化模型计算的准确性，本文采用有限元软件ABAQUS按实际结构建模，且载荷与SACS模型中施加一致，见图5、6。表3为采用ABAQUS软件计算出的UC值。
表2 SACS计算结果
图5 ABAQUS计算模型和载荷施加图
表3 ABAQUS计算结果
从ABAQUS软件计算结果可以看出，UC值均小于1，表明强度满足要求，与SACS软件计算结果相差不多。
4 结论
1)该钻台在SACS软件结构强度计算校核中，材料利用率均小于1，即表示此结构满足强度计算要求。
2)通过与ABAQUS有限元软件计算结果对比发现，材料利用率相差不多。由此可知，钻台结构在SACS软件中简化合理，方法可行，结果满足计算要求，可免去繁琐的有限元建模。
3)自升式钻井平台由于其所处环境复杂多样，各部分载荷情况各异。在结构设计时，应充分考虑其差异性，分析方法可在本文所述基础上再按照实际情况分析计算，且要满足船级社规范及相关法规。
综上所述，钻台是自升式钻井平台钻井包中重要结构，本文通过对其结构强度分析方法进行探究，所得结果满足工程计算要求，并可为钻台结构设计的安全可靠性提供依据。
［1］赵建亭.自升式钻井平台的发展与前景［J］.中国海洋平台，2008(04):8-14.
［2］ABS.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit［S］.2008.
［3］李润培，王志农.海洋平台强度分析［M］.上海:上海交通大学出版社，1992.
［4］潘 斌.海洋自升式移动平台设计与研究［M］.上海:上海交通大学出版社，2008.
