海上钻井平台井架升级后的结构加强

蒋豪斌

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200436；2.美国船级社 上海代表处 上海200021）

海上钻井平台井架升级后的结构加强

蒋豪斌1，2

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200436；2.美国船级社 上海代表处 上海200021）

海洋钻井平台的井架在作业时受到各种环境载荷和自身工作载荷的作用，需要考虑多种组合工况和载荷成分。文中应用SACS有限元软件针对某升级钻井能力的平台井架建立三维有限元模型，对其在各种载荷和工况下进行直接计算分析，提出有效且经济的加强方案，使其能满足提高钻井能力后的要求。

海上钻井平台；井架；大钩载荷；有限元

引 言

许多海上油田经过数年或数十年的开采以后，浅层的石油天然气储量日益减少，因此产量逐年下降。但是在浅层之下更深处依然蕴藏着丰富的石油天然气资源。为了开采更深的油气资源，必须有钻井深度更深的钻井平台提供服务。

由于大钩载荷的增加，井架工作荷载增加，对井架结构安全性能产生不利影响，需做进一步的结构分析和评估。作为钻井设备的基础，任何钻井能力加强都必须由井架结构提供安全保障［1-2］。现以2004年投入使用的一座移动钻井平台为例进行分析。该平台井架结构设计型式为桁架式，总高64 m。井架结构均采用焊接工字形梁组成，相互之间采用螺栓连接。

该井架大钩设计载荷为907 t，为了提高作业能力，将原有井架的钻井深度提高10%，要求大钩载荷增加到998 t。本文对该平台井架升级后的结构响应进行了分析研究，并提出了经济有效的加强方案。

1 井架结构及有限元计算模型

1.1 井架介绍

钻井系统由提升系统、旋转系统、循环系统、传动系统、驱动系统、控制系统、钻机底座及辅助设备等8大系统组成。钻机的提升系统为了卸下钻具、下套管以及控制钻压、送钻等，钻机装有一套起升设备，主要由绞车、辅助刹车、游动系统（包括天车、游动滑车、大钩及钢丝绳）、井架等组成。

井架是钻采机械提升系统的重要组成部分之一。它是具有一定高度和空间的金属结构物，并有较好的整体稳定性。主要由主体、人字架、天车台、二层台、工作梯、立管平台、钻台和底座组成，是悬挂游动系统的基本结构。井架的结构类型主要分为塔形井架、A型井架和桅形井架，本文讨论的平台采用的是塔形井架。

游动系统是钻机提升设备之一，它将天车、游车和大钩用钢丝绳连接起来，组成了一个复滑轮系，又称为钻机的游动系统。天车一般是多个滑轮装在同一根芯轴上或两根轴心线一致的芯轴上。游车的形状为流线型，有一根芯轴，滑轮在轴上排成一列，其结构与天车相似。大钩是钻机游动系统的主要设备，它的作用是悬挂水龙头并通过吊环、吊卡悬挂钻杆、套管、油管，并完成钻井作业。 大钩载荷的大小，直接决定了钻井系统可以悬挂的钻杆、套管等的长度，从而决定了钻井的深度。游动系统中的大钩载荷由井架结构承担。

井架在钻井平台上的位置如图1所示，井架结构如图2所示。

1.2 井架基本参数

井架总高：64 m；底座尺寸：15 m×16 m；顶部尺寸：6.1 m×6.1 m。

图1 钻井平台

图2 钻井平台井架

1.3 材料参数

该井架所用钢材为Q390D钢，材料计算参数见表1。

表1 材料计算参数

1.4 计算模型

钢结构井架主要是由工字钢构成的大型空间桁架式结构，所受荷载为空间力系。计算模型使用梁单元进行模拟；梁或组合梁的连接处均作为节点，两节点间作为一个单元。根据井架的受力特点，对主要结构杆件划分单元进行计算，共计1 194个节点，1 193个单元。工字梁截面和材料特性根据井架设计图纸定义。计算模型如图3所示。

图3 有限元计算模型图

X方向：船艏为正；Y方向：右舷为正；Z方向：向上为正。

井架和钻井平台船体采用螺栓连接，因此底部四个支点均定义为简支。

1.5 计算工况及荷载

井架设计的主要工作载荷为正常作业情况和风暴情况，其主要受到如下载荷：

（1）自重：616 t，包括井架本身钢结构质量和挡风墙质量等。

（2）设备重：154 t，包括天车、油车、液压绞车、机械臂质量等。

（3）大钩载荷：悬挂钻杆、套管等的能力。大钩载荷的大小决定了可以悬挂钻杆等的长度，同钻井深度直接相关（原载荷907 t，升级后载荷998 t）。

（4）立根载荷：410 t，存放于井架上的钻杆对井架产生的作用力，包括钻杆所受的风载荷。

（5）环境载荷：包括风载，以及平台运动产生的加速度。

（6）风载荷：以海平面以上10 m处的风速值为基本风速（作业工况36 m/s，风暴自存51 m/s）。

计算公式为

式中：Ki为风方向和实际杆件夹角的计算因子；Vz为在高度Z的风速 ，m/s；Cs为形状系数；A为计算对象的投影面积 ，m2。

不受遮挡投影面积计算值如表2所示。

表2 风载荷投影面积

船体运动加速度取自船体运动分析报告，如表3所示。

表3 船体运动加速度值

根据美国石油协会（API-4F）［3］要求，确定计算工况组合表4所示。

表4 组合工况%

2 计算分析

2.1 主要构件应力分析

表5给出了井架大钩载荷增加前后各部分结构的应力（限于篇幅，仅给出应力较大梁的UC值［5］，即实际应力和许用应力比值）。由表5可看出，应力最大值出现在梁单元“540-32”，UC达到1.0，位置在主腿方向改变处，如图4所示。

表5 主要构件最大UC值

图4 分析结果应力UC图

通过对比可知，在升级后的大钩载荷作用下，原有井架各杆件应力虽然都有所增加，但是增加后的应力均在许用范围之内，亦即都在原有设计余量范围之内。局部杆件相对应力增加较大，特别是天车横梁和主腿方向改变处，局部杆件应力相对增加值达到22%。

UC超过0.95的工字梁尺寸如表6所示。

表6 工字梁尺寸

鉴于此井架为改装井架，已经服役将近10年，出于安全考虑，现决定对UC值高于0.95的梁进行加强，使之实际应力较许用应力有部分余量。

以工字梁“540-32”为例，此工字梁受力详情如表7所示。

表7 工字梁540-32应力情况

可见，此梁主要受轴向力作用，因此需加大工字梁截面积，从而减小轴向应力。其余各梁按其所受实际作用力分别加强，实际加强方案如下页表8所示，加强原则以增加最小的质量为首要考虑因素。

表8 加强后工字梁尺寸

结构加强后，维持载荷和边界条件不变，重新计算后得到主要梁应力比值如表9所示：

表9 加强前后应力水平比较

3 结 论

本文通过有限元法对移动钻井平台井架进行应力计算与分析，主要得到以下结论：

（1）通过有限元计算结果可知，此井架在工作过程中受大钩载荷影响较大的杆件位于天车支撑梁和主腿轴线方向改变处，增加大钩荷载后，应力增长率较大的也是同样地方。

（2）井架升级后，在998 t大钩载荷作用下，其最大应力仍低于许用应力。因此井架主体结构不会发生破坏。但考虑到平台服役将近10年，对UC值高于0.95的梁进行局部加强以保证一定安全裕度。

（3）通过计算分析，仅需对6根工字梁进行加强，结构质量增加仅12.9 t，仅为井架结构总重的2.1%，但大钩载荷能力增加了10%，即将原有钻井深度提高了10%。因此该加强方案经济有效，可以确保升级后井架的结构安全。

［1］马瑞杰，郭勤静，尹秀凤.自升式平台上层建筑强度分析［J］. 船舶，2013（4）：20-23.

［2］刘乐乐，李永超，刘华祥，等.半潜式平台横撑截面型式比较分析［J］. 船舶，2013（3）：33-36，53.

［3］American Petroleum Institute. API 4F-Specification for Drilling and Well Servicing Structures. 2008.3rd edition［S］. 2008.

［4］American Bureau of Shipping. ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit.2012［S］. 2012.

［5］American Institution of Steel Construction. Manual of Steel Construction –Allowable Stress Design. 2005. 13thedition［S］. 2005.

Structure reinforcement of upgraded derrick for offshore drilling platform

JIANG Hao-bin1,2
(1. School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200436, China; 2. Shanghai Agency of American Bureau of Shipping, Shanghai 200021, China)

Various combined operation conditions and load components should be considered because the derrick of offshore drilling platforms are a ff ected by the various environmental loads and self-loads under operation. This paper builds 3D finite element model of a platform with the upgraded drilling rig by SACS, performs direct calculation and analysis under the various operation loads, and puts forward the e ff ective and economic reinforcement scheme which can satisfy the requirements after promotion.

offshore drilling platform; derrick; hook load; FEM

U661.43

A

1001-9855（2014）04-0038-05

2013-10-11 ；

2013-10-31

蒋豪斌（1986-），男，硕士，工程师，研究方向：船舶结构。