基于ANSYS的HJJ31546型海洋井架安全性分析

何军国，余利军，刘志动，张　勇

基于ANSYS的HJJ31546型海洋井架安全性分析

何军国，余利军，刘志动，张勇

（南阳二机石油装备（集团）有限公司，河南南阳473000）

采用ANSYS软件对HJJ31546型海洋井架进行不同工况下的静力计算、模态分析及地震谱响应分析，得到了井架结构的固有频率、振型及在各种工况下的最大应力。结果表明：HJJ31546型海洋井架符合API Spec 4F设计规范；外界环境频率接近1．5 Hz时，井架可能会因共振而受到破坏；井架沿地震位移激励方向的响应明显。所得结论可为海洋钻机井架的设计、优化、评价提供理论依据。

井架；静力计算；模态分析；地震谱响应

井架是石油钻机的重要组成部分，承载着钻井设备的主要载荷，其力学性能的优劣直接影响着石油钻机的质量。由于所处环境及工况的差异，井架结构要面临各种挑战，相较于陆地钻机，海洋井架所处的环境则更加恶劣，风暴、波浪振动等均会使其力学性能发生变化，随着时间的推移而遭到破环，这对海洋井架的设计及安全可靠性提出了更高的要求，使得井架分析计算成为了一项重要任务。

许多学者通过使用ANSYS软件对钻机井架进行了不同力学分析，得到了相应的结果与结论［1-2］。本文将运用ANSYS分析软件对南阳二机石油装备（集团）有限公司自行研发设计的HJJ31546海洋井架进行分析计算，通过对不同工况下的静力计算、模态及随机振动分析，以获得充分的模拟数据，探究其设计可靠性，并供井架的设计优化使用。

1　海洋井架的有限元模型

1．1 井架结构及基本参数

HJJ31546型海洋井架为K形井架，主要由基段、下体、中下体、中体、中上体和上体井架组成，基段尺寸为7 500 mm×6 000 mm，井架上体尺寸为2 500 mm×2 650 mm。主要技术参数：

井架高度46 000 mm

最大钩载3 150 k N

井架抗风能力

不可预期（满立根，无钩载）36 m／s

可预期（五立根，无钩载）47．8 m／s

井架抗震等级8级

天车主滑轮直径1 270 mm

游动系统钢丝绳直径35 mm

游动系统轮系7×6

二层台高度24．5 m／25．5 m／26．5 m

二层台容量5 000 m

总质量11 5000 kg

1．2 模型的建立

HJJ31546型海洋井架结构复杂且整体为三维桁架结构，本文在建模过程中进行了合理简化。井架立柱和横撑、斜撑之间的焊结构简化为刚性连接；扶梯、护栏、立管等附属物对井架的影响很小，在建模时予以忽略，天车等零件在建模时不予建立，只在相应位置施加相应集中载荷，同时忽略筋板、耳板等连接部件；下体井架和基段之间采用耦合方式模拟两者之间的载荷传递，不建立实际的销轴连接方式。井架主要材料为H型钢，采用梁单元来模拟其空间梁结构，根据截面参数不同共设置22种截面形状。共划分1459个节点，873个单元，所建有限元模型如图1所示。

图1　HJJ31546型海洋井架有限元模型

2　静力计算

2．1 井架计算工况

根据API Spec 4F及设计要求，本文主要对其进行4种工况的计算分析，同时考虑每种工况正面和侧面风载方向，共计算8种组合工况［3］。具体工况如表1所示。

表1　井架计算工况

2．2 载荷的施加

海洋井架所受的载荷主要包括井架整体自重、工作载荷、立根载荷及风压载荷。其中井架自重通过ANSYS软件设置自动加载。

立根载荷由立根自重产生的垂直载荷和水平载荷组成，垂直载荷施加于钻机的底座上，对井架没有影响，水平载荷作用于井架的二层台指梁上，指向二层台两侧，计算公式为：

式中：W为立根自重力在水平方向的分力，N；q为立根每米的质量，kg／m，q＝36 kg／m；l为立根高度，m，l＝28．5 m；n为立根数，n＝180根；θ为立根与水平方向所成角度，θ＝87°；g为重力加速度，g＝9．8 m／s2。

立根作用于二层台的风载为：

式中：F为风载力；uz为风速，分别为42节、70节；Ki为井架纵轴与风向之间的倾角φ的系数，Ki＝1．0；Cs为形状系数，Cs＝1．2；d为立根外径，取d＝0．127 m。

风载荷的施加以风压的方式加载到井架上，根据API Spec 4F规范提供的井架风载计算公式可写成：

式中：p 为风压，井架构件纵轴上，N／m2；υref为设计风速，节；α为海岸结构安全等级系数；β为高度系数；Cs为形状系数，取Cs＝1．8。

2．3 计算结果及分析

通过有限元计算得到各工况下该海洋井架最大应力为172 MPa，稳定判别系数均小于1．0，井架材料主要为Q345，屈服极限值为σs＝345 MPa，井架最小安全系数为2．0，根据API Spec 4F规定，井架的安全系数不小于1．67，因此满足安全系数要求。

图2为工况1条件下正面风载时的应力和y向位移图，可以看出最大应力为172 MPa，最大位移为48．33 mm。最大应力单元位于井架下体与基段的内侧连接处，且应力较大单元主要分布在4根立柱上，这主要是由于在自重及最大钩载工况下，立柱是最主要承载结构，且在正面风载下井架沿风载风向略有倾斜，从而内侧立柱所受载荷较来风侧大，因此最大应力单元出现在内侧立柱与基段连接处。

图2　工况1正面风载时井架的应力及y向位移

3　模态分析

井架在工作时会受到平台设备、钻机及海洋环境的影响，对井架分析时应考虑其固有频率与其他扰动激励的作用以避免产生共振。Block Lanczos法适用于大多数物体的模态分析，且对中型、大型模型振型的提取分析更加有效，考虑井架结构具有低频振动特性，采用该法对井架进行模态计算，并提取模态分析的前5阶振型予以分析。

图3为前5阶振型，频率分别为1．44、1．55、2．72、3．89和6．79 Hz。1阶振型主要表现为井架的整体扭转；2阶振型主要表现为沿x y平面侧弯，上体井架弯曲最为明显，中下体、下体及基段变化不明显；3阶振型表现为整体绕y轴扭转，及在xy平面内的二阶弯曲；4阶振型主要表现为沿yz平面的侧弯；5阶振型主要表现为局部井架中体发生局部弯曲，以二层台部位弯曲最大。

井架1阶振型的整体扭转说明井架的抗扭强度低，2阶振型沿xy平面侧弯，说明井架底座的支腿为关键结构，其强度的大小将影响整个井架的安全。由模态分析结果可以看出，前5阶的固有频率均在7 Hz以内。考虑到海流、海浪等均为间接作用于井架，且平台主要运转设备与井架相距较远，井架的激励源主要为钻机绞车、转盘及海风。转盘驱动转速为80～120 r／min［4］，扰动频率在2 Hz以内，绞车主滚筒转速0～415 r／min，频率为0～7 Hz，因此，绞车的激励易激发井架前5阶共振，绞车与转盘的转动频率应远离共振区。

4　地震谱振动分析

井架的地震振型谱计算主要基于随机振动理论，它是一种连续系统，数学模型可描述为如下的偏微分方程：

式中：φi为线性微分算子；ρi（s）为惯性系数；ci（s）为阻尼系数；Lij（s）为结构算子；Fi（s，t）为随机场，位移分量必须满足边界及初始条件。

采用随机振动理论对海洋井架整体进行地震响应分析，以前5阶模态分析为基础，计算在z方向地震位移激励谱作用下HJJ31546型海洋井架整个结构的响应情况，表2为井架沿z方向的激励谱。

表2　井架z方向地震位移激励谱［5］

由模态分析可知，海洋井架顶点的振幅最大，因此本分析将重点考虑地震激励下井架顶点的频率响应情况，图4为顶点沿z方向的位移加速度响应曲线。

图4　井架顶点z方向位移与加速度响应曲线

由图可以看出，频率为1．5 Hz时，井架顶点在第2阶振型时的z向位移最大，同时，该频率下z向加速度也最大。该频率位于转盘及绞车激励频率范围内，具有发生共振的可能性，井架发生剧烈震动的可能性极大，因此应适当调整转盘及绞车位置，避免井架受该频率的影响。当暴风在该频率附近时则无法避免。

5　结论

1） 通过对HJJ31546型海洋井架整体结构进行风载下的静力、模态、随机振动分析，得到了井架结构的固有频率、振型及在各种工况下的最大应力，并依据API Spec 4F规范予以分析，结果表明该井架强度足够。

2） 当外界环境频率接近1．5 Hz时，井架可能会因共振而受到破坏，应予以重视。

3） 对井架进行地震位移激励作用时，井架沿该方向的响应明显，这会对井架的力学性能产生影响，因此应定期测试该方向上的应力变化。

4） 该井架经过CCS审核，并通过出厂应力测试。

［1］ 李夯，齐明侠．基于ANSYS的K型井架结构研究［J］．石油矿场机械，2008，37（2）：5-7．

［2］ 周莉莉，黄亮，徐晓磊，等，HXJ158C型海洋修井机有限元计算与分析［J］．石油机械，2013，41（6）：63-67．

［3］ API Spec 4F，Drilling and well servicing structures［S］．

［4］ 宋德玉．可编程控制器原理及应用系统设计技术［M］．北京：冶金工业出版社，2001．

［5］ 高学仕，汪炳贵，王栋，等．HJJ450／45T型海洋井架动力特性分析［J］．石油矿场机械，2009，38（5）：38-41．

Safety Analysis of Model HJJ31546 Offshore Derrick Based on ANSYS

HE Junguo，YU Lijun，LIU Zhidong，ZHANG Yong
（RG Petro-machinery（Group）Co．，Ltd．，Nanyang 473000，China）

The ANSYS software was used to simulate static calculation of different conditions，modal analysis and random vibration analysis．The natural frequency and mode of the derrick were obtained，as well as the maximum stress in a variety of conditions．It is found that model HJJ31546 offshore derrick complies with API Spec 4F design specifications．Derrick may be damaged due to resonance when the frequency of the external environment is close to 1．5 Hz．It also has obvious incentive along the direction of the seismic response of displacement．This study can provide the basis for offshore derrick design and optimization and is important for the mechanical function evaluation of offshore derrick simultaneously．

derrick；static calculation；modal analysis；seismic response sp ectrum

TE951

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．016

1001-3482（2015）02-0071-04