基于API标准的浮式平台塔形井架有限元计算

梁　政，黄文俊，李　峰，蒋发光，侯　敏（．西南石油大学机电工程学院，成都60500；．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡700）①

基于API标准的浮式平台塔形井架有限元计算

梁政1，黄文俊1，李峰2，蒋发光1，侯敏2
（1．西南石油大学机电工程学院，成都610500；2．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002）①

半潜式钻井平台的塔形井架承载大、高度高、工况恶劣，需重点校核其变形和应力。以某塔形井架结构及海洋环境数据为对象，建立井架有限元模型，采用API Spec 2C—2004规范确定井架的等效计算载荷，通过ANSYS软件模拟计算设计载荷作用下井架的变形位移及应力分布。结果表明，井架可满足正常作业工况下的强度要求；但在设计生存工况下井架的最大变形发生在井架顶端，达到30．28mm，最大应力发生在井架地脚与平台连接处，达到305 MPa，接近材料的屈服极限，需要引起高度关注。研究结果可为半潜式钻井平台井架设计计算与安全评定提供一定的参考。

半潜式钻井平台；钻机；井架；有限元分析

浮式平台钻机井架下端支腿采用法兰连接在钻井平台上，为浮式平台钻机起升系统的关键装备。在作业过程中钻机井架除了受到自重力、大钩载荷、工作绳拉力及风载作用外，还受到波浪流引起的平台运动产生的井架动载的影响。相比陆地钻机，浮式平台钻机井架更容易受到较大的应力、产生变形，可能引起井架结构的失效与断裂。为此，需要进行浮式平台钻机井架的强度、刚度、稳定性等方面的分析计算。本文重点研究各种载荷组合与运动边界条件下井架的等效载荷计算方法。

国外相关研究者对海洋钻井平台及其上钻井设备的静动态特性、地震激励、波浪载荷等对平台结构的动态特性影响已做了大量的研究［1］，丰富了井架载荷的试验研究方法；同时对井架在风载、波浪和冲击载荷等作用下的平台上设备的响应特性也有大量的研究，并部分进行过波浪流模拟试验［2］。国内学者对陆地钻机井架的静、动态特性进行了研究［3］；对海洋平台及其上钻井设备的振动特性研究也较多，但目前尚未见关于海洋浮式平台钻井井架在各种载荷组合与海洋平台动态边界共同作用下的有效分析设计方法，也未见相关的分析设计标准。为此，需进一步研究和完善海洋平台钻机井架的计算与评估方法，本文为国家863项目子课题“深水钻机关键结构动力学分析（2012AA09A203-01）”的部分研究成果。

1　井架模型的建立

以某半潜式钻井平台钻机塔形井架的结构（如图1）为基础，在ANSYS有限元软件中按桁架方式建立1∶1的井架三维仿真模型，井架高度为57m，其设计大钩载荷9000kN，钢架整体采用H型钢，材料为Q345，具体参数如表1。为便于有限元分析，对井架模型加载时作如下简化：

1） 井架二层台、天车及工作梯等的重力忽略不计。

2） 井架大钩载荷平均分配到井架顶部4个节点上。

3） 井架杆件各节点之间为刚性连结。

4） 井架底座铰支与平台为全约束。

表1　Q345钢的力学性能

2　井架的载荷分析

海洋平台设计规范主要有ABS和DNV，这些规范内容相当详细，但始终难以保证对平台上的所有设备、所有材料及所有工艺等有明确规定［4］。目前还没有浮式平台钻机井架的设计标准，仅有API Spec 2C—2004［5］（以下简称API）海上平台起重机规范与井架结构类似的标准，它是一种准动态的等效计算方式，综合考虑了静载、平台运动引起的动载和风载等，将动态载荷进行极值化处理的一种静态设计方法。

采用API［5］标准，对于浮式平台设施，其上的井架结构物所受的载荷主要有：垂直设计载荷FG、环境载荷（通常是风载荷Pw）、惯性载荷（包括水平惯性载荷Wh和垂直惯性载荷Wv）。

式中：FG为垂直设计载荷，N；WSL为额定载荷，N；Cv为设计系数；v为风速，m／s；Cs为部件形状系数，Cs＝2．0［5］；pw为风压，Pa；m为井架质量，可按段计算或让结构具有密度自动产生，kg；g为重力加速度，取g＝9．8m／s2；Wv为垂直方向上的惯性载荷，N；av为垂直方向上的加速度系数；Wh为水平方向上的惯性载荷；ah为动态水平加速度系数。

3　载荷组合及计算

南海某海洋平台的实际统计工况及各工况参数如表2。

表2　算例参数

设计井架仅在工作工况下（正常作业工况和隔水管连接工况）施加顶部钩载，其余非工作工况无钩载，仅有惯性载荷和风载。为便于分析和更全面作对比，风载荷分为90°、135°、180°三种入射风向，水平惯性载荷随机沿坐标轴4个方向施加，则五种工况共有60种组合。为减少计算量，设计井架应能承受平台最极端工况，因此只需分析设计生存工况和正常作业工况两种代表工况，即可简化为分析24种工况组合。具体计算如下：

1） 垂直设计载荷。井架顶部钩载来自悬挂重物，若未给定设计载荷，按公式（1）计算；当给定设计载荷时，按照设计的最大钩载赋值。此处垂直设计载荷FG为9000kN。

2） 风载荷。由公式（2）知：正常作业工况下风压为654．21Pa；设计生存工况下为3708．65Pa。在计算等效风载时，将井架等效划分为7段，近似将风载视为作用于该段中间位置的集中载荷，只需在对应的承风面上施加对应的风载，如图1所示。每段的实际承风面积根据井架图纸资料按照各段进行统计，统计结果如表3所示。

图1　井架受力面的划分和受力位置示意

表3　井架各段的承风面积

表4　风载荷数值

3） 惯性载荷。对于半潜式平台：av＝1．0＋0．007535×H2≥1．07，ah＝0．023H≥0．03。其中H为有义波高。不同工况水平和垂直方向上惯性载荷的计算结果，如表5。

表5　水平及垂直方向上附加惯性载荷数值

4　有限元计算结果与分析

以“正常作业工况风载135°入射”为例，在AN-SYS有限元软件中施加最大钩载、135°风载、－y向水平惯性载荷和垂直惯性载荷，将各井段载荷平均施加于该井段截面对应节点上，图2所示为施加边界条件与载荷后的有限元模型。

图2　载荷约束的井架有限元模型

该组合工况下井架的应力、位移云图如图3～4所示。对井架在其余各工况下的受力和变形逐一进行分析，得到相应的应力和位移分布（如表6），其中工况1、2、3分别对应90、135、180°三种风向。

图3　Von Mises等效应力云图

图4　位移云图

由正常作业工况2的计算结果可知，井架的最大VonMises应力为199．423MPa，位于井架地脚与平台连接处，小于井架的许用应力，即该井架能够满足“正常作业风载135°入射”工况的强度要求。图4中虚线表示变形前位移，实线表示变形后位移，通过对井架满载前、后变形情况分析可知，在工况2的等效载荷下，承载过程中井架最大位移发生在井架顶部，且沿斜下方向变形为22．298mm。

表6　不同工况组合下的有限元计算结果

由表6的应力及位移计算结果可知，从位移水平考察，正常作业工况和设计生存工况最大变形位移均出现在井架顶端，且工况2水平惯性载荷为－y方向入射时变形量最大，绝对值分别为22．298mm和30．280mm。从应力水平考察，正常作业工况1和工况3的最大Von Mises应力值为190．797MPa和203．757MPa，均小于许用应力207MPa，满足强度要求；设计生存工况1、工况2和工况3的最大VonMises应力值分别为267．436、304．789和247．680MPa，超过了许用应力，但此设计工况为百年一遇的设计生存工况，由文献［7］可知，Q345极限抗拉强度为470MPa，计算最大应力值均小于该强度极限，满足强度要求。

5　结论

1） 利用API标准载荷计算法则，结合AN-SYS软件对该海洋塔形井架结构进行三维有限元分析，结果表明，此井架可满足正常作业工况下及设计生存工况的强度要求。

2） 设计生存工况等极限工况虽然在实际工作中出现的可能性很低，一旦发生也会给井架带来破坏性危险，因此可以考虑采取结构优化或加强措施以提高应力水平。从应力水平考察，该井架V大门对侧2根立柱受力最大，为主要承载构件，同时也是井架承载的薄弱环节。为了提高该井架的承载能力，例如可选择改变立柱的截面参数，将宽高比适度地增大等增强措施。从位移水平考察，井架满载前、后最大变形位移均出现在井架顶端，这主要是由于塔形井架承载过程中结构形状发生变化，从而导致井架顶端产生一定的倾覆倾向的位移，在进行结构补强设计时可在井架上体前后4个主腿的H型钢处焊接加固板，以增加井架结构的稳定性。

［1］ Hans Rolfsman，Goetaverken A B，Arendal．Wind Force on a Semisumersible Equipped With Alternative Drilling Der-ricks［C］／／Proceedings of the 15tth Annual OTC in Houston，Texas．1983．

［2］ Gomathinaygam S，Vendhan C P，Shanmugasundaram J．Dynamic effects of wind loads on offshore deck structures-A critical evaluation of provision and prac-tices［J］．Journal of wind engineering and Industrial aerodynamics．2000（84）：345-367．

［3］ 胡朋．浮式钻井平台塔形井架的动态特性研究［D］．东营：中国石油大学，2005．

［4］ AWS D1．1／D1．1 M：2008，钢结构焊接规范（中文版）［S］．

［5］ API Spec 2C—2004．海上平台起重机规范（中文版）［S］．

［6］ SY／T 5025—1999，钻井和修井井架、底座规范［S］．

［7］ GB50017—2003，钢结构设计规范［S］．

［8］ 陈如恒，沈家俊．钻井机械的设计计算［M］．北京：石油工业出版社，1995：269-272．

［9］ 邹龙庆，付海龙，任国友．JJ160／41-K型井架有限元分析与承载能力研究［J］．石油矿场机械，2004，33（6）：33-35．

［10］ 许仁波，段晶晶，邓荆江，等．K型井架有限元仿真分析及检测方案优化［J］．石油机械，2014（1）：14-17．

［11］ 管锋，周传喜，张晓雅，等．海洋钻机井架承载能力及结构补强分析［J］．石油机械，2014（4）：20-24．

［12］ 周传喜，张延水，南丽华．海洋修井机井架有限元分析及结构优化［J］．石油机械，2008（9）：54-57．

［13］ API SPECIFICATION 2C—2012．Offshore Pedestal-mounted Cranes［S］．

Finite Element Calculation of T-shaped Derrick on Floating
Platform based on API Standard

LIANG Zheng1，HUANG Wenjun1，LI Feng2，JIANG Faguang1，HOU Min2
（1．College of Mechanical and Electronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2．Baoji Oilfield Machinery Co．，Ltd．，Baoji 721002，China）

T-shaped derrick on the semisubmersible drilling platform has large load capacity，high altitude and bad working conditions，needs to focus on the calculation and checking．Taking a T-shaped derrick structure andmarine environment data for the object，finite elementmodel of the derrick is built．The API Spec 2C—2004 specification is used to determine the equivalent computa-tional loads of the derrick，and ANSYS simulation software is used to calculate the deformation displacement and stress distribution of derrick under the designed loads．The results show that the derrick canmeet the strength requirement in normal operating condition，but themaximum de-formation of derrick living in designed and survival conditions occurs at the top of the derrick，up to 30．28mm，themaximum stress occurs in the joint of derrick foundation and platform，reaches 305 MPa，close to the yield limit of thematerial，need to pay high attention．The research results can provide a certain theoretical reference for the designed calculation and safety assessment of derrick on semisubmersible drilling platform．

semisubmersible drilling platform；drilling rig；derrick；FEM

TE951

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．003

1001－3482（2015）08－0011－05

①2015－01－25

国家高技术研究发展计划（863计划）“深水钻机关键结构动力学分析”（2012 AA09A203-01）资助

梁 政（1960-），男，四川广安人，教授，博士生导师，主要从事石油天然气装备方面的教学科研及管理工作，Email：liangz＿2242＠126．com。