某400 ft自升式平台可拆式钻台结构强度研究

杨 勇，曾 骥，李春辉，王钰涵

(上海外高桥造船有限公司上海外高桥造船海洋工程设计有限公司，上海200137)

某400 ft自升式平台可拆式钻台结构强度研究

杨 勇，曾 骥，李春辉，王钰涵

(上海外高桥造船有限公司上海外高桥造船海洋工程设计有限公司，上海200137)

以某400 ft自升式钻井平台悬臂梁钻井模块的钻台结构为研究对象,根据ABSMODU规范要求进行载荷计算与工况选取,探讨钻台结构强度的分析流程,借助有限元分析软件MSC Patran/Nastran对钻台的结构强度进行计算校核,分析钻台在各工况下的高应力区域,提出改进建议。

自升式钻井平台;可拆式钻台;有限元法;强度分析

我国周边海域的油气资源主要集中于渤海湾、南海、东海等海域。自升式钻井平台在大陆架海域的油气开发中占据着主要地位［1］,但我国部分大陆架的水深较深,开采难度相对较高,因此发展高性能自升式钻井平台迫在眉睫。建造自升式钻井平台所需要的钢材较少,造价相对较低［2］,平台主要由一个上层平台及几个支撑、并可以升降的桩腿组成［3］。桩腿的外形主要有圆形、三角形和方形［4］。位于上层平台上的钻井模块作为平台的核心部分,承担着油气勘探和钻井的重要职责,在新建的自升式钻井平台中,悬臂梁钻井模块被广泛地采用,因为其很大程度上提高了平台的作业功能［5-6］。钻台结构是钻井模块的主要部分,其下部与悬臂梁结构连接,上部布置有井架和各式钻井设备。钻台和悬臂梁的连接方式可以分为一体式和可拆式［7］,可拆式连接中,钻台移动更加灵活,作业操作更加方便、效率更高,使得平台整体性能更加优越。

钻台结构的强度校核十分重要,有学者利用SACS软件对钻台结构进行简化建模,将大型析材以梁的形式建出,忽略小结构,对钻台结构进行强度校核［8］;也有学者利用SACS软件对钻台进行建模与强度分析,其将弱构件的截面积与惯性矩等效叠加到相应主梁上［9］。上述工作是利用SACS软件进行简化建模,该方法在计算钻台的整体强度时较为准确,但是对于钻台结构而言,其受力形式较为复杂与分散,对于弱构件进行建模并进行强度分析也是有必要的,同时两者均没有建出钻台风墙结构,对于风墙所受到的风载荷和设备载荷没有办法进行准确考虑与加载,而这些载荷对钻台的强度与应力分布也是有一定影响的。为此,以某400 ft自升式钻井平台的钻台结构为研究对象,根据相关规范要求［10-11］进行工况选取和载荷计算,利用有限元软件MSC Partan/Nastran建立完整的钻台结构模型,包括所有强框架以及弱构件,进行计算与后处理,对该钻台进行强度校核,找出钻台应力与各载荷之间的关系及其随环境载荷来向的变化趋势,并对高应力区域给出改进建议。

1 有限元模型与校核标准

1.1 计算模型

钻台结构主要由主梁、次要梁、钻台面、风墙、钻台支腿和井架支腿构成,钻台支腿与井架支腿与呈框架形设置的4道主梁连接,主梁跨距为12.2 m×12.2 m,钻台高度为4.1 m,风墙高度为6.0 m。模型总共包含83 663个单元,所有主要主梁、次梁、支腿等均用面单元进行模拟,加强筋与骨材用梁单元模拟,高应力区域采用50 mm× 50 mm尺寸细网格建模。所有次要构件均包含在模型中,追求钻台刚度模拟的精确度,钻台整体有限元模型见图1。钻台支腿连接钻台与悬臂梁,井架支腿是钻台面上支撑井架的结构,钻台支腿和井架支腿有限元模型见图2。

1.2 材料属性与校核标准

该钻台结构建造采用ABSAH36/EH36级钢和A级钢,对应的屈服强度分别为355 MPa和235 MPa。杨氏模量取为206 GPa,泊松比取为0.3,密度取为7 850 kg/m3。其中,A级钢用于建造钻台风墙结构和部分非主要受力区域的加强筋以及骨材,而钻台其余部分均使用AH36/EH36级高强度钢,在强度校核中应该加以区分。

图1 钻台模型

图2 支腿模型

根据美国船级社ABSMODU规范第3部分规定,对于AH36/EH36级钢和A级钢以及不同的网格尺寸大小所规定的安全系数及许用应力计算结果见表1。

2 工况选取与载荷分析

2.1 工况选取

钻台强度计算与校核选取工况为远洋拖航工况、作业工况和滑移工况。远洋拖航工况相对于油田拖航工况,钻台和井架承受着更大的环境惯性载荷,受力相对更大,因此选取远洋拖航工况进行分析即可。作业工况分成两大类,一类是结构承受大钩载荷没有转盘载荷,另一类是结构承受转盘载荷没有大钩载荷,需要分别进行考虑。滑移工况指钻台与悬臂梁之间的相对滑移状态,是可拆式钻台结构的特有工况,通常不是主要受力工况。

区别于传统的一体式钻台悬臂梁连接方式,进行钻台强度分析时,可以直接建出部分悬臂梁舱壁模型,任意工况下均将约束条件施加于悬臂梁模型之上。可拆式钻台结构的边界条件选取是该型钻台强度分析的重点,需要综合考虑各不同工况下保险装置的约束作用和滑移轨道的支撑导向作用,钻台可以作为一个独立的分析对象,无需对下部悬臂梁建模。边界条件约束见图3。图中1代表约束,0代表放开。

图3 边界条件

2.2 载荷分析

钻台所受载荷主要可以分为固定载荷、井架载荷、可变功能载荷和环境载荷。某作业工况载荷施加见图4。

固定载荷是指布置于钻台和钻台风墙上的各式设备的设备重量,重量较大的设备主要包括钻井绞车、转盘、钻井钢丝绳滚筒及智能排管机,等。其中,比较特殊的是钻井绞车,钻杆的提升与下降都是大钩通过与其配合完成,在作业工况计算中,需根据厂家提供的绞车支反力报告,以支反力的形式加载于钻台相应位置。

井架属于大型析架式结构,由布置于钻台面上的井架支腿所支撑。由于重心高、质量大,受环境载荷影响大,其对钻台结构强度的影响不容忽视。以设备厂家提供的井架支反力作为井架载荷施加于有限元模型相应位置处。

图4 施加载荷

可变功能载荷主要包括大钩载荷、转盘载荷、立根盒载荷和钻台面工作载荷。作业工况中,大钩载荷与转盘载荷不能同时存在,因为相关钻具不可能同时吊在大钩之上和卡于转盘之上。两载荷力的大小相等,大钩载荷主要体现在设备厂家所提供的井架支反力中,因此在施加转盘载荷时,需将井架支反力中减去大钩载荷的部分;立根盒载荷来源于存放在该区域的钻杆。

环境载荷主要包括风载荷和由波浪引起的惯性载荷。风载荷体现在任意工况之中,由于钻台面上有井架结构和风墙结构,整个钻台的受风面积是较大的,风载荷计算公式可以参考相关船级社规范。惯性载荷主要体现在远洋拖航工况中,是该工况下的钻台的主要外载荷,横摇角度和纵摇角度为15°,垂荡振幅为2 m,3个运动周期均为10 s。根据相关规范要求,环境载荷需考虑0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°这8个来向。定义环境载荷来向见图5。

图5 环境载荷来向

3 计算结果与讨论

3.1 计算结果

钻台支腿最大应力393 MPa出现在拖航工况遭受来向180°环境载荷,该值小于403 MPa(许用应力)。井架支腿最大应力为234 MPa,出现在远洋拖航工况遭受来向45°环境载荷时,该值小于许用应力320 MPa。梁框架最大应力为278 MPa,出现在有转盘载荷时的作业工况,该值小于许用应力320 MPa。风墙最大应力为189 MPa,出现在远洋拖航工况遭受来向180°环境载荷时,该值小于许用应力211 MPa。各工况下最大应力随环境载荷来向的变化见图6。

图6 应力变化

钻台支腿、井架支腿、梁框架和风墙分别出现 最大应力时的应力分布见图7。

图7 应力分布

3.2 结果讨论

钻台支腿、井架支腿和风墙结构在远洋拖航工况中应力较大,因为此时钻台面上的井架结构受到环境载荷的影响较大,惯性力很大,从而产生较大支反力作用于井架支腿之上,导致钻台支腿和井架支腿在这一工况下出现较大应力。而同时钻台支腿作为整个钻台的支撑,应力更高。对于钻台支腿,在保证现场施工方便的前提下,可以对支撑加强进行一定增宽与加厚。以单个钻台支腿为研究对象,发现其最大应力随着环境载荷来向呈现出明显的波浪形变化趋势。由于远洋拖航工况下,钻台风墙离水平面更近,所受到的风压相对于作业工况也更小,但是结果显示风墙应力在远洋拖航工况下更高,波浪引起的惯性载荷是导致这一现象产生的主要因素。梁框架在远洋拖航工况中,应力较大区域为智能排管机下方的支撑梁,因为该工况下惯性力较大,而智能排管机质量大、重心高,从而导致其下方的支撑梁出现较大应力。梁框架在作业工况中,承受转盘载荷时的最大应力比承受大钩载荷时的最大应力要高出2～3倍,应力较大区域为转盘区域的梁结构,可见相关钻具卡于转盘区域之上时,对附近的支撑梁强度影响还是较大的。对于梁框架,最大应力均出现在梁与梁的角隅连接处,可以在这些应力较大区域布置肘板或对已有肘板进行尺寸调整。

4 结束语

可拆式钻台结构相对于一体式钻台结构,作业操作更加方便、效率更高,其结构强度分析重点是对其边界条件的定义,需要体现出滑移轨道和保险装置对钻台支腿结构的支撑与导向作用。钻台结构强度分析载荷种类较多,在进行准确计算的同时还需要注意不同工况中各载荷的选取。对计算中发现的高应力区域需要加以特别关注,进行结构形式上的改进或加强。

与其他学者进行简化建模,将风墙和弱构件进行忽略或是等效不同,对钻台结构进行完整建模与强度计算,可以充分进行载荷的施加,在保证钻台整体强度满足要求的同时,对于钻台的一些局部区域强度也可以进行准确校核。

钻台是整个自升式钻井平台的核心部分,其结构强度满足要求是保证钻井工作顺利开展的必要前提。通过对其结构强度分析流程进行研究,所得到的计算结果满足相关规范的要求,可以为实际工程建造提供安全可靠性的依据,并为今后其他钻台的结构设计提供参考。

-［1］汪张棠,赵建亭.我国自升式钻井平台的发展与前景［J］.中国海洋平台,2008,23(4):8-3.

［2］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.

［3］杨永祥.船舶与海洋平台结构［M］.北京:国防工业出版社,2008.

［4］李治彬.海洋工程结构［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1999.

［5］陈 宏,李春祥.自升式钻井平台的发展综述［J］.中国海洋平台,2007,22(6):1-6.

［6］宋旭平.自升式钻井平台改造设计方案及可行性研究［D］.青岛:中国海洋大学,2005.

［7］王龙庭,王西录,梁会高,等.国外自升式悬臂梁钻井平台结构特点［J］.海洋石油,2009,29(4):89-93.

［8］高学静,张洪欣.自升式钻井平台中钻台结构强度分析研究［J］.船海工程,2013,42(3):174-176.

［9］汪 怡,于小伟,黄曌宇.自升式平台钻台结构强度分析［J］.船舶工程,2013,35:75-76.

［10］American Bureau of Shipping.Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units［S］.2014.

［11］中国船级社.海上移动平台入级规范［S］.北京:人民交通出版社,2012.

Research on Structural Strength of the Disconnect-type Drill Floor of a 400 ft Self-elevating Drilling Unit

YANG Yong,ZENG Ji,LIChun-hui,WANG Yu-han
(ShanghaiWaigaoqiao Shipbuilding&Offshore Engineering Design Co.,Ltd., ShanghaiWaigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd.,Shanghai200137,China)

A 400 ft self-elevating drilling unit drill floor structure of a cantilever-type drillingmodule is taken as the research object.The loads are calculated and the load cases are setbased on the ABSMODU rules.The flow path for drill floor structural strength analysis is studied.The strength is assessed by using MSCPatran/Nastran.As a result,the high-stress areas in different load cases are found and the suggestions for improvement are put forward.

self-elevating drilling unit;disconnect-type drill floor;finite elementmethod;strength analysis

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.022

U674.38;P751

A

1671-7953(2015)03-0090-05

2015-03-03

修回日期:2015-03-15

杨 勇(1988-),男,硕士

研究方向:海洋工程结构设计与强度分析

E-m ail:yycjx19881030@126.com