海洋井架不同工况下的安全性评估

[太重(天津)滨海重型机械有限公司技术中心，天津 300000]

海洋井架不同工况下的安全性评估

邳帅郭亮赵志朋

[太重(天津)滨海重型机械有限公司技术中心，天津 300000]

为保证井架钢结构在海洋环境中的安全性，通过建立典型海洋井架模型，对在不同工况、不同风向下的井架进行有限元分析计算，得出井架在不同工况下的最大应力并指出其薄弱部位。结果表明，井架收口处应力接近许用应力，该结果对今后海洋井架的安全评估具有参考意义。

井架；安全性评估；有限元计算

海洋井架是海洋钻机的重要组成部件之一，其安装在钻台底座上，与钻机配套使用，用于安放天车、悬挂提升系统、进行起下钻具、排放立根、下套管、处理井下事故等作业[1]。海洋井架通常由井架主体、二层台、挡风墙、井架走台和笼梯、顶驱导轨、稳绳器、套管扶正篮、天车防碰装置等组成。井架作为钻井设备主要承载结构，其力学性能的优劣直接影响着钻机系统的质量[2]。

目前海上钻井工况复杂且环境恶劣，特殊的海洋环境给海洋井架带来了更大挑战，随着我国海洋石油钻井向深水、超深水方向发展，海洋设备重量逐渐增大，使得海洋井架不但要承受工作载荷，还要承受风载荷以及海洋环境载荷[3]。几十年来，井架钢结构出现的生产安全事故数不胜数，造成了巨大的经济损失[4]，因此井架在海上钻井作业中的安全性成为不容忽视的问题。表1列出了主要海洋平台钻机井架的结构形式[5]。

表1 国内外生产的海洋钻机井架结构形式

根据国内外井架形式发现，瓶式塔形井架自开发使用后，得到了各公司的一致认可，认为该井架形式适合平台吊装安装、结构合理、安装占地面积小，安全性能高，推动了深海钻井设备的发展[6]，故本文以某自升式钻井平台9 000 m井架为例，依据API Spec.4F《钻井和修井井架、底座规范》[7]的规定，综合井架上各个设备和海洋工作环境对海洋井架的影响，进行井架在不同工况下的有限元分析计算，指出各工况下井架薄弱结构，为今后海洋井架结构的安全评估提供了参考。

1 井架形式及参数

该井架为瓶式塔形井架，主体为四面桁架式钢结构，由大尺寸的H型钢作井架主体立柱，整个井架体是四根立柱和众多横斜腹杆经螺栓连接成一个整体；井架设有两套梯子系统，可分别到达二层台和天车平台；井架一侧设有一对平行的顶驱导轨，通过连接架与井架主体连接；二层台四面设有挡风墙。井架结构见图1[8]。

图1 井架结构1.井架主体 2.走台和笼梯 3.二层台及挡风墙 4.顶驱导轨

井架主要技术参数如下：

井架高度：52 m；

最大额定静钩载：6 750 kN；

井架抗风能力： 可预期风速：51.5 m/s

不可预期风速：36 m/s

工作状态最大风速：24.7 m/s

二层台高度：26.5 m

总质量:234 t

环境温度：-10 ℃-50 ℃

顶部跨距：5.486×5.486 m; 底部跨距：12.192×12.192 m

2 计算分析

2.1 井架主要构件尺寸

井架编号尺寸见表2。

表2 井架编号尺寸

2.2 载荷分类

海洋井架的设计载荷包括固定载荷、工作载荷、环境载荷三类，如表3所示。

表3 井架载荷分类

井架自重以重力加速度的方式加到结构上，天车自重、游车自重、顶驱自重、钢丝绳拉力平均分配到井架顶端的四个节点上，立根载荷以线载荷的形式加在二层台的指梁上，顶驱工作载荷以集中力的形式施加于顶驱轨道不同的位置。

2.3 计算工况[2]

根据API 设计规范，主要对三种工况：作业、预期风暴自存、非预期风暴自存，进行分析计算，同时考虑每种工况+X方向、+Y方向、45度沿+X方向的受力工况，省略-X、-Y方向的工况。具体9种工况如表4所示。

表4 井架计算工况

2.4 计算结果

井架有限元模型及计算结果如图2、图3所示。

图2 井架有限元模型及应力计算结果

图3 井架计算结果

3 结 论

(1)井架计算表明，在最大钩载6 750 kN时，井架最大应力值为203 MPa，位置在井架四根立柱由垂直状态变为倾斜状态的交界处，材料的屈服材料为345 MPa，安全系数为1.71，高于API规范中要求的安全系数1.67，故该井架满足强度要求。

(2)立柱由垂直状态变为倾斜状态的交界处应力最大，发生在作业状态、+Y方向下，此位置在9个工况中的安全系数均小于1.85，需特别加强，可增加井架立柱的尺寸或者材料，使其能够承受更大的载荷，提高井架结构的安全性。

(3)此外，井架前底部大开口处，最大应力也达到160 MPa左右,发生在作业状态、+X方向下，这是由于在自重及最大钩载的迎风状态下，该处开口大，加强结构少，作为立柱作为主要加强构件，受力变大。

(4)井架收口处的斜拉筋也需注意，由于此处主立柱受力最大，应适当增加斜拉筋尺寸。

(5)根据有限元分析结果，给出需要加强的薄弱部位，与实际情况相对照，基本符合，对其他类型井架的安全评估使用具有一定参考作用。

1 刘伟杰. 自升式钻井平台井架结构分析[D].青岛理工大学，2013.

2 何军国，余利军，刘志动. 基于ANSYS的HJJ31546型海洋井架安全性分析[J].石油矿场机械，2015，44(2)：71-72.

3 张辉，冯利杰，潘志杰. HJJ675/52-T型海洋井架在风暴自存下的特性分析[J].石油机械，2014，42(12)：48-49.

4 韩东颖，吴畏. 井架钢结构在风载工况下的安全性分析[J].广西大学学报，2013，38(6)：1293.

5 张勇. 海洋钻机井架技术现状及发展趋势 [J].石油机械，2009，37(8)：93-94.

6 葛运春，刘孔忠，魏柳兴. 9000m自升式海洋井架的研制 [J].石油机械，2014，42(11)：151-152.

7 刘健，齐明侠，赵焕娟. 基于应力分析的海洋钻机井架结构可靠性分析[J]. 石油机械，2011，39(6)：15-18.

(责任编辑：谭银元)

SafetyAssessmentofDerrickinVariousWorkingConditions

PIShuai，GUOLiang，ZHAOZhi-peng

(TZ(Tianjin)binhai Technology Center, Tianjin 300000 ,China)

In order to ensure the safety of derrick steel, marine derrick is calculated in various working conditions and various wind loads by establishing typical marine derrick model. The calculations indicate the maximum stress and the weakness of derrick in various conditions. The analysis results show that the variable cross-section location where the stress of derrick is approximate to the allowable safe stress should be extra strengthened. These can provide references for the safety assessment of marine derrick.

derrick; safety assessment; fem analysis

2016-12-28

邳 帅，女，工程师，主要从事船舶与海洋工程专业结构设计工作。

U674.38

A

1671-8100(2017)02-0028-03