基于SACS的海洋门型井架计算方法研究

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(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)①

钻机井架是海洋钻探设备的重要组成部分。与前开口形、A形、桅形等形式的井架相比[1]，门型井架结构轻巧，占地小，是目前勘探船井架的一种较好形式。如图1所示。

SACS是一种海事结构分析的有限元软件，用于包括各种海洋工程结构的分析、设计、建造和安装。除支持国际海洋工程特定的设计代码和检查设计规范和进行校对之外，SACS是一个工程设计软件，附带有依据校核规范；基于单个模型，可用语言命令操作实现多种工况同步分析，免去一个模型一种工况的繁琐工作，操作简单、方便。并且SACS可以对多种工况的计算结果进行统计分析，得出各单元的最危险工况，最大内力、应力、支反力，从而使得制作计算书事半功倍。

图1 门型井架示意

SACS还可以用于导管架平台设计(包括分析导管架的结构及桩土分析)。国内关于这方面的研究及应用成果比较多[2-6]；在石油钻机井架静力分析中也有一定的应用，但在动力分析以及在门型井架研究中的应用还比较少见[7-9]。

海洋钻机井架的环境载荷、工作状态比较恶劣，且门型井架的结构复杂，采用SACS软件分析时具有一定的难度，有很多细节需要做特殊处理。笔者结合工程实例，用SACS的数值计算方法，对某海洋门型井架的计算方法进行了研究。

1 井架组成及工作原理

该井架结构如图1所示，由左、右2个肢通过顶部的连接架组成，每个肢上有2个撑杆，撑杆一端通过销轴耳板与井架上的连接耳板连接，撑杆另一端通过销轴耳板与设置在船舶甲板上的耳座连接。井架的每个肢各由上、中、下3段组成，这3段之间通过一种特制的槽型截面通过螺栓群连接。

该门型井架与常规的海洋井架配备有天车和绞车不同，采用液压油缸和滑移系统配合驱动顶驱上下运动，实现钻柱的上提、下放功能。增大了船甲板面的有效使用面积。勘察船配套的液压动力源为大部分钻井设备和被动补偿系统等设备提供动力。

2 计算难点

1) 难点1。因井架固定在船甲板上，随着船一起发生晃动，比陆地钻机的受力更加恶劣。这种情况可以看成是井架承受了一种边界激励。

2) 难点2。井架以2个主肢的内立柱作为顶驱运动的导轨，但是由于井架在海上作业时存在动态加速度，而顶驱的质量较大，所以会产生较大的惯性力，尤其在风暴工况下，惯性力往往大到井架不能承受的地步，故井架配置了顶驱补偿装置。如何在计算中合理模拟顶驱及补偿装置，去除多余惯性力，用合理的力学模型模拟补偿装置的补偿效果。

3) 难点3。井架的主要运动机构是2个油缸，油缸运动通过钢丝绳传递给部件，产生起下钻的运动。如何模拟绳子关系到载荷的有效传递。

3 算例

以某海洋门形井架为例，其主要技术参数如下。

最大钩载 750 kN

高度 25 m

采用软件 SACS

采用规范 API 4F、建筑钢结构规范[10-11]。

本井架分析时，主要有2种工况，工况1为操作工况；工况2为风暴工况。

3.1 坐标系

井架结构模型采用笛卡儿坐标系，笛卡尔坐标系遵守右手定则并规定如下。

坐标原点——钻台面井口中心。

+x——井架正前方；

+y——指向井架体侧边；

+z——竖直向上。

(注：井架的坐标系与船体一致。)

3.2 模型

3.2.1整体模型

根据设计图，建立井架有限元模型如图2所示，并施加载荷。

图2 井架有限元模型

3.2.2载荷及附属设备

载荷(绳子的作用力)在SACS中可以建立为只受拉(或只受压)单元来模拟。通过计算发现，这样容易使得计算结果失真。所以，对绳子不予建模，而是把绳子上的力直接加载在井架结构上。井架载荷加载如图3所示。

附属设备都是有质量的，根据达朗贝尔原理，质量在加速度场中会产生惯性力。所以，除非仅仅在重力作用场之中做简化分析时，可以把井架上附属的设备简化成竖直向下的力进行加载。本案例中不仅有重力场，还有由于动边界引起的加速度场。如果仅仅把附属设备按竖向载荷进行加载，那么将不能体现水平及竖向加速度对设备质量产生的效应，将导致计算结果失真。这里把井架附属设备简化成质量点，按照其在井架上的位置施加对应的质量点。如图4所示。

图3 井架载荷加载示意

图4 设备质量加载示意

SACS软件在计算风载时有一个优点，即软件可以根据设计者输入的风速及规范名称，自动识别结构已建模构件的表面积，从而自动求解已建模构件结构的风载荷，这样就把设计师从繁琐的风载计算中解放出来。当然，对于结构未建模的附件，需要手工计算其风载，再施加到结构上。风载荷施加如图5所示。

图5 风载荷施加示意

3.2.3边界条件

SACS软件中可以人工按实际情况，根据结构构件的约束情况，对构件的自由度进行调整。结构物的6个自由度，软件中则用6个自由度来表示，对支脚节点，1表示约束，0表示自由，如111000表示线位移全约束，转动全自由。对于其它节点，则用0表示约束，1表示约束，如000000表示刚接。

3.3 计算过程

SACS计算海洋结构物的计算方法通常通过4个步骤来完成。第1步进行静力分析(Static分析模块)；第2步进行单独的拖分析(Tow分析模块)；第3步把静力分析和加速度分析的计算结果进行组合(Combine分析模块)；第4步对第3步的计算结果进行后处理(Post分析模块)，对结构及结构的构件进行校核。

3.3.1静力分析时工况组合

静力分析时共包含8种工况，即结构自重、结构载荷、结构质量单元(井架附件)与8个风向的组合。这8种工况包含的内容除过风载荷不一样外，其它载荷均一样。

3.3.2拖分析时的工况组合

动边界在海洋钻机、深水钻机计算中比较难处理。这里获得井架重心处的加速度值，然后把动边界问题简化为某一瞬态的加速度场中来计算。通常有2种处理方法，一是采用动加速度，二是采用动位移。2种方法都能取得较好的计算结果[12-13]。本文采用加速度法。SACS对于井架边界条件的处理，可以输入运动参数，也可以输入加速度数据。

由于井架的坐标系与所在船舶的坐标系一致，根据井架质心处的加速度值，结合API 4F规范8.4.1条的规定，“动力的组合至少应如下：①纵向动力，包括纵荡和纵摇，以及升沉；②横向动力，包括横荡和横摇，以及升沉；③对角线动力与升沉组合” 。船体设计方所给的x向加速度是纵向的加速度(已包含纵荡和纵摇)，y向加速度是横向的加速度(已包含横荡和横摇)，所以应进行加速度的组合。

3.3.3组合分析时的工况组合

组合分析主要是将井架结构在静力分析时的计算结果，与井架仅在加速度作用下的计算结果进行组合(线性叠加)，然后校核计算结果。

3.4 计算结果

3.4.1局部处理效果验证

本例中顶驱重力为83.6 kN，补偿装置重力为77 kN，两者的重力和为160.6 kN。为了模拟顶驱补偿装置对顶驱竖向(z向)惯性力的克服，采用4个杆单元对顶驱和顶驱补偿装置进行悬吊(约束为001000，如图6所示)。

图6 节点约束

3.4.2工况1计算

工况1计算如图7所示。

a Static分析时的吊点力

b Tow分析时的吊点力

c 组合分析时的吊点力

d y向弯曲应力

e 校核值(校核值≥0.55)

Static分析时，z向加速度a1z=9.81 m/s2，顶驱和顶驱补偿装置的惯性力为16.37×9.81=160.6 kN；支反力为65.684+57.650+13.395+24.062=160.791≈160.6 kN。两者基本相等。

Tow分析时，z向加速度为a2z=-1.99 m/s2，顶驱和顶驱补偿装置的惯性力为-16.37×1.99=32.576 kN；支反力为-50.727-23.549+6.762+34.872=-32.642≈-32.576 kN。两者基本相等。

组合分析时，z向加速度为a3z=-1.99 m/s2，顶驱和顶驱补偿装置的惯性力为-16.37×(9.81-1.99)=128.01kN。支反力为42.135-26.665+92.523+20.157=128.15≈-128.01 kN。两者基本相等。

由计算结果可知，按本案例的计算方法，即Static分析和加速度分析进行了线性叠加，达到了预期的结果，说明这种处理方式比较理想。

3.4.3工况2计算

工况2计算结果如图8所示。

a y向弯曲应力

b 校核值

从工况1、2的计算结果可见，井架的应力值和校核值均能满足API 4F规范的要求。

4 结论

1) 针对目前海洋门型井架设计中存在的问题，结合工程实例，对海洋门型井架的计算方法进行了探讨。

2) 采用本文的设计方法、细节处理方法进行计算后，得到了较理想的结果。

3) 本文中的一些处理方法，对类似工程设计、研究有一定的借鉴意义。

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