海洋修井机井架承载能力评估及分级研究

2018-07-27张士超吴奇兵徐光鹏杨国斌

石油工业技术监督 2018年7期

张士超，张臣，吴奇兵，徐光鹏，杨国斌

中海油安全技术服务有限公司（天津300450）

修井机井架作为修井机起升设备的重要组成部分，在海洋石油修井作业中起着至关重要的作用。在未有统一的井架安全评定标准之前，国内主要采用结构可靠性理论进行评估，通过求得可靠性指标判定井架安全性能[1-4]。在2012年推出标准SY 6326—2012《石油钻机和修井机井架底座承载能力检测评定方法及分级规范》[5]，此标准规定了井架承载能力分级标准、检测评定周期及报废条件，为石油井架承载能力检测评定的具体实施奠定了基础。该标准依据API Spec 4F—2013《钻井和修井井架、底座规范》[6]和AISC 335—1989《钢结构建筑设计规范》[7]推荐的相关理论和方法进行计算评定，规范了实际工程中井架检测评定内容及要求。

目前国内对钻修井井架承载能力评定都是以SY 6326—2012为基础，但针对不同形式的井架并没有进行相应的优化[8-11]。以某B平台修井机井架为研究对象，参照标准要求，结合井架特性及现场作业情况，对井架应力测试加载方法进行优化。依据标准推荐的结构校核理论，基于VB编写了井架承载能力评估软件进行井架结构校核。此外，为全面综合的评估井架承载能力，运用ABAQUS有限元分析软件对井架进行多种工况下的仿真分析。

1 井架承载能力测试

1.1 测试仪器

应力测试采用美国BDI（Bridge Diagnostics,Inc.）结构应力测试系统。系统包括应变传感器、节点模块、工作基站及移动电源。BDI应变传感器具有高精、智能、便携、高效的优点。系统采用无线测量技术，免除了电缆运输和连接的繁重工作，大大地提高了测试效率和测试人员的安全性，非常适合在石油井架等塔架结构中使用。

1.2 布点方案

B平台修井机井架为直立、前开口K型、侧开门、无绷绳、液压起升、液压伸缩结构，设计最大钩载为2 250 kN。井架高33 m，分为井架上段、井架下段、人字架三部分。底座包括上底座、下前底座及下后底座，整个井架结构左右对称。

布点位置的确定应依据标准[5]测点布置原则，同时结合现场情况，在满足标准要求的前提下尽量选择现场易操作的位置。确定加载布点截面为两个，详细布点方案如图1所示。

图1 测点布置示意图

1.3 加载工况

B平台修井机井架最大承载能力为2 250 kN。测试载荷为钩载，按要求应不小于设计钩载的25%（562.5 kN）。为保证数据准确性，重复3次测试，每次测试不少于5个载荷值，见表1。测试前仪器初始化调零，加载时每一级载荷静止30 s以便记录数据。加载方式利用大钩上提放置在底座转盘主梁处的加载工装，通过指重表直接读取施加载荷值。

1.4 测试数据采集

按照加载方案进行逐级加载，采集的应变数据如图2所示。

2 井架结构校核软件开发

2.1 结构校核理论

对于石油钻机、在用修井机井架的承载能力极限状态计算按AISC 335—1989的规定进行[5]。井架强度应满足公式（1）和公式（2）的要求。

表1 井架应力测试加载载荷值

图2 载荷-应变曲线图

在上式中，与下标b、m和e结合在一起的下标x和y表示某一应力或设计参数对应的弯曲轴。

式中：fa为井架承受设计最大钩载时测试杆件的轴心拉压应力，MPa；Fa为容许采用的轴心拉压应力，MPa；fb、Fb分别为井架承受设计最大钩载时测试杆件的x轴、y轴压缩弯曲应力，MPa；Fbx、Fby分别为只有弯矩存在时x轴、y轴容许采用的弯曲应力，MPa；Fex′为x轴除以安全系数后的欧拉应力，MPa，Fey′为y轴除以安全系数后的欧拉应力，MPa，采用式（4）进行计算；Fy为材料屈服应力，MPa；Cmx与Cmy为系数，对于端部受约束的构件：Cm=0.85[7]。

式中：E为弹性模量，MPa；lb为弯曲平面内的实际无支撑长度，mm；rb为回转半径，mm；K为弯曲平面内的有效长度系数，mm。

当只有轴心拉压应力存在时容许采用的轴心拉压应力Fa按下列公式计算。

1）当任一无支撑部分的最大有效长细比Kl/r小于Cc时，横截面符合AISC 335—1989标准1.9节的规定，其毛截面上的容许拉压应力Fa按公式（5）计算：

式中：l为弯曲平面内的实际无支撑长度，mm；r为回转半径，mm；K为弯曲平面内的有效长度系数，mm；Fy为杆件材料的最小屈服应力，MPa；Cc为区分弹性和非弹性屈曲的杆件的长细比。

2）当Kl/r大于Cc时，轴心受拉压构件毛截面上的容许拉压应力按公式（7）计算：

2.2 校核软件开发

在利用校核公式进行井架承载能力评估工作中，计算过程繁琐、复杂，且易出错。针对这种状况，笔者应用VB开发工具，编写了井架承载能力评估分级软件（图3）。该软件包括基本参数输入、应力数据输入、应力拟合、结构校核计算及自动评级等功能模块。

图3 井架承载能力评估分级软件

本套软件特点：①有原始应力测试数据处理能力，可自动拟合出井架额定钩载下的应力值；②考虑了海油系统内井架应力测试习惯，可依据现场测试工况灵活选择载荷输入模式，可输入多级载荷值；③多种杆件界面类型；④以VB工具为开发平台，利于功能扩展；⑤无需安装，打开即可使用。

2.3 校核结果及验证

该井架主肢为矩形钢，截面尺寸：长200 mm、宽180 mm、厚8.5 mm，井架上段断面A处杆件无支撑长度2 400 mm，井架下段断面B处杆件无支撑长度2 625 mm。钢材为Q345A，弹性模量2.06×105MPa，屈服极限345 MPa。

将井架相关力学参数，杆件参数及测试数据输入到软件中，计算出结构校核系数UC值见表2。

表2 井架结构校核系数结果

为验证软件计算程序正确性，笔者采用Excel等软件对计算结果复验，证明软件计算结果可靠。

通过结构校核结果可知：该井架在外加载荷2 250 kN作用下，井架承载最不利位置出现在A断面右前腿处，最大校核系数为0.57＜1.0，因此该井架强度满足要求。根据标准的评定条件，该井架实际承载能力为2 250 kN，评为A级，有效期为3年。

3 井架及底座有限元仿真

现场应力测试能最真实反映井架现有承载能力，但只能评估出井架静载、无风等理想工况下的受力状态，有一定局限性。为全面评估出B平台修井机井架及底座安全状况与作业能力，对其进行多种工况下的有限元分析，探讨其现有承载能力，以弥补现场测试的不足。

3.1 井架及底座有限元模型

通过现场实测以及图纸资料，获取修井机井架及底座总体结构尺寸以及杆件的截面参数。由于井架及底座的结构较为复杂，为了减少计算工作量，在使用ABAQUS建模时，结合井架及底座的特点，在满足计算精度的情况下，对井架及底座的实际结构进行简化，建立接近实际结构的力学模型[10-12]。井架及底座分别选用Q345A钢及Q235钢，弹性模量为206×103MPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

3.2 载荷及分析工况

井架载荷包括恒载、工作载荷、风载荷、立根载荷。根据设计资料及现场调研，计算汇总见表3。

参考API规范[6]，结合修井机现场作业情况，该井架及底座包括以下几种载荷工况，见表4。

在修井作业过程中，修井机上底座的位置会根据不同的井口进行相应的变化。由于B平台油井有3列，因此本修井机上底座有3个不同的工作位置，位置1靠近左侧的生活区，从左侧至右侧，依次为位置1至位置3，如图4所示。

修井机在不同井位不同工况时倾覆力矩各不相同。从修井机结构和工作井位布置分析可知，不同工况下修井机在1井位时对平台导轨偏载，整个结构偏心最大，稳定性最差，为结构受力最不利位置。因此只要修井机处于1位置时在各工况下满足承载能力要求，则修井机在任何井位时均可满足要求。

表3 井架载荷汇总表

表4 井架作业工况

图4 井架及底座位置示意图

3.3 有限元结果计算分析

3.3.1 有限元计算结果验证

为验证并修正有限元模型，对B平台修井机井架施加与测试工况一致的载荷（只包含井架最大钩载、钢丝绳作用力），修井机井架应力分布见图5；有限元计算结果和现场测试结果对比情况见表5。

图5 50 kN钩载下井架与底座应力及位移云纹图

由表5中数据可知，该有限元模型计算结果与现场实测结果误差较小，最大误差为9.4%，有限元模型满足仿真要求。

由最大钩载工况下的应力分布图5可得，井架主肢应力较大，横撑和斜撑的应力情况均较小，这与主肢为井架主要承载杆件的事实相符。井架最大轴向应力出现在第8节右前肢，应力为155.4 MPa，因为井架从该处开始变径，弯曲应力变大，且该位置处于前开口处，刚度小。

井架第1节4个主肢应力范围40～50 MPa，井架第6节4个主肢应力范围在76～90 MPa间。原因是井架第1节存在加强斜撑，该加强斜撑能将井架下体所承受作用力传递至人字架和钻台上，故井架第1节主肢受力较小。

井架上段前主肢受力基本上在90 MPa左右，后主肢受力基本在75 MPa附近，井架上段前主肢受力大于后主肢，原因是前主肢间无横撑、斜撑，刚度较小，井架工作载荷在前主肢中产生较大的弯曲应力。

由位移分布图可见，井架整体上段位移相对下段位移大，最大位移处发生在第8节与第9节交界处，位移值1.95 cm。井架上段杆件刚度小，且结构形式为前开口式导致杆件活动自由。而由于井架底部受到约束，侧向变形小。

3.3.2 各工况下的分析结果

通过对有限元模型进行修正，对组合的6种工况进行有限元计算，其计算结果见表6。

通过计算，得到B平台修井机井架在所有工况载荷下的最大应力为190.40 MPa，出现在等候天气工况（无钩载、满立根、侧向风速47.84 m/s），位置在人字架与钻台支点。该应力值小于井架所用材料的许用应力，安全系数为1.81。其他工况下最大应力均小于190.40 MPa，表明在上述工况下井架强度满足工作要求。所有载荷工况下的最大位移为149.20 mm，出现在保全设备工况（无钩载、无立根、正向风速55.04 m/s），位置处于天车顶横梁处。

表5 有限元结果与现场应力测试结果对比

表6 B平台修井机井架及底座有限元计算结果

底座最大应力出现在最大钩载工况（最大钩载、满立根、正向风速25.21 m/s），其应力值为107.50 MPa，位于上底座右前主肢处。该应力值小于底座所用材料的许用应力，安全系数为3.21。其他工况下最大应力均小于107.5 MPa，表明在上述工况下底座强度满足工作要求。底座最大位移为2.51 mm，出现在上底座左前段，此值相对于底座自身尺寸较小，说明井架整体刚度较大。