东方13-2B钻井平台自升式井架设计分析

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(1.中国船级社，西安 710065； 2.兰州兰石石油装备工程股份有限公司，兰州 730314)

东方13-2B钻井平台是计划在南海作业的自升式钻井平台，配套4 500 kN级别的自升井架。该型井架是以H型钢为主腿的前开口式无绷绳“K”型井架, 在作业过程和起升过程中承受多种载荷作用，需要满足海上作业和整体运输的强度要求。由于安装在海洋平台上，改进井架的结构，减少其质量，提高安全性能，为平台节约空间至关重要。建立准确的力学分析模型，并使用高效可靠的分析方法是改进产品的关键一环。本文选取井架作业工况和起升工况对其进行力学分析。

由于井架结构的复杂性，采用专业分析软件SAFI对其进行分析，根据计算结果对井架结构提出改进建议，为后续研究风振以及温度等对井架的载荷效应提供理论基础。

1 井架结构及主要参数1.1 结构特点

该型井架与天车、液压绞车等部件配套成额定静钩载4 500 kN，钻深7 000 m的海洋钻井模块。游车和顶部驱动装置设计有双轨道，使游车和顶部驱动装置上下运行平稳。为运输方便，井架主体分6段，每段分左右2片，以后侧中心线为界分开。在现场将第2段以上各段左右段用高强度螺栓分别连成整体，用弯销锁紧螺母防松。井架体段与段之间采用销轴连接，方便快捷。在井架底段设置有特制的起升滑轮组、定位装置以及导向装置等，其中导向装置由井架各段的H型主腿立柱和设置在基段上的导向轮组成。该井架起升系统简单，安装方便，起升力小，相对常规“K”型井架，起升时占地面积小。井架底段开档可充分利用台面空间进行设计，钻台面积利用率高，非常适合于海洋平台及陆地的山区、丘陵、城镇地带油、水井钻井作业时使用。将液压绞车集成到井架底段部位，利用在井架底段的液压绞车和滑轮组将其余的井架各段垂直起升至工作位置，安装、拆卸时不需要专门的起吊设备。采用分段连接技术，特别适合于海洋钻井平台或山区、丘陵、城镇等井场场地小的环境[1]。该产品有逐渐取代其它类型井架的趋势，例如常规“K”型井架和塔型井架等，在国内外各海洋平台逐步开始广泛应用。井架主体结构如图1所示。

1—井架底段；2—井架二段；3—井架三段；4—井架四段；5—井架五段；6—井架顶段。

1.2 主要技术参数

井架型式 K型

最大钩载 4 500 kN

工作高度 47 m

立根容量 28 m立根 220柱(6 000 m)

井架起放和作业抗风能力 33.1 m/s

结构安全等级 E2U2

起升方式 自举式

2 井架建模及分析计算

井架是海洋平台的重要承载部件之一，因强度不够、失稳而破坏的情况在国内外都曾发生过[2]。本文采用专为钻机设备提供的分析计算软件SAFI 9.0.10对该井架进行分析与计算。由于井架整个起升过程很慢，可认为起升时井架在每个位置都处于受力平衡状态[3]，因此在起升的各个位置都按静力分析研究。遵循API Spec 4F 第4版及AISC 335—89规范中的相关要求对该井架进行静态特性分析，分析其应力和应变。考虑设计周期的时效性，选取井架的作业工况和起升工况对其进行力学分析。在井架的设计选材过程中，反复循环：计算-设计修改-计算验证。最终以相对较快的设计周期，达到优化井架结构、保证井架强度和生产周期的效果。

2.1 模型建立

井架整体结构为空间钢架结构，将井架各杆件的焊接连接处或销轴连接处取为计算节点[4-5]。在建立井架模型时，去掉井架梯子及套管扶正台等附属结构，对整体结构进行了合理简化。在SAFI软件中所建有限元模型如图2所示，其中井架模型全局坐标系如图3所示。

全局坐标系遵循右手法则：

+x： 大门侧。

+y： 垂直地面向上方向。

+z： 司钻侧。

坐标原点： 甲板平面井眼中心。

2.2 材料性能参数

该井架主体及附件主要构件均由型钢和组焊型钢焊接制成，其中主要承载构件由低合金高强度结构钢Q345材料制成[6]，附件构件主要由碳素结构钢Q235材料制成，销子主要由35CrMo等材料制成。材料参数如表1所示。

图2 井架有限元模型

图3 井架模型全局坐标系

2.3 各工况输入数据及载荷

井架起升时，由液压绞车提供动力，通过钢丝绳和滑轮把力传给井架，使井架垂直起升。井架起升到达最后阶段时，起升力、各构件受力达到最大。因此，以该状态的载荷来计算井架起升受力状况。

结构重力+设备重力=1 330 kN，其中结构重力为井架主体结构重力，设备重力为液压绞车、顶驱等配套设备的重力；大钩载荷=4 500 kN；立根盒载荷=2 700 kN，对风载的计算已有很多文献进行过很详细的论述[7-10]，在此不再累述。

设计载荷(结构安全等级：E2U2)[11]如表2所示。

2.4 计算结果

根据AISC规范中组合应力校核公式，在SAFI后处理模块中对所建有限元模型中的单元进行校核,并以UC值(limit states summary)[12]加以表示。

(1)

(2)

(3)

式中：fa为算得的轴向应力，MPa；Fa为只有轴向力作用时允许的压应力，MPa；fb为在计算点算得的压弯应力，MPa；Fb为只有弯矩作用时允许的弯曲应力，MPa；Cm为弯曲计算中的系数值，取值依据如：①对于框架主体中受节点位移(侧移)的压缩构件和弯曲平面中两端旋转自由度约束的构件，Cm=0.85；②对于弯曲平面中两端旋转自由度未约束的构件，Cm=1.0；下标x和y表示对应坐标方向中相应值的分量；Fe由式(4)求得：

(4)

式中：lb是弯曲平面中的实际无支撑的长度，m；rb是对应的回转半径，m；K是弯曲平面的有效长度因子。

表1 材料力学性能参数

表2 作业工况和起升工况的设计载荷组合

整体结构的UC值如图4～5所示，可以看出，在作业工况和起升工况下井架所有构件UC值均小于1，井架能够抵抗作业工况和起升工况的组合载荷，证明该井架符合API Spec 4F第四版的规范要求。

图4 井架在作业工况下的构件UC值

图5 井架最大起升力工况下的构件UC值

3 结论

1) 采用SAFI 9.0.10软件对东方13-2B钻井平台井架的作业工况和起升工况进行了有限元计算，通过计算—设计修改—计算验证，为井架结构的选材和减重提供了改进参考，并使该型井架在客户要求的设计周期内通过最终的设计验证。

2) 东方13-2B钻井平台井架的设计模型吸取了国内外海洋平台井架设计的优点，游车和顶部驱动装置设置双轨道，使游车和顶部驱动装置上下运行平稳。井架整体结构拆装方便、占地面积小，适合平台吊装机械安装，解决了海洋平台操作空间紧张的问题，其综合性能和技术水平优异。主要应用对象是国内外海洋钻修井平台，也可将相关设计理念拓展至对施工面积有局部限制的陆地钻井平台。

3) 本文在分析中未考虑风振和温度等对井架的荷载效应，如果考虑海洋钻井平台的极端环境，如何在计算时合理地加载这些载荷，以期得到更加精确合理的计算数据，进而指导井架的设计优化，是未来需要和试验相结合进行探索研究的课题。