海洋模块钻机结构设计方法适用性研究

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(1.中海油 研究总院，北京 100028；2.中海油 能源发展边际油田开发项目组，天津 300457；3.西安特种设备检验检测院，西安 710065)

目前，无论固定式生产平台或者深水水下生产系统，都离不开海洋钻机。海洋模块钻机主要担负钻井、完井及油气井生命周期结束后的弃井使命。由于模块钻机需要经受海洋环境下的各类环境载荷和钻完井作业期间的交变载荷，需要全面考虑模块钻机的作业环境与作业载荷，保证钻机结构能够在各类载荷作用下仍保持安全状态[1]。因此，结构设计方法至关重要。

国际上通用的结构设计方法有2种，即工作应力法(WSD)和载荷与抗力系数法(LRFD)[2-3]。国内外专家学者一直在讨论哪一种设计方法更适合于海洋石油开发，更容易被设计者接受并采纳[4-5]。

1 结构设计方法

1.1 工作应力法

工作应力法即结构受力杆件在工作状态下的实际应力不能超过材料的允许应力，亦称为许用应力法。工作应力法在海洋石油设计领域应用较为广泛，例如美国石油学会已颁布了新版的设计规范API RP 2A-WSD的第三次增补，是API基于工作应力法进行海洋工程结构设计、建造的系列标准。

工作应力法表达式如式(1)。

σ=[σ]=σs/Ω

(1)

式中：σ为工作应力，MPa；[σ]为许用应力，MPa；σs为材料的屈服极限，MPa；Ω为安全系数。

工作应力法可理解为给出一个指定的安全系数，以此来度量因材料达到屈服强度破坏或杆件进入屈曲状态而失效的抵抗能力。

1.2 载荷与抗力系数法

载荷与抗力系数法即根据各种可能的极限状态计算出构件强度，用该强度乘以抗力系数确定设计构件的承载力，将构件承载力与构件的结构分析内力值进行比较[6]。由于该设计方法的复杂性，对于每个不同载荷都需要取相应的系数，以此来得到趋近一致的可靠度，因而载荷与抗力系数法应用的范围有限。美国石油协会于1993年曾颁布了的API RP 2A—LRFD第一版设计标准，并于2002年进行了第一次增补。

载荷与抗力系数法表达式如式(2)。

F≤Φ×Fn=Φ×σs×A

(2)

式中：F为构件许用承载能力，kN；Fn为名义抗力，kN；Φ为抗力系数。

相对于WSD，虽然LRFD规范较复杂，但其依据的设计理论及试验结果比WSD的公式来源更具有说服力。另外,LRFD法引入了结构可靠度的概念，使得采用LRFD设计的各种构件均能达到一致的可靠度和安全性。

2 两种设计方法的区别与联系

2.1 杆件承载能力计算方式

根据WSD和LRFD 2种结构设计方法的表达式，可了解两者的主要区别，即计算结构杆件承载能力的方式不同。WSD法通过给定一个指定的安全系数，以此来衡量结构杆件是否达到破坏程度；而LRFD法则以极限状态法为依据，通过对结构杆件的极限强度乘以抗力系数，以此作为结构杆件的承载能力来度量结构杆件在受力状态下是否达到破坏程度。

2.2 载荷组合系数

根据API RP 2A规范和AISC规范中，对于2种设计方法的载荷组合推荐公式，可以清楚地了解2种载荷组合的主要区别。

WSD法：Q=D+L+W

(3)

LRFD法：Q=rdD+r1L+rwW

(4)

式中：Q为杆件所受载荷，kN；D为固定载荷，kN；L为可变载荷，kN；W为风载荷，kN；rd,rl,rw为相应的载荷系数。

由于本文主要针对海洋模块钻机进行适用性研究，而国内海洋模块钻机的结构设计均以API规范为设计依据，因此选取API规范中2种方法采用的载荷组合(根据API-LRFD(1993)规范注释D中的说明，对于甲板上部的非管状型钢，采用AISC名义强度公式和抗力系数以及API的载荷系数，计算出的结果相近)。

API WSD:QO=1.0×D+1.0×L+1.0×WOQE=1.0D+0.75×L+1.0×WE

(5)

API LRFD:QO=1.3×D+1.5×L+1.2×WOQE=1.1D+1.1×L+1.35×WE

(6)

式中：QO为操作工况下杆件所受载荷，kN；QE为极限工况下杆件所受载荷，kN；WO为操作工况下的风载荷，kN；WE为极限工况下的风载荷，kN。

2.3 二者之间的联系

2种设计方法的不同点在于载荷组合系统和安全系数(WSD)或抗力系数(LRFD)。但是，针对相同结构且承受相同的外部载荷，无论采用何种方法进行结构分析，结构杆件实际受力状态相同，材料屈服极限也相同，不会得出两种相差较大或相反的结果。

在开始制定LRFD规范时，考虑到与WSD规范的衔接和对应，即同一杆件的承载能力不应由于采用不同的设计规范而有所差异。为达到该目标值，对可变载荷(L)与固定载荷(D)的比值进行了调整，经试算，当L/D=3时，采用LRFD规范取载荷组合1.3D+1.5L和采用WSD规范取载荷组合D+L，两者计算得到的杆件承载能力标准值相近。

3 模块钻机结构算例

3.1 概述

为验证采用2种设计方法对结构计算结果的影响，考虑DES模块作业期间经受动载荷较大，对结构设计更为严苛，本文分别针对7 000 m和5 000 m模块钻机的DES模块进行模拟计算，以验证2种设计方法应用在海洋模块钻机结构设计上的区别与联系。模块钻机结构如图1。

图1 7 000 与5 000 m模块钻机结构示意

3.2 载荷及载荷组合系数

固定式导管架平台上的模块钻机载荷包括4类：①固定载荷。模块钻机结构质量、设备质量等；②可变载荷。设备中的液体载荷、泥浆载荷、活载荷等；③作业载荷。转盘载荷、大钩载荷、钻台上的立根载荷等；④风载荷。操作工况和极端工况下的风载荷。

模块钻机在操作工况和极端工况下的载荷组合系数遵循API RP 2A规范和API 4F规范，如表1～3。

表1 模块钻机API-WSD基本工况

表2 模块钻机API-LRFD基本工况

表3 载荷组合

3.3 分析结果

通过有限元计算软件对2类模块钻机结构进行计算分析，2种方法下的结构杆件强度均满足规范要求，即杆件名义应力比(UC值)均小于1。但根据2类模块钻机的计算结果，采用WSD法设计的结构杆件名义应力比较大，结构设计较为保守。

3.4 设计优化

为使2种设计方法下的结构计算结果更量化，对采用LRFD法设计的结构杆件进行优化，通过对同一杆件取得与WSD法相近的计算结果来衡量那一种设计方法更适用于海洋模块钻机设计。表4为7 000 m模块钻机钻井设备模块利用LFRD法设计优化后的计算结果(5 000 m钻机计算结果相似)。

表4 7 000 m模块钻机主要杆件计算结果

国内海上固定式平台上的模块钻机结构型式近似，本例中选取的模块钻机为典型海洋钻机配置(7 000 m模块钻机和5 000 m模块钻机占中海油钻机保有量90%以上)。根据优化后的计算结果，当模块钻机利用API RP 2A-LRFD法进行结构设计时，2类模块钻机优化后的结构质量占总质量的比重小于4%，如表5。

表5 两类模块钻机设计优化结果

3.5 结果分析

通过对2类模块钻机结构进行试算，采用WSD法进行结构设计时，计算结果相对保守，结构质量相对较大；采用LRFD法(API推荐标准)进行设计且同一杆件取得相近的计算结果时，钻机结构质量较轻，但优化质量有限。由于我国各海域的载荷及抵抗力系数尚未标定，推荐采用WSD法进行海洋钻机结构设计。

3.6 工程应用

渤海某油田位于辽东湾海域，WHPA平台的井口区沿南北方向共计12排井位，每一排井位在东西方向有4列井位。模块钻机DES模块位于钻机泥浆模块的西侧，用于完成钻井及修井作业。DES模块由下底座和可以移动的钻台面组成，钻台面可以在沿东西方向在不同的井位上滑移，整个DES模块可在位于平台主甲板上沿南北方向的滑轨上滑移[7]。

按照API RP 2A-WSD中的规定对钻机DES模块建模(如图2)。

图2 DES模块极限井位结构模型

根据本节所述方法进行载荷模拟后校核结构强度，在极限井位时该钻机钻台处的结构杆件最大变形量为40.6 mm,结构杆件的最大名义应力比为0.89，小于1.0，校核结果显示所有杆件均满足规范要求。该钻机自2008年服役以来，已经顺利完成40余口井的钻完井作业任务，作业效率较高且受到现场作业及管理人员一致好评。

4 结论

1) 通过API规范中的工作应力法(WSD)和抗力系数法(LRFD)，对同一海洋的模块钻机进行分析计算，其结构杆件强度均能满足API规范的要求。 但2种设计方法存在较大的差别， LRFD法力求各种结构构件具有较为一致、平均和协调的安全性和可靠度。

2) 无论AISC规范还是API规范中，推荐的抗力系数均非针对我国海域进行标定,我国尚无权威机构对各海域的抗力系数进行标定。WSD法通过给定一个既定的安全系数，适用于所有海域。该方法在结构设计时虽稍为保守，但更容易被国内外海洋结构工程师所接受，也更符合我国具体需求，且工程应用效果良好。推荐采用WSD法对我国海洋模块钻机进行结构设计。