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自升式钻井平台悬臂梁结构强度分析研究

自升式钻井平台悬臂梁结构强度分析研究

 

 董瑞功 王臻 李云艳

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

作者简介:董瑞功 (1984年12月)男 汉族 山东省枣庄市 上海外高桥造船有限公司 助理工程师 本科学士学位 海洋工程方向

 

[摘 要]  悬臂梁结构是现代自升式平台的重要组成部分,它提高了平台的钻井数量,钻井效率及钻井作业的灵活性。本文以JU2000E型自升式钻井平台为工程依托,利用有限元软件建立悬臂梁有限元模型,对在极限作业工况下悬臂梁的等效应力、剪切应力及组合应力进行强度校核研究和优化。

[关键词] 自升式平台 悬臂梁 强度校核 数值分析

 

1 引言

自升式钻井平台作为当今使用的主要海洋工程产品之一,凭借其自身的灵活性、机动性、经济性等特点,已广泛用于近海油气的勘探、开发。悬臂梁结构是现代自升式平台的重要组成部分,它提高了平台的钻井数量,钻井效率及钻井作业的灵活性。近年来,国家将发展海洋工程装备作为新经济增长点,目前国内设计院所和船厂设计部门正积极进行海洋工程产品的研发,积极探索如何适应海洋工程产品的建造。本文以JU2000E型自升式钻井平台为工程依托,利用有限元软件建立悬臂梁有限元模型,对在极限作业工况下悬臂梁的等效应力、剪切应力及组合应力进行强度校核研究和优化。

 

2 国内外研究概况

自升式钻井平台在发展初期是没有悬臂梁的,钻井作业基本是在平台甲板所覆盖的范围内进行,其功能主要是完成勘探井作业或部分生产开发预钻作业。悬臂梁结构的出现,极大的提高了自升式钻井平台的作业能力,它能实现在生产平台上实施钻完井作业、修井作业和钻调整井作业。

2.1 国际上的研究现况

在世界范围内,现有的自升式钻井平台悬臂梁的结构形式可分为以下三种:传统型悬臂梁,X-Y型悬臂梁和旋转型悬臂梁。

传统型悬臂梁的悬臂梁与钻台底座是分开的,作业时悬臂梁外伸开始打纵向丛式井,然后悬臂梁固定,钻台底座在悬臂梁上作左右方向上的水平移动,即悬臂梁只是做纵向移动。结构方面,由两个纵向的主梁结构和若干横梁组成。

X-Y型悬臂梁把钻台和悬臂梁连接成为一个整体,悬臂梁相对于船体既可以纵向移动,也可以横向移动。结构方面,X-Y型悬臂梁是一个箱体结构,后端集成了钻台和钻台面下甲板,前端布置排管和设备,整个悬臂梁由平台主甲板的一对横向滑轨支撑。

旋转型悬臂梁也是把钻台和悬臂梁连成一个整体,但它是围绕一个固定的点旋转,以达到钻丛式井。结构方面,具有大的纵向和旋转横向钻井范围,与船体交界简单,集成钻台与悬臂梁于一体,门吊在悬臂梁甲板上,重量和性能得到优化。

2.2 国内的研究现况

目前我国在海工装备制造领域已经具备了一定的技术基础和较强的制造能力,但仍处低端,主要建造的钻井平台悬臂梁结构形式为传统型悬臂梁和X-Y型悬臂梁,旋转型悬臂梁钻井平台暂时没有涉及。

现阶段国内对自升式平台的改造,首先是对自升式钻井平台的改造设计方案进行论证,并从改造后平台的稳性和强度方面来研究方案的可行性。其次,还要分别从平台的结构、机械、电气、轮机以及系统配置方面提出具体的设计方案。第三,从平台改造后的拖航稳性、抗倾覆稳性和破舱稳性等方面对平台的稳性进行校核。第四,分别计算改造后的平台在作业、压载、风暴工况下的强度,以确定平台结构强度满足建造规范要求。

 

3 悬臂梁结构与作业工况

JU2000E悬臂梁位于该钻井平台艉部甲板上,是钻塔、钻台、钻台塔底座等的承载结构,由悬臂梁支座将其与主船体结构连在一起。

3.1 悬臂梁结构

悬臂梁结构包括两条主梁、主梁底部滑板、爬行梁、管支架甲板、下甲板及连接他们的平台和桁架,其长度为55.6米,宽度为18.27米,高度为8.53米,其结构重量约1400吨,舾装件重量约400吨,总体重量在1800吨左右。在其使用过程中,要求它能承载包括钻塔等钻井设备重量及风载荷,其最大外伸22.86米,钻台左右横向移动各4.57米。它要求的最低设计环境温度-20℃。

3.2 悬臂梁作业工况

根据自升式钻井平台所处的状态,悬臂梁的设计工况可分为拖航和作业两类。拖航状态下,悬臂梁处于完全收回状态,由自升式平台主船体完全支撑,仅受悬臂梁及其以上结构自重、风载以及拖航加速度引起的惯性力作用;作业状态下,悬臂梁需滑移出自升式平台主船体以外,最大外伸可达22.86米,受风载荷作用的同时,还要承受巨大的钻井可变载荷作用,对悬臂梁的结构提出了较高的强度要求。

本文根据美国船级社(以下简称ABS)/中国船级社(以下简称CCS)《海上移动平台入级与建造规范》中有关要求,选取作业状态下的典型工况对悬臂梁的结构强度进行校核分析。分析模型包括悬臂梁所有结构,载荷包括悬臂梁重量载荷、钻台支反力及风载荷。具体的计算作业工况状态如下:钻台偏移4.57米,钻台中心距船尾10.67米。

 

4 悬臂梁数值分析

采用有限元软件MSC. PATRAN & NASTRAN对悬臂梁结构进行结构强度数值分析及规范校核。

4.1 许用应力

根据ABS/CCS船级社规范,材料的许用应力如下:静载工况下,许用等效合成应力为0.7σy,许用剪切应力0.4σy;组合工况下,许用等效合成应力为0.9σy,许用剪切应力0.53σy;材料的许用应力如表1所示。

表1 结构的许用应力值

类型

材料屈服强度σy(兆帕)

许用应力(兆帕)

静态工况

合成工况

等效合成应力

355

248.5

319.5

550

385.0

495.0

剪切应力

355

142.0

188.2

550

220.0

291.5

4.2 悬臂梁支撑及压紧装置结构

由提供基本设计服务的F&G公司和滑移设备服务商PH公司提供的悬臂梁支撑结构的设计载荷7900千磅,3583.4吨,最大载荷10507千磅,4765.1吨;悬臂梁每边压紧装置结构的设计载荷3450千磅,1564.9吨,最大载荷4588.5千磅,2081.0吨。

4.3  有限元分析

4.3.1材料

结构模型中材料属性如下:弹性模量E=210000(兆帕),泊松比ν=0.3,密度ρ=7850(千克/立方米)

4.3.2载荷及载荷工况

作业工况下载荷主要包括悬臂梁重量载荷、钻台支反力及风载荷。

① 重量:1660吨,悬臂梁重量载荷包括结构、油漆、舾装及设备重量,结构总重量及重心取值,重心纵向坐标,钻台中心向首,16.129米,重心横向坐标,右舷距钻台中心,-0.201米。

② 支反力,钻台支反力载荷选择Z向合力最大工况(兼顾F4点的Fz最大)、Fx最大、Fy最大以及四支撑点的力偶最大等工况作为强度分析的计算载荷。

③ 风载荷,根据ABS/CCS《海上移动平台入级与建造规范》第3章1.3.2节风压力可按下式计算:P =f Vk2 Ch Cs (牛/平方米)

注: f = 0.611,Vk = 风速(米/秒),Ch = 高度系数,Cs = 形状系数。

校核风载荷取极限状况,高度系数取1.2,形状系数取1.0,风速取100kn即51.4米/秒。当风向沿y轴方向,风速为100kn、70kn作用纵壁上的风压力计算如下:

P = f Vk2 Ch Cs =0.611´51.42´1.2´1.0=1937.1(牛/平方米)

施加于有限元模型左舷、右舷纵壁板上的风压力按照风的方向计算而得。

4.3.3悬臂梁结构模型

悬臂梁结构有限元模型利用有限元软件MSC/Patran建立,结构模型包括I型纵桁、甲板、横框架、横舱壁等板架,分别采用壳单元、梁单元模拟板、骨材。钻台脚与悬臂梁横向框架面板之间通过螺栓有效连接,使得两者变形保持协调。

有限元分析需要考虑钻台结构刚度对两强框架的约束作用,在有限元模型中用长方形的箱梁(梁单元)近似模拟钻台结构,空心梁的尺寸为板厚20毫米,高度2100毫米,宽度600毫米。

4.3.4模型约束

极限作业工况下支撑结构接触区域施加x、z两方向的平动约束,横向限位处施加y向平动约束。

4.3.5计算结果

计算表明,钻台在偏移4.57米的作业工况下,等效应力、剪切应力、梁的组合应力最大使用系数(UC)分别为1.07, 1.03, 1.01。等效应力最大使用系数为1.07(LC274),出现在FR-B大肘板根部位置;静态工况下,等效应力、剪切应力、梁的组合应力最大使用系数(UC)分别为1.04, 0.94, 085,如图1所示。

 

图1 钻台偏移作业状况下最大剪切应力和最大等效应力云图

4.3.6结果分析

根据有限元强度计算结果分析,可以看出,在极限作业工况下,上述FR-B大肘板根部位置高应力区结构强度无法满足建造规范。

4.3.7结构优化

为此我们在FR-B肋位的圆管,高度在大肘板根部位置,采用增加肘板厚度,由17毫米增大到22毫米方式,以及在大肘板根部位置增加两根190*22 EH36扁铁的方式进行加强。

结构优化后,重新对其进行有限元分析,计算表明,极限作业工况下等效应力、剪切应力及梁组合应力的最大使用系数分别为:1.05,0.95,0.93。如图2所示,悬臂梁结构的剪切应力、梁组合应力完全满足建造规范要求。

 

图2钻台偏移作业状况下最大剪切应力和最大等效应力云图

5 结 论

悬臂梁设计是自升式钻井平台必不可少的一部分,悬臂梁结构的出现,极大的提高了自升式钻井平台的作业能力。

通过本文对悬臂梁结构进行有限元计算和分析,找出结构强度不满足建造规范要求的地方,对这些高应力区结构进行加强,确保平台在各种作业工况下都能满足对强度的要求,同时也为平台其他类似结构强度校核提供借鉴。

 

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参考文献

[1]中船级社.海上移动下台入级与建造规范[S].北京人民交通出版社.2005

[2]ABS. Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units.2012

 

作者简介:

董瑞功   助理工程师

王  臻   助理工程师

李云艳   助理工程师


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