海洋某石油平台塔形井架计算分析.pdf

机械研究 与应用 2 0 1 3 年 第3 期 第2 6 卷 ， 总 第1 2 5 期 设计与制造 海洋某石油平台塔形井架计算分析 叶 涟波 兰州兰石石油装备工程有限公 司， 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 摘要 利用S A F I 结构计算软件 ， 在弹性设计基础上， 对胜利某海洋石油平台塔形井架进行建立模型、 定义载荷、 组合 工况、 运行分析计算等工作后 ， 获取模型中各个受力单元的 U L S值， 直接判定每个构件的综合强度， 获取井架体节点 的受力值 ， 为构件 和构件 间螺栓 连接 的设 计与校核提供 理论 支持 。 关键词 塔形 井架； S A F I ； 计 算与分析 ； U L S值 中图分类号 T H1 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 3 - 0 1 3 1 0 3 Ca l c ul a t i o n a n d Ana l ys i s f or De r r i c k o f Oi l Offs ho r e Pl a t f or m YE L i a n- bo L a n Z h o u L S - P e t r o E q u ip m e n t E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ， L a n z h o u C ． a n s u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a A b s t r a c t O n t h e b a s i s o f e l a s t i c d e s i g n ， a m o d e l o f d e i c k u s e d f o r S h a n i o f f s h o r e p l a t f o r m i s b u i l t b y m e a n s o f S A F I s t r u c t u r e me mb e r s o f t wa r e ．Aft e r c o mp l e t i o n o f o p e r a t i n g i t u n d e r t h e g i v e n l o a d s ，w o r k i n g c o n d i t i o n s a n d i t s a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n，UL S v a l u e s for e a c h u n i t t h a t e x p e r i e n c e s c o mp r e s s i o n h a v e b e e n o b t a i n e d，t h u s t h e c o mp r e h e n s i v e s t r e n g t h for e a c h m e m b e r i s d e t e r m i n e d ， t h e v a l u e o f ma s t s e c t i o n s s u b j e c t e d t o c o mp r e s s i o n i s g o t ， a n d t h e o r e t i c a l s u p p o r t for d e s i g n i n g a n d c h e c k i n g o f b o l t c o n n e c t i o n be t we e n me mbe r s a r e s u pp l i e d． Ke y wo r dsd e r r i c k；SAFI ；c a l c u l a t i o n a n d a na l y s i s；UL S v a l ue 1 引 言 塔形井架是海洋石油钻井平 台的一种常用井架 ， 该井架是横截面为正方形或矩形 的空问桁架结构 ， 整 个结构 由许多杆件组成 ， 杆件与杆件之间采用螺栓连 接。由于塔形井架本体是封闭的四棱锥整体结构 ， 有 很大的组合截面惯性矩 ， 因此其整体稳定性好 ， 承载 能力 强 ， 且 钻 台 面 有效 空 间大 ， 利 于 工作 人 员 操 作 ， 适用 于海 洋石油 平 台复杂工 况下 工作 使用。 笔者以胜利 某 海 洋石 油 平 台塔形 井 架 为例 ， 利 用 S A F I 结构计算 软件 对该井架进行 模拟 工况计算分 析 ， 求取井架 的各受力 单元 U L S值 ， 井架 的变形值 ， 井架支座 的支点反力 ， 为井架的设计与优化提供理论 支持与依据 。 2井架与软件介绍 2 ． 1 井架介绍 井架设计为四棱锥体式塔形井架 ， 最大额定钩载 4 5 0 0 k N 6 x 7绳系 ， 有效高度为4 4 ． 8 m。主要由井 架主体 、 天车总成 、 二层 台、 顶驱导轨总成 、 梯子及平 台、 油管台及立管夹等附件组成。井架主体 由4扇平 面桁架组成 ， 每扇桁架共 分 9层 ， 由于在设计时要满 足用户提出的井架 总重量尽可能减重 的要求 ， 因此在 材料选择时 ， 主腿选用抗弯抗扭能力强 的焊接 H型 钢 ， 横撑及斜撑选用截面性能好 的方钢管 ， 相邻 的主 腿以及横、 斜撑之间均采用螺栓连接， 井架 4条大腿 用螺栓连接于井架支座上 ， 井架支座配焊于台面上。 2 ． 2 S A F I 软件介绍 S A F I 是加拿大 S A F I Q u a l i t y S o f t w a r e I n c ． 开发 的 结构计算软件 ， 软件有专门为石油结构工程开发的分 析计算部分 ， 能结合 A P I - 4 F第三版 美 国石油学会 钻井和修井井架、 底座规范 完成各种工况下的 井架建模 、 加载 、 计算分析 以及校核等工作 ， 并 自动生 成计 算 报 告。S A F I软 件 提供 U L S U l t i m a t e L i mi t S t a t e 即强度极限状态 单元值用于判定构件的综合 强度， 该值表现的是实际受力与许用受力的比值， 完 全遵循 A I S C 3 3 5 8 9规范 的要求 ， 对 于 U L S值小于 1 ． 0的单元 ， 则认 为该单 元综合强度足够 ， 反之 U L S 值大于 1 ． 0的单元 ， 则认为单元综合强度不够 ， 需加 强或重新设计。 3 井架分析计算 3 ． 1 井架建模与处理 在用 S A F I 软件对井架进行建模时， 在确定坐标 系后 ， 首先找出井架 的各个节点 ， 运用线条连接节点 ， 将整个井架结构用线条单元描绘出来 ， 然后对每个单 元进行具体的描述 ， 赋予线条单元材料特性 、 截面形 状与尺寸， 以及编辑其边界条件。井架实体模型共划 分为3 9 2个节点， 7 2 4个单元， 如图 1 所示。在建模 过程中应结合实际情况， 对井架做如下模拟处理。 1 井架主体是 由焊接 H型钢、 方钢管构成的 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 7 作者简 介 叶涟波 1 9 6 7 一 ， 女 ， 广西桂林 人 ， 工程师 ， 主要从事金属结构设计方面的工作。 1 3l 设计与制造 2 0 1 3 年 第3 期 第2 6 卷， 总 第1 2 5 期 机械研究与应用 - 一 个空间桁架结构 ， 每个杆件都是细长杆件 ， 杆件之 间的节点用螺栓连接 ， 因此在建模时将各个节点处理 为铰接或刚性连接 ， 主弦杆井架 4条大腿设置为柱类 单元 C o l u mn ， 其余杆 件设置 为梁类 单元 B e a m 。 井架体 4条大腿用螺栓固定在钻 台面的井架支座上 ， 此处连接采用 固定连接 F I X E D ， 6个方 向的 自由度 完全约束 图 1 井架模 型 0 ． 0 0 3 3 8 x K i X x C x A， 可计算出具体数值。然后分 别加载N--层台与顶驱导轨上。 5 模型中井架 自身的风载 ， 可直接用软件提供 的Wi n d P r o f i le s 单元模拟， 首先设定该单元应用的标 准为 A P I 4 F - 2 0 0 8 ， 然后选择不 同的角度 ， 模拟井架 在各个方向上的风载。 3 ． 2 计算参数 最大钩载为 4 5 0 0 k N； 有效高度为 4 4 ． 8 m； 无立 根无钩载风速为 2 0 4 k m ／ h 1 1 0节 ， 1 2级风 ； 满立 根无钩载风速为 1 6 7 k m ／ h 9 0节 ， l 2级风 ； 油 田内 拖航参数 设计风速 3 6 m／ s 7 0 k N ， 横摇 、 纵摇 6 。 ， 波浪周期 1 0 S ； 远洋拖航参数 设计风 速 5 1 ． 5 m ／ s 1 0 0 k N ， 横摇 、 纵摇 l 5 。 ， 波浪周期 1 0 S ； 拖航时转 盘中心与平 台重心的位置坐标分别为 一 6 ． 1 6 m， Y 0． 93 m ， Z- 0． 0 81 m。 3 ． 3 工况组合 井架承受的载荷 主要有恒载 、 工作载荷 、 立根载 荷 、 风载荷 以及动载荷。恒载主要包括井架本身的 自 重力 ， 以及安放在井架上的附件工具等的重量。工作 ， 一 譬 击 g ⋯ , -- N 元 草 E 羲 警 。、死 绳 拉 力 加 载 到 天 车 上 ， 3 u内 4 5 ⋯ j．J 坦 2 盖 。赛 向 。 将 立 皇 上 绐 舌 ， * u力 蠢 藁 拖 航 时 ，船 体 ． 之 平 苎 蒜1 “-1．,,13 o剐 ⋯ 一 ， 算 时 将 井 架 自 重 乘 以 一 个 放 大 系 数 来 模 拟 、 以 及 A P 第 三 版 附 件 ⋯⋯⋯⋯⋯一～⋯． 忡 ⋯兰 J S i t fl - 1 -- a5-i itI t] j x t E ． 对于立 和顶驱等 迎风 面积 部件 ， 按 组合。 川不 ～ ～一 一一～ A P I 4 F 第三版提 供的公式 G f ∑F ， F ⋯ 由表 1可见 ， 井架在正 常作业时， 应力修正系数 为 I ， 载荷组合由最大钩载 井架及附件设备 自重 立 根靠力 正常作业最大风速 2 4 ． 7 n s 4 8节 时井架 的风载 顶驱扭矩组成。井架在可预见风暴环境下 ， 应力修正系数为 1 ． 3 3 ， 载荷组合为井架及 附件设备 自重 游动系统 自重 风速 5 6 ． 6Ⅱ s 1 1 0节 时井架 的风载。井架在不可预见风暴环境下 ， 应力修正系数 为 1 ． 3 3 ， 载荷组合为井架及附件设备 自重 游动系统 自重 2 2 0 T立根靠力 风速 4 6 ． 3 m ／ s 9 0节 时井架 1 3 2 的风载。由于风向不同， 上述每种工况各分为 8种细 化工况。 在计算拖航工况时， 应力修正系数为 1 ． 3 3 ， 由于 用户未要求升沉力计算 ， 所以只考虑纵摇惯性力和横 摇惯性力 ，S A F I 软件计算惯性力 时先运用 We i g h t s a n d m a s s e s 将井架结构设备 自重定义 为质量单元 ， 然 后运用 v e s s e l mo t i o n将动态分析转化为线性静力分 析 ] 。当风载方 向与船体旋转方 向相 同时 ， 即风载 方向与船体旋转轴线垂直时， 井架受力最大 ， 组合风 杌械 研究与应用 2 0 1 3 年 第3 期 第2 6 卷， 总 第1 2 5 期 设计与制造 载与惯性载荷。按照风向的不 同， 油 田内拖航与远洋 拖航各分为 8种细化工况。 3 ． 4 计算结果 通过对井架承受载荷的定义 ， 组合各种工况后 ， 在 S A F I 软件中进行结构运算 ， 可直接得 出井架上每 个单元 的 U L S值 ， 如图 2所示。 图2 构件 U L S值 当井架最 大钩载作业时 ， 井架天车梁单 元 U L S 值最大达到 0 ． 9 5以及部分主弦杆达到 0 ． 9 4 ， 横斜撑 U L S值在 0 ． 4 4 0 ． 9 9之间。在可预见工况时， 与井 架支座相连 4条底段大腿 主弦杆 U L S值在 0 ． 8以 上 ， 最大值为 0 ． 8 5， 其余构件 U L S值 在 0 ． 6 9以下。 在不可预见工况时， 井架各构件 U L S 值均在 0 ． 5 6以 下 ， 最大 U L S值 出现在底部 主弦杆。在油 田内拖航 工况时 ， 井架各构件 U L S 值均在 0 ． 5 9以下 ， 最大 U L S 值出现在单元号 2 6 3的斜撑上。在远洋拖航工况时 ， 与井架支座相连4 条底段大腿 主弦杆 U L S值均在 0 ． 8以上 ， 最大 U L S值 0 ． 8 8出现在单元 号 7 0 2的底 部主弦杆上， 单元号为 1 3 0的斜撑 U L S 值也达到 0 ． 8 3 ， 其余构件 U L S 值都在 0 ． 7 5以下。 从计算结果可 以看出 ， 在各工况下 ， 单元 U L S最 大值为 0 ． 9 9不超过 1 ， 可 以判定井架各单元综合强 度足够。井架在作业工况时， 即最大钩载和风载联合 作用下 ， 较大的 U L S值集 中出现， 为井架的主要受力 工 况 。 井架的变形情况如表 2所列 ， 表 2中加黑数字列 举的是井架在 不同方 向上 的最大变形 量。在 一 y方 向， 最大变形值 出现在工况序号为 5的最大钩载作业 工况下 ； 在 轴两个 方向变形 量最 大的工况序 号分 别为 1 3和 9 ， 属于可预见风暴工况 ； 在 z轴两个方向 变形量最大的工况序号分别 为 3 5和 3 9， 属于远洋拖 航工况。计算结果可在软件 中直接获取 。 表 2 井架最大变形表 塔形井架构件间用螺栓连接 ， 因此螺栓的选用以 及强度的校核是井架计算的重要部分 ， S A F I 软件可 以提供各个连接节点的受力值 ， 用于校核该连接处螺 栓的强度。表 3提供 4个井架支座在各种工况组合 下最大的支座反力 ， 为支座连接处螺栓的校核提供理 论依据。 表 3 井架支座最大支反力 4结论 1 S A F I 结构计算 软件， 遵循 了 A I S C 3 3 5 8 9 规范的要求 ， 结合 A P I 一 4 F第三版 ， 能够满足海洋井 架在各种工况下， 进行建模、 加载、 计算并最后直观得 出结论， 是一款能专门为石油工程结构便捷计算分析 的工具软件。 下转第1 3 6页 1 3 3 检测与控制 2 0 1 3 年 第3 期 第2 6 卷， 总 第1 2 5 期 机械研究与应用 图 3 上位机程序 流程 图 5 结语 测量结果表明能够精确 的显示管内壁的凹凸变 化， 将形状实时显示在电脑上 ， 灵活性强 ， 可实现空间 坐标点位测量 ， 方便地测量各种管状物体的内壁轮廓 尺寸及位置参数， 测量精度高且可靠。计算机的引 入， 可方便数字运算与程序控制 ， 具有较高 的智能化 程 度 。 图 4 下位机程序流程图 参考文献 [ 1 ] 桑新柱 ， 吕乃光．三维形状测量方法 及发展趋势 [ J ]北 京机械 工业学 院学报 综合版 ， 2 0 0 1 ， 1 6 2 3 2 3 7 ． [ 2 ] 张国雄． 三坐标测量机[ M] ． 天津 天津大学 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 王霞， 曹茂永． 桩基钻孔 测量仪立体 图形显 示的实现 [ J ] ． 仪 器仪表学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 z 1 2 4 2 5 ． ⋯⋯l ⋯| _ ’ ‘ ． 。 l l |_ ‘ 。 ⋯l ⋯| _。 ’ l l ⋯ 。 ” ‘ I | _ ’ ” | _ 。 | 1 ⋯ ’ ” ‘ l -。 “ ‘ 。 I ‘ I - ’’ l l I -⋯ 一 。 | 1⋯l ⋯- 。 _ - ‘ l ’ l 上接第 1 3 3页 2 通过井架计算可 知， 井架单元 U L S最大值 为 0 ． 9 9 ， 不超过 1 ， 可 以判定井架各个单元综合强度 足够 ， 并且井架在作业工况时 ， 各杆件单元 U L S最小 值为 0 ． 4 4 ， 说明井架在设计 时， 综合 强度富裕量不 大 ， 充分考虑了优化设计。 3 井架最大变形值出现在远洋拖航工况下， 说 明在复杂的海洋环境条件下 ， 有必要进行结构综合强 度分析， 特别是稳定性的分析。 4 本文的计算结果与部分实测结果基本一致 ， 1 3 6 因此建立的计算模型较符合井架的实际结构特点 ， 能 基本真实的反映井架承受载荷的力学性能。 参考文献 [ 1 ] 杨建平， 刘兴邦． 海洋 自升式井架起升设计[ J ] ． 机械研究与应 用 ， 2 0 1 2 5 1 0 6 1 0 8 ． [ 2 ] A P I S p e c 4 F 一 2 0 0 8 ． 第 3版． 钻井和修井井架 、 底座规范[ s ] ． [ 3 ] 李志刚， 雍军． 基 于 S A F I的海洋 塔形井 架 的拖航 计算 分析 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 5 4 0 4 4 ． [ 4 ] 王峻乔 ， 周思柱 ．基于 S t mC A D 3 D的直立套装 白升式井架计 算分析 【 J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 5 6 3 2 3 4 ．