7 000m海洋模塊鉆機滑軌結構優化設計

張建勇，王 寧，胡澤剛，陶 強，李玉鵬

（1.中海油能源發展股份有限公司 油田建設工程分公司，天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司 深圳分公司，深圳 518067）

海洋平臺模塊鉆機的DES鉆井模塊通常由下底座和鉆臺面2部分構成，可通過雙向滑移來覆蓋整個井口區，以完成鉆修井作業。鉆機滑軌采用焊接方法固定在平臺組塊頂層甲板主梁上方，用于承載DES模塊的整體作業載荷和滑移載荷。

在海洋平臺模塊鉆機的鉆井深度達到7 000m時，大鉤載荷4 500kN，立根載荷2 700kN，井架、絞車、泥漿罐和振動篩的質量也明顯增大。平臺甲板滑軌作為重要的承載結構，受到的支點反力比5 000m鉆機增加約30%［1］。本文應用有限元法對模塊鉆機滑軌結構進行強度和剛度分析，在不改變滑軌主結構的基礎上，提出適應7 000m模塊鉆機滑軌的優化設計方案。

1 模塊鉆機支點反力

模塊鉆機支點反力是滑軌的翼緣板、腹板和筋板設計的控制因素，對平臺組塊甲板框架結構的設計有重要影響。

影響模塊鉆機支點反力的主要因素有4個方面。

1）模塊鉆機DES模塊上的機械、電氣、儀表、通訊、配管和舾裝等專業設備的載荷。這部分荷載是支點反力的主要組成部分，也是結構設計控制因素之一。

2）模塊鉆機總體布置方案。主要指滑軌間距，DES模塊各層甲板面積、層高以及設備布置時的偏心情況等，這些是影響支點反力分配的重要因素。

3）平臺井口區布置形式，例如井口數量、間距和與滑軌的距離等。鉆機作業需要覆蓋所有的井位，當井口區某一方向的井位較多或是井口偏向一側滑軌時，會引起該側滑軌支點反力急劇增加，甚至80%以上的鉆機載荷都會集中在該側滑軌上，對滑軌的結構強度非常不利。

4）模塊鉆機結構框架方案設計。一方面是指合理設置支點數量，另一方面是指在滿足剛度和強度的前提下，控制結構質量，優化傳力路徑，從而減小支點反力。

通過搜集整理國內多個模塊鉆機項目資料，統計出4 000、5 000及7 000m模塊鉆機的滑軌支點反力，如表1所示。

表1 滑軌支點反力對比數據

2 滑軌加強方案

1）在滑軌翼緣板下方增加垂直于腹板的筋板，筋板間距根據支點反力大小進行調整。

2）增加翼緣板、腹板和筋板的厚度或提高材料等級。

對于7 000m模塊鉆機，甲板滑軌的翼緣板厚度為70mm，腹板厚度為50mm，筋板厚度為38 mm，筋板間距為280mm。通過增加板厚、加密筋板的方式提高滑軌承載力，會大幅增加滑軌鋼材用量和現場焊接檢驗難度，而且容易出現焊接變形和應力集中現象［2］。

通過多種加強方式的對比研究，設計出滑軌加強方式的優化和改進方案：在滑軌翼緣板下方，設置兩條平行于腹板的縱向筋板，高100mm、厚25 mm。通過這種改進方式，在不改變滑軌結構形式的基礎上，能夠大幅提高滑軌的承載能力，如圖1。

圖1 滑軌優化和改進方案

3 有限元方法分析

為準確模擬滑軌的受力情況，將鉆機滑軌以及甲板組塊的主梁、主立柱和斜撐結構都進行了模擬［3］，如圖2～3。

圖2 滑軌無縱向筋板

圖3 滑軌有縱向筋板

滑軌的邊界條件選取原則是：組塊主立柱端部為6個自由度全部約束，組塊斜撐端部約束3個位移自由度，組塊H型鋼端部約束x和y方向位移自由度。

選擇模塊鉆機位于極限井位時最大的支點反力，如表2。圖4為有限元模型加載及邊界條件示意圖。

表2 滑軌支點反力的最大值 kN

圖4 滑軌模型邊界條件及加載

4 結果對比分析

未設置縱向筋板時，翼緣板中心線附近，即與腹板連接位置，出現較大面積應力超標情況；設置縱向筋板后，翼緣板應力超標范圍大幅減小，僅在爬行器開孔處的角點附近出現局部應力超標。同時，滑軌整體變形也由9.2mm降低為7.3mm，證明增加縱向筋板可以提高滑軌剛度［4］。應力云圖如圖5～6。

圖5 滑軌翼緣板局部應力云圖（無縱向筋板）

圖6 滑軌翼緣板局部應力云圖（有縱向筋板）

增加縱向筋板與提高板厚的效果對比如表3所示。

表3 增加縱向筋板與增加板厚效果對比

5 結論

1）在滑軌翼緣板下方增加縱向筋板后，除爬行器開孔處應力集中點外，滑軌結構的強度完全滿足規范要求。應力集中點的最大應力值由528MPa降低為476MPa，變形也由9.2mm降低為7.3mm。表明增加縱向筋板的加強方案能夠在節約鋼材的前提下，使滑軌承載能力從7 000kN提高到8 800kN。

2）引起模塊鉆機支點反力較大的主要因素是鉆井深度增加造成設備升級和作業載荷增大。建議在模塊鉆機方案設計階段綜合考慮各方面因素，通過縮小滑軌間距，合理控制井口數量以及縮小井口間距，使得鉆機總體布置盡量避免偏心，從而降低鉆機支點反力，保障鉆機作業安全。

［1］胡鵬飛，馮翠鑫.PEMEX海洋模塊鉆機技術方案的實施［J］.石油工程建設，2010，36（3）：28－32.

［2］王玉萍，馬永剛，裴志明，等.固定式作業平臺鉆機移動系統的研制［J］.石油礦場機械，2006，35（2）：73－75.

［3］徐田甜.渤海7號鉆井船與渤中26－2平臺適應性改造工程中的滑軌設計［J］.中國海上油氣，2004，16（2）：126－128.

［4］韓 宇，栗國浩.海洋模塊鉆機移動步行器優化設計［J］.石油礦場機械，2011，40（2）：84－86.