海洋平臺鉆機井架承載能力計算研究

摘 要：海洋平臺鉆井架所處的環境比較惡劣，很容易出現問題。因此，對它的承載能力的研究很有意義。本文以某海洋平臺鉆機井架現場測試為研究案例，發現了該鉆機井架出現的一些問題，針對這些問題，本文對鉆機井架進行了有限元分析和其承載能力的計算研究。

關鍵詞：海洋平臺；鉆機井架；承載能力；計算研究

中圖分類號：TE951 文獻標識碼：A

據相關部門統計，海洋平臺鉆機井架的損壞主要有：整體損壞、連接損壞及桿的零件損壞等等。這些不良的現象的存在嚴重制約著我國海洋鉆井事業的發展。針對起初對缺陷井架承載能力評估模型的不齊全，思考到了海洋的鉆井機井架可能普遍存在這樣的問題。通過利用有限元進行分析計算，我們引入了一些新的概念，來構建海洋平臺鉆機井架的實際應力計算模型。這可以用于對海洋鉆井機的實際承載能力進行評估。

一、海洋平臺鉆機井架現場測試

為了更加全面地了解海洋平臺鉆機井架的實際情況，在對井架編號處理的基礎上，我們又進行了對海洋平臺鉆機井架的結構及外觀檢測分析、腐蝕檢測分析及應力應變檢測分析等。分析的結果表明：井架沒有存在任何的載荷偏離中心、磁粉的探究損傷結果也沒有顯示出任何可以看見記錄的裂紋。

1關于海洋平臺鉆機井架的腐蝕檢測。采用的是TT100超聲波的測量厚度的儀器對所有的桿的零件進行了超聲波的測量厚度，其中一些被海水腐蝕較厲害的桿件厚度對比情況請看下面的表格。（腐蝕程度=（原始厚度-實際厚度）/原始厚度）

把上面表格中所有桿件的腐蝕程度計算出來，可以得到鉆機井架的平均腐蝕率為9.73%。

2應變測試。根據相關的標準規則和平臺鉆機井架現在擁有的加載條件，分別對鉆機井架施加190kN、220kN、350kN載重進行應變測試。在鉆機井架的下面大腿部位一共布置了9個測點位置，每個測點位置分別在主要位置的不同側面布置了3個測試點。然后分別對每個部位的加載從高到低2次，從低到高也是2此，采取同一個測試點位置的平均數值，記錄應變的測試記錄數據。

二、有限元分析

1為了給后面的整體穩定性提供一定的數字可靠的參考，首先需要對鉆機井架做出整體的有限元分析，并且在這個基礎上進行曲折的分析，進而得到井架的整體穩定性安全數據。

2經過簡化的鉆井機架幾何模型可以拆分為井架下面、上面、井架的支座及天車的箱梁四部分。由于海洋平臺鉆機機架是三維的桿件構造，各個桿件不單單需要承受著軸向力，還要承受著附加的彎矩力，因此要采用三微量單位的方式。對于鉆機井架不同截面型鋼材所構成的梁和支撐，可以在處理的時候對照不同的實際常數。根據實際的構造，本文作者定義出了30中截面的類型，同時也就對照了30組實際常數。綜合思考了計算時間和內存的消耗，這個有限元模型單位的大小假設設為100cm，通過劃分網格，共有6850個節點和7076個單元。

3有限元的分析結果。鉆機井架的最高承載限度是井架設計時所允許的最大負荷重量，也可以認為是施加在井架結構上面的最大重量。只有對該工程情況進行有限元的分析計算后，才能夠明確鉆機井架的極限強度。利用ANSYS、FEPG、SciFEA、JiFEX、KMAS等有限元的分析軟件可以對最大載重量1700kN工程情況的有限元模型進行分析，得到的最大應變壓力和最大應力。其數值分別為7.56×10-4和190MPa。最大的綜合位移距離為11.3cm，數值適中。然而，鉆機井架的材料為16Mn，結果，最大應力遠遠小于期許的用應力。由此可見，最大鉤載載重情況下，井架的強度足夠強。

4有限元的計算結果分析。為了可以更確切地對有限分析元結果進行驗證，本文作者參考了一些生產廠家設計的鉆機井架通過第三方的驗證，保證有限元計算分析結果的精準。在對比中發現，在最高的鉤載工情況下，這一次有限元的計算結果得到的最大應力為160MPa，結果只是相差了1.4%，從而再次驗證了此次有限元計算的精確性，也說明了這次我們使用的有限元的計算方法是爭取的。

三、井架承載能力計算及研究

將得到的無損壞海洋鉆機井架的有限元計算應用力結果代入實際的承載能力計算公式，再根據前面的實際測量數據，我們就可以得到具體的損壞系數。由于鉆機井架的平均腐蝕率為9.73%，那么腐蝕引起的損壞系數f1=（1-0.0973）2≈0.816。如果只有1根鉆機井架的腿彎曲現象，假設這段大腿長度為0.01km，彎曲矢高為1.5cm，桿部件的系數取10，將以上的參數代入公式，就能夠得到桿件的初始彎曲損壞的系數f2=1-1.5aCi=0.977。如果這個井架已經使用了18a，那么井架的使用年數就等于18，將上面的數值分別代入公式就可以得到應力其中損害系數f3=0.943。將計算得到的f1、f2、f3代入上面公式，就得到了三種測試載重力的結果，與實際測量的數據結果對比如下表格。

從上面表格中我們可以看出，除了測試點4以外，其他測試點的計算應力和實測力的誤差都比較小，測點4的數據表明了，在三種測試的重荷下的計算應力均要比實測的應力小0.1左右。作者發現了測點4剛好位于存在彎曲部位的鉆機井架的下面部位，由于對桿件彎曲的影響，這個地方的實際應力應該會增大，這也證明了桿件彎曲會帶來機井井架承載能力的大幅度下降。

結語

將現場測試得到數據轉化為損壞的系數，并將它代入鉆機井架的實際承載能力計算公式進行計算應力，結果表明了，現場測試與理論上的結算結果很接近，其中應力集中這一因素對井架的承載能力影響較大。對于使用時間較長的井架我們必須考慮加固或者更換。

參考文獻

[1]許芝卉，王鳳艷.用差分方法求解兩點邊值問題[J].山西大同大學學報，2009（04）：78-96.

[2]暢元江，陳國明，許亮斌.基于波浪譜與鉆井船RAO的鉆井船運動模擬[J].系統仿真學報，2009（05）：65-87.

[3]許亮斌，蔣世全，姜偉.深水鉆井隔水管浮力塊配置方法研究[J].中國海上油氣，2009（01）：102-136.

[4]江懷友，喬衛杰，鐘太賢，等.世界海洋鉆井技術及裝備現狀與展望[J].石油科技論壇，2010（06）：78-96.

[5]王海峽，趙廣慧.波流極值載荷作用下隔水管的非線性分析[J].石油礦場機械，2010（11）：46-89.

[6]周國強，劉金梅，葛慰敏，等.勘探三號海洋鉆井井架動力特性測試與安全評估[J].石油礦場機械，2011（08）：120-145.

[7]王騰，張修占，朱為全.平臺運動下深水鉆井隔水管非線性動力響應研究[J].海洋工程，2012（03）：130-156.

[8]劉彩虹，楊進，曹式敬，等.海洋深水鉆井隔水管力學特性分析[J].石油鉆采工藝，2012（02）：162-189.