HZJ70DB海洋模塊鉆機的安裝與計算

仝兆盤　何軍國　王祥偉　徐曉磊　苗治軍　陳軍鵬

摘 要：為確保海上石油固定平臺模塊鉆機安裝經濟、方便、安全、可靠，結合海洋工程通常的操作方法及規范要求，提出黃巖1-1/黃巖2-2海上石油固定平臺HZJ70DB型海洋模塊鉆機的模塊劃分方案，設計其裝船、拖航與海上吊裝方案，并運用有限元法，對海洋模塊鉆機安裝過程進行基本計算與分析，計算結果滿足規范要求，為海洋模塊鉆機現場安裝與優化提供了指導。

關鍵詞：海洋模塊鉆機；裝船；拖航；吊裝

中圖分類號：TE951 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）06-0084-03

Hook up and Calculation to the HZJ70DB Offshore Modular Drilling Rig

Tong Zhaopan He Junguo Wang Xiangwei Xu Xiaolei Miao Zhijun Chen Junpeng

（RG Petro-machinery Group Co.， Ltd.，Nanyang Henan 473006 ）

Abstract： In order to meets for the following hook up requirements of the offshore modular rig on the fixed platform， such as economy， convenience， security， reliability， this paper combined with the traditional operation method and code at the present， designed the shipping， towing， and lifting scheme for the HZJ70DB offshore drilling rig on the fixed platform HY1-1/HY2-2. Using the FEA to the hook up of the offshore drilling rig， the analysis result meets for the code requirement， and ensured the design reliability.

Keywords： offshore modular rig；shipping；towing；lifting

1 研究背景

海上石油固定平臺模塊鉆機（簡稱海洋鉆機）是實現海上石油與天然氣勘探和開發的關鍵裝備。隨著海洋石油開發力度不斷加大和技術成熟，適應淺水作業環境的海上石油固定平臺的作業水深在逐步加大，由早期30m以內水深，逐漸超過100m的水深，而海上石油固定平臺模塊鉆機也呈現出大型化、重型化、綜合型的趨勢。

海上石油固定平臺模塊鉆機安裝方式，由于平臺組塊自身尺寸及重量均較大，海洋鉆機需要單獨進行海上運輸和海上吊裝。而對此種安裝方式，海洋鉆機需要單獨裝船、海運、進行海上吊裝。海洋環境條件（包括水深、風、波浪、海流、海冰等海況條件）以及離岸遠近[1]，影響海洋鉆機的安裝作業，需要對海洋鉆機安裝過程進行詳細設計和計算，確保安裝方案的可行性、安全性和可靠性。

通常依據“質量劃分、結構相關性、功能完整性、移運性能”等原則來劃分海洋鉆修機模塊[2]。然而，海洋鉆機模塊的劃分并非一成不變，需要綜合分析各種因素，在質量、結構、功能、移運、安裝、成本等方面進行綜合性分析。很多的時候，海洋鉆機的運輸安裝方式決定其結構設計、質量分配、功能區重組。例如，浮吊的吊重能力、吊裝高度及回轉半徑，決定了海洋鉆機模塊的大小，影響其模塊的劃分方式[3]。

海上石油固定平臺模塊鉆機安裝進行有限元分析，對于鉆機結構模塊來說，一般可直接用ANSYS等通用軟件進行計算，然后結合規范分析要求，應用軟件語言，編制二次程序，進行運算求解，得出相關規范值，如長細比、綜合應力、穩定性判定值等[4]。

2 HZJ70DB海洋鉆機簡介

HZJ70DB海洋鉆機主要由鉆井設備模塊（即DES，包括鉆臺、下移動底座）、井架及天車、絞車總成、轉盤及驅動裝置、頂驅、鐵鉆工、鉆井支持模塊（即DSM，包括發電機組與控制模塊、泥漿池模塊、空氣壓縮機模塊等）、暖通設備、安全消防設備、電氣設備、儀表及通訊設備、井控系統、灰罐系統等組成[5]。

在進行HZJ70DB海洋鉆機模塊劃分與安裝方案設計時，重點遵循如下原則：對于大的模塊進行充分組合，減少浮吊次數，降低作業對氣候窗口時間的要求；對于小型模塊，進一步細分，充分利用平臺吊機進行吊裝作業，降低成本。

3 海洋鉆機裝船方案

海洋鉆機裝船方式的確定應綜合考慮各模塊或組合模塊的重量和重心、總體尺寸、組裝碼頭的前沿承載能力、運輸駁船的有效甲板面積及其調載能力等多種因素。通常可采用吊裝裝船或滑移裝船兩種方式。

3.1 吊裝裝船

大型海洋鉆機模塊的吊裝裝船即通過起重船，把模塊直接吊裝到運輸駁船上。通常適應小型的鉆機模塊，或者對大模塊采用大型浮吊。當采用大型浮吊作業時，需要支出昂貴的租賃費用，且對吊裝時的天氣和潮汐要求苛刻，即需選擇適宜的作業氣候窗，否則吊裝作業難以實施，甚至無法實施。

3.2 滑移裝船

滑移裝船技術是利用絞車系統將大型結構物平穩地牽引到駁船上[6]。在滑移裝船過程中，當海洋鉆機模塊（例如鉆井設備模塊或支持模塊）由碼頭滑道開始轉移到駁船滑道時，需要通過駁船測控系統仔細地調節壓載水艙的壓載水量，動態調整駁船的姿態，以克服由于模塊重心的移動和潮汐變化對駁船浮態、穩性的影響，保證模塊順利地被牽引到駁船上。

通過對HZJ70DB海洋鉆機結構分析，其DES模塊外形尺寸大于18.6m×23.2m×13.2m，干重超過850t；DSM模塊外形尺寸大于29.8m×19.6m×10.7m，干重超過1 000t，決定采用滑移裝船方式。

4 海洋鉆機拖航方案

海洋鉆機海上運輸大多采取駁船加拖輪運輸的方式，拖輪應具有足夠的功率和噸位，在選定的海洋環境條件下能夠保持適當的航速，包括所在海域條件下的設計風速，能抵抗波浪的作用力。

為提高海洋鉆機拖航的可靠性，需要設計必要的工裝，把海洋鉆機與駁船進行裝船固定。

對目前海洋工程常用的運輸船及其船型和其載重能力進行分析（見表1），HZJ70DB海洋鉆機設計采用夢娜公主進行海洋運輸。

5 海洋鉆機海上吊裝方案

吊裝作業計算的內容包括被吊裝結構（即海洋鉆機模塊）、工裝和吊索具等。吊裝作業前應進行吊裝作業安全風險分析。

5.1 平臺吊機

對于輕型模塊鉆機，由于模塊尺寸較小、重量較輕（例如，每橇小于18t），可用平臺吊機進行安裝（平臺通常配有一臺35t或40t柴油機作為動力的吊機）。對于大型模塊鉆機配套的設備模塊，如HZJ70DB海洋鉆機采用多段自升式海洋鉆井井架，對井架模塊進行小模塊、輕型化設計，就可以通過平臺吊機進行安裝。

5.2 海上浮吊

為減少海上吊裝時間，為氣候窗的選擇提供便利，大型海洋鉆機通常設計成幾個大的模塊，例如，鉆機設備模塊、鉆井支持模塊等，井深5 000m及以上海洋鉆機結構模塊通常較大，當支持模塊采用整體設計時，其模塊干重往往超過1 000t。當鉆機設備模塊，即下底座模塊與鉆臺模塊整體吊裝時，其重量往往接近或超過1 000t，分開成兩個模塊時，單個模塊重量也在500t左右。這些大而重的模塊通常采用海上浮吊方案。

通過分析，HZJ70DB海洋鉆機DES和DSM模塊須采用海上浮吊方案，大部分鉆井設備（如井架）采用平臺吊機安裝方案。

當采用海上浮吊方案時，起重船應滿足吊裝海況下模塊鉆機對吊重、跨距和吊高的要求。尤其要注意，吊裝過程不能與平臺組塊結構碰撞，對可能出現碰撞的結構應提前采取防護措施，或在平臺上設計安裝加長滑道。

6 海洋鉆機安裝有限元計算

通過對東海黃巖HZJ70DB海洋模塊鉆機結構分析，海洋鉆機在安裝時可以分為鉆井支持模塊DSM、鉆機下底座模塊DES A、鉆臺模塊DES B、井架模塊共4個大的模塊和其他小模塊。

下底座模塊結構吊裝重量約600t，外形尺寸18.6m×23.2m×11.2m。綜合考慮井口平臺結構及安裝方案、海洋鉆機總體結構及重量分布、業主現有船舶及吊機資源、海洋鉆機安裝費用預算等，下底座模塊基本設計時，采取單獨滑移裝船、拖航和海上吊裝。

現在以此海洋鉆機下底座模塊安裝過程為例，進行有限元計算及分析。其他大模塊的安裝及計算方法與此相同。下底座模塊計算模型見圖1。

6.1 滑移裝船計算

下底座模塊底部設計4個滑靴，前后兩對滑靴互相平行，通過駁船絞車從建造場地牽引至駁船，前后兩對滑靴分別同時上船。由于下底座模塊為非均質結構，各部分重量不均，為保證下底座結構強度和駁船的安全，必須把碼頭與駁船間滑道的水平度控制在工程實踐允許的范圍內。

下底座模塊裝船分析中需要考慮不平衡拖力，軌道沉降和支點失效的影響。啟動力以摩擦系數為基礎來進行計算，并且施加在一對被拖拉的滑靴上。不平衡力以摩擦系數為基礎來進行計算，并且施加在一對被拖拉的滑靴上。

6.2 拖航計算

海洋鉆機拖航參數一般有兩種情況，即內海拖航和大洋拖航。

海洋鉆機設備提供方主要考慮模塊本身的固定及拖航時的強度，至于駁船的強度和穩性分析一般由平臺組塊方設計考慮。

在拖航工況中，按照AISC 335規范，許用應力可以提高1/3。

HZJ70DB海洋鉆機拖航分析選取10a重現期，持續時間3s的風速來計算風荷載，并作為環境荷載施加在結構模型上。計算駁船運動慣性荷載時，以駁船浮心作為橫搖和縱搖的中心。橫搖用R表示，縱搖用P表示，升沉用H表示。

HZJ70DB海洋鉆機為內海拖航，不考慮實際海浪譜作用，在拖航過程中，駁船的運動參數按表2選取。

6.3 海上吊裝計算

吊裝分析假定吊鉤位于下底座模塊重心的正上方。

根據API RP 2A（WSD）中相關規定，對于海上安裝，與吊點直接相連構件考慮2.0倍動力放大系數，其他構件考慮1.35倍動力放大系數。吊裝分析中，許用應力不允許提高。

分析時，為使模型穩定，加快收斂速度，吊鉤處邊界條件為全約束，并使用3個彈簧元對水平方向運動進行約束。

7 結論

通過對HZJ70DB模塊鉆機所有單獨安裝模塊的有限元計算分析，各個工況下的綜合校驗值（即UC值）均小于1，滿足AISC 335[7]規范和API RP 2A規范計算要求。

參考文獻：

[1]方華燦.海洋石油工程（上冊）[M].北京：石油工業出版社，2010.

[2]馮定，楊成，王鵬，等.海洋鉆修機模塊劃分研究[J].石油機械，2011（5）：75-78.

[3]楊英亮，張超，宮慧，等.海洋模塊鉆機利用不同浮吊安裝的幾種模塊劃分方案[J].機械工程師，2011（12）：158-160.

[4]李志剛，雍軍.基于SAFI的海洋塔形井架的拖航計算分析[J].石油礦場機械，2011（5）：40-44.

[5]張建勇，徐田甜，王寧，等.番禺30-1氣田鉆機DES模塊吊裝強度分析[J].石油工程建設，2007（3）：46-49.

[6]張偉.大型結構物滑移裝船過程仿真研究[D].天津：天津大學，2006.

[7]AISC 335-89，Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design[S].9th Edition.American Society for testing materials ， 2005.