海洋模塊鉆機結構設計方法適用性研究

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(1.中海油 研究總院，北京 100028；2.中海油 能源發展邊際油田開發項目組，天津 300457；3.西安特種設備檢驗檢測院，西安 710065)

目前，無論固定式生產平臺或者深水水下生產系統，都離不開海洋鉆機。海洋模塊鉆機主要擔負鉆井、完井及油氣井生命周期結束后的棄井使命。由于模塊鉆機需要經受海洋環境下的各類環境載荷和鉆完井作業期間的交變載荷，需要全面考慮模塊鉆機的作業環境與作業載荷，保證鉆機結構能夠在各類載荷作用下仍保持安全狀態[1]。因此，結構設計方法至關重要。

國際上通用的結構設計方法有2種，即工作應力法(WSD)和載荷與抗力系數法(LRFD)[2-3]。國內外專家學者一直在討論哪一種設計方法更適合于海洋石油開發，更容易被設計者接受并采納[4-5]。

1 結構設計方法

1.1 工作應力法

工作應力法即結構受力桿件在工作狀態下的實際應力不能超過材料的允許應力，亦稱為許用應力法。工作應力法在海洋石油設計領域應用較為廣泛，例如美國石油學會已頒布了新版的設計規范API RP 2A-WSD的第三次增補，是API基于工作應力法進行海洋工程結構設計、建造的系列標準。

工作應力法表達式如式(1)。

σ=[σ]=σs/Ω

(1)

式中：σ為工作應力，MPa；[σ]為許用應力，MPa；σs為材料的屈服極限，MPa；Ω為安全系數。

工作應力法可理解為給出一個指定的安全系數，以此來度量因材料達到屈服強度破壞或桿件進入屈曲狀態而失效的抵抗能力。

1.2 載荷與抗力系數法

載荷與抗力系數法即根據各種可能的極限狀態計算出構件強度，用該強度乘以抗力系數確定設計構件的承載力，將構件承載力與構件的結構分析內力值進行比較[6]。由于該設計方法的復雜性，對于每個不同載荷都需要取相應的系數，以此來得到趨近一致的可靠度，因而載荷與抗力系數法應用的范圍有限。美國石油協會于1993年曾頒布了的API RP 2A—LRFD第一版設計標準，并于2002年進行了第一次增補。

載荷與抗力系數法表達式如式(2)。

F≤Φ×Fn=Φ×σs×A

(2)

式中：F為構件許用承載能力，kN；Fn為名義抗力，kN；Φ為抗力系數。

相對于WSD，雖然LRFD規范較復雜，但其依據的設計理論及試驗結果比WSD的公式來源更具有說服力。另外,LRFD法引入了結構可靠度的概念，使得采用LRFD設計的各種構件均能達到一致的可靠度和安全性。

2 兩種設計方法的區別與聯系

2.1 桿件承載能力計算方式

根據WSD和LRFD 2種結構設計方法的表達式，可了解兩者的主要區別，即計算結構桿件承載能力的方式不同。WSD法通過給定一個指定的安全系數，以此來衡量結構桿件是否達到破壞程度；而LRFD法則以極限狀態法為依據，通過對結構桿件的極限強度乘以抗力系數，以此作為結構桿件的承載能力來度量結構桿件在受力狀態下是否達到破壞程度。

2.2 載荷組合系數

根據API RP 2A規范和AISC規范中，對于2種設計方法的載荷組合推薦公式，可以清楚地了解2種載荷組合的主要區別。

WSD法：Q=D+L+W

(3)

LRFD法：Q=rdD+r1L+rwW

(4)

式中：Q為桿件所受載荷，kN；D為固定載荷，kN；L為可變載荷，kN；W為風載荷，kN；rd,rl,rw為相應的載荷系數。

由于本文主要針對海洋模塊鉆機進行適用性研究，而國內海洋模塊鉆機的結構設計均以API規范為設計依據，因此選取API規范中2種方法采用的載荷組合(根據API-LRFD(1993)規范注釋D中的說明，對于甲板上部的非管狀型鋼，采用AISC名義強度公式和抗力系數以及API的載荷系數，計算出的結果相近)。

API WSD:QO=1.0×D+1.0×L+1.0×WOQE=1.0D+0.75×L+1.0×WE

(5)

API LRFD:QO=1.3×D+1.5×L+1.2×WOQE=1.1D+1.1×L+1.35×WE

(6)

式中：QO為操作工況下桿件所受載荷，kN；QE為極限工況下桿件所受載荷，kN；WO為操作工況下的風載荷，kN；WE為極限工況下的風載荷，kN。

2.3 二者之間的聯系

2種設計方法的不同點在于載荷組合系統和安全系數(WSD)或抗力系數(LRFD)。但是，針對相同結構且承受相同的外部載荷，無論采用何種方法進行結構分析，結構桿件實際受力狀態相同，材料屈服極限也相同，不會得出兩種相差較大或相反的結果。

在開始制定LRFD規范時，考慮到與WSD規范的銜接和對應，即同一桿件的承載能力不應由于采用不同的設計規范而有所差異。為達到該目標值，對可變載荷(L)與固定載荷(D)的比值進行了調整，經試算，當L/D=3時，采用LRFD規范取載荷組合1.3D+1.5L和采用WSD規范取載荷組合D+L，兩者計算得到的桿件承載能力標準值相近。

3 模塊鉆機結構算例

3.1 概述

為驗證采用2種設計方法對結構計算結果的影響，考慮DES模塊作業期間經受動載荷較大，對結構設計更為嚴苛，本文分別針對7 000 m和5 000 m模塊鉆機的DES模塊進行模擬計算，以驗證2種設計方法應用在海洋模塊鉆機結構設計上的區別與聯系。模塊鉆機結構如圖1。

圖1 7 000 與5 000 m模塊鉆機結構示意

3.2 載荷及載荷組合系數

固定式導管架平臺上的模塊鉆機載荷包括4類：①固定載荷。模塊鉆機結構質量、設備質量等；②可變載荷。設備中的液體載荷、泥漿載荷、活載荷等；③作業載荷。轉盤載荷、大鉤載荷、鉆臺上的立根載荷等；④風載荷。操作工況和極端工況下的風載荷。

模塊鉆機在操作工況和極端工況下的載荷組合系數遵循API RP 2A規范和API 4F規范，如表1～3。

表1 模塊鉆機API-WSD基本工況

表2 模塊鉆機API-LRFD基本工況

表3 載荷組合

3.3 分析結果

通過有限元計算軟件對2類模塊鉆機結構進行計算分析，2種方法下的結構桿件強度均滿足規范要求，即桿件名義應力比(UC值)均小于1。但根據2類模塊鉆機的計算結果，采用WSD法設計的結構桿件名義應力比較大，結構設計較為保守。

3.4 設計優化

為使2種設計方法下的結構計算結果更量化，對采用LRFD法設計的結構桿件進行優化，通過對同一桿件取得與WSD法相近的計算結果來衡量那一種設計方法更適用于海洋模塊鉆機設計。表4為7 000 m模塊鉆機鉆井設備模塊利用LFRD法設計優化后的計算結果(5 000 m鉆機計算結果相似)。

表4 7 000 m模塊鉆機主要桿件計算結果

國內海上固定式平臺上的模塊鉆機結構型式近似，本例中選取的模塊鉆機為典型海洋鉆機配置(7 000 m模塊鉆機和5 000 m模塊鉆機占中海油鉆機保有量90%以上)。根據優化后的計算結果，當模塊鉆機利用API RP 2A-LRFD法進行結構設計時，2類模塊鉆機優化后的結構質量占總質量的比重小于4%，如表5。

表5 兩類模塊鉆機設計優化結果

3.5 結果分析

通過對2類模塊鉆機結構進行試算，采用WSD法進行結構設計時，計算結果相對保守，結構質量相對較大；采用LRFD法(API推薦標準)進行設計且同一桿件取得相近的計算結果時，鉆機結構質量較輕，但優化質量有限。由于我國各海域的載荷及抵抗力系數尚未標定，推薦采用WSD法進行海洋鉆機結構設計。

3.6 工程應用

渤海某油田位于遼東灣海域，WHPA平臺的井口區沿南北方向共計12排井位，每一排井位在東西方向有4列井位。模塊鉆機DES模塊位于鉆機泥漿模塊的西側，用于完成鉆井及修井作業。DES模塊由下底座和可以移動的鉆臺面組成，鉆臺面可以在沿東西方向在不同的井位上滑移，整個DES模塊可在位于平臺主甲板上沿南北方向的滑軌上滑移[7]。

按照API RP 2A-WSD中的規定對鉆機DES模塊建模(如圖2)。

圖2 DES模塊極限井位結構模型

根據本節所述方法進行載荷模擬后校核結構強度，在極限井位時該鉆機鉆臺處的結構桿件最大變形量為40.6 mm,結構桿件的最大名義應力比為0.89，小于1.0，校核結果顯示所有桿件均滿足規范要求。該鉆機自2008年服役以來，已經順利完成40余口井的鉆完井作業任務，作業效率較高且受到現場作業及管理人員一致好評。

4 結論

1) 通過API規范中的工作應力法(WSD)和抗力系數法(LRFD)，對同一海洋的模塊鉆機進行分析計算，其結構桿件強度均能滿足API規范的要求。 但2種設計方法存在較大的差別， LRFD法力求各種結構構件具有較為一致、平均和協調的安全性和可靠度。

2) 無論AISC規范還是API規范中，推薦的抗力系數均非針對我國海域進行標定,我國尚無權威機構對各海域的抗力系數進行標定。WSD法通過給定一個既定的安全系數，適用于所有海域。該方法在結構設計時雖稍為保守，但更容易被國內外海洋結構工程師所接受，也更符合我國具體需求，且工程應用效果良好。推薦采用WSD法對我國海洋模塊鉆機進行結構設計。