深水鉆井船泥漿處理模塊結構設計與強度分析

趙 銳

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

0 引言

鉆井液（又稱泥漿）是鉆井作業的血液，通常又稱鉆孔沖洗液，是鉆井作業中以其功能滿足多種鉆井工作需要的各種循環液體的總稱。泥漿處理是海上鉆井作業的重要工藝流程，系統常稱泥漿凈化/固控系統，包括的設備和裝置主要有振動篩、除砂器、除氣器、除泥器、粘土箱、泥漿清潔器、攪拌機、沉淀池和各型高壓輸送泵等。對于深水鉆井船或半潛式鉆井平臺來說，由于泥漿處理能力需要滿足復雜作業環境條件下鉆機系統正常工作要求，并且考慮到主甲板下的空間問題，通常將泥漿處理系統進行模塊化、撬裝式設計，將所有設備系統布置于模塊之中，使模塊結構簡便可靠，在滿足功能性的前提下具有良好的工藝性[1]。

本文以某型第六代深水鉆井船的泥漿處理模塊的結構設計和強度分析為主要研究內容，介紹了模塊結構的設計特點，并利用通用有限元軟件根據美國船級社規范Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit (2012)[2]要求進行了強度分析。

1 模塊結構

模塊位于鉆井船主甲板左舷中部、鉆臺模塊支撐結構下方位置。模塊尺寸長約33.4 m，寬約12.0 m，高約9.8 m，共計由3層甲板組成，其中第1層甲板主要布置為除砂器、除氣器和除砂器等設備服務的高壓輸送泵，第2層甲板主要布置振動篩、粘土箱、泥漿清潔器、攪拌機和其他輔助設備，各類沉淀池、泥漿槽和切割槽等布置于第1和第2層甲板之間，主甲板和第2層甲板操作區域均為開敞式設計，頂甲板為隔水套管張緊器預留操作空間。

模塊結構所用材料均為屈服強度為315 MPa的高強度鋼，結構設計特點主要包括以工字鋼桁架形式作為主要支撐結構，生根于主甲板并增加局部加強，層間甲板由6 mm～7 mm甲板板和橫縱骨材組成，各沉淀池艙采用槽型艙壁組成，各類設備均按照不同載荷增加必要的反面加強結構，典型模塊結構橫剖面見圖1。

圖1 典型模塊結構橫剖面

2 結構強度分析

2.1 有限元模型概述

有限元分析是將船體結構離散為有模擬承載和變形情況的有限個單元，以表述船體結構布置特點、構件之間的受力以及變形協調關系。船體結構主要由平板、殼和骨材組成，因此有限元模型主要由板單元、殼單元和梁單元組成，根據結構不同形式和受力特點選取合適的單元以求到達滿意的計算結果[3]。

本文中甲板板、圍壁板和支柱與主甲板連接處選用板單元，骨材、橫梁和支柱選用梁單元，選用質量單元模擬設備并選用剛性單元模擬設備與結構連接，模塊結構網格尺寸為175 mm×175 mm，主船體網格尺寸為700 mm×700 mm。有限元模型覆蓋主船體部分（104號～220號肋位）、鉆臺部分和模塊本身部分，見圖2。

圖2 有限元模型

2.2 坐標系選取

坐標系原點選擇與鉆井船主船體一致，坐標系原點即采用右手法則，即沿船長方向為X軸，船艏為正；沿船寬方向為Y軸，左舷為正；沿高度方向為Z軸，朝上為正。

2.3 材料屬性

材料選取屈服強度為315 MPa的船用高強度鋼，材料屬性為：楊氏模量2.06×105MPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。

2.4 約束條件

約束條件見圖3，在主船體模型104號肋位和220號肋位分別設置A、B這2個獨立點，并與主結構剛性連接。其中A點約束x、y、z方向線位移和x、z方向角位移，即DOF自由度值1、2、3、4、6約束；B點約束y、z方向線位移和x、z方向角位移，即DOF自由度值2、3、4、6約束。

圖3 約束條件

2.5 載荷組成

載荷主要包括模塊自重、設備質量、風載荷、主船體總縱強度作用載荷、船舶運動慣性載荷和沉淀柜泥漿載荷等，船級社規范要求的各層甲板載荷同樣計入。

1）模塊自重包括結構、舾裝、管系、電氣和其他固定質量，參照質心報告，利用慣性載荷方法施加，即重力加速度取為9.8 m/s2。

2）據穩性報告，得出總縱強度作用載荷，見表1。

表1 船舶總縱強度作用載荷

3）船舶運動慣性載荷是根據船舶不同工況下整體運動分析得到模塊所對應的運動加速度，進而得到作用在模塊結構上的慣性力。查閱船舶運動分析報告，取自存工況下最保守的慣性力加載，見表2。

表2 船舶運動慣性載荷

4）根據船級社規范[2]要求，風載荷計算公式

式中：P 為風載荷，N/m2；Vk為風速，取值51.5 m/s；Ch為高度系數，取值1.1；Cs為外形系數，取值1.5。最終得出風載荷計算值為2 673.87 N/m2。

5）甲板載荷根據船級社規范[1]要求，取值見表3。

表3 甲板載荷

6）設備質量，按照質量質心表中分別取值，如有濕重，則取濕重。主要設備質量分別為粘土箱15.82 t、除氣器7.40 t、泥漿清潔器4.99 t和振動篩3.65 t。

2.6 工況組合

根據2.5中提及的各類載荷，結合鉆井船自存工況、拖航工況、鉆井工況和意外工況等不同條件下環境載荷及工作狀態變化，對除自重以外的各類載荷進行組合用于強度分析，本文共選取16種工況進行分析，見表4。

表4 工況組合

表4 工況組合（續）

2.7 許用衡準

根據船級社規范[1]要求，結構應力須滿足構件許用應力σ，即

式中：σs為材料屈服強度，MPa；γs為安全系數。本文根據規范，板單元結構Von Mises應力等效安全系數取值1.1，其他單元結構安全系數取值1.25，各區域不同結構的許用應力見表5。

表5 許用應力

2.8 計算結果

不同工況下的計算結果顯示，模塊結構最大板單元Von Mises應力和梁單元合成應力出現在工況301，見表6、圖4和圖5。在此工況下主甲板連接處最大Von Mises應力為254 MPa，見圖6。

圖4 工況301模塊結構最大Von Mises應力分布

圖5 工況301梁單元最大合成應力分布

圖6 工況301模塊連接處結構最大Von Mises應力分布

表6 計算應力結果

根據以上計算結果，所有工況下結構強度均滿足規范強度要求，最大應力出現在主船體月池附近的縱向模塊支撐肘板趾端處。

3 結論

文章以某型鉆井船泥漿處理模塊為研究對象，介紹了結構設計特點并進行強度分析校核，結論如下：

1）結構形式和尺寸均滿足規范要求，方案可行。

2）模塊結構通常以桁架形式為支撐上部功能性房間，主甲板連接處采用支墩式設計，并注意支墩肘板形式，避免產生應力集中影響疲勞壽命。

3）基于船舶總縱強度和運動慣性載荷影響，最大應力出現在主船體月池附近高應力區域，并對模塊結構本身產生影響，設計過程中應引起高度重視。