在役海洋模塊鉆機底座承載能力分析

＊賀家勉 穆網明 王全亮

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司 上海 200335 2.中海油田服務股份有限公司 上海 200335）

海洋鉆機作為海洋油氣資源開采的重要設備，其承載能力及結構可靠性對鉆修井作業井深及載荷大小等具有很大的影響[1-2]。由于海洋環境的影響，相對于陸地上的鉆機而言，其腐蝕更為嚴重，從而導致海洋鉆機許多構件存在壁厚減薄現象，為了保證海洋油氣開采的安全，有必要對服役多年的海洋鉆機的承載能力進行評估。

本文以某平臺的海洋模塊鉆機底座為例,在對其構件幾何尺寸進行實時測量的基礎上，考慮多種載荷的影響,依據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》及SY/T 6326—2019《石油鉆機和修井機井架底座承載能力檢測評定方法及分級規范》等標準，采用有限元分析對其承載能力進行分析評估，為該鉆機底座安全作業提供可靠的理論及技術支撐。

1.海洋模塊鉆機底座簡介

本文研究的海洋模塊鉆機底座出廠時間為2009年，由DES-A及DES-B兩大部分組成，其中DES-A模塊包括三層甲板，第一層為防噴器甲板；第二層為固控系統甲板及拖鏈臺甲板，第三層為上層滑軌甲板，DES-B為一層甲板，主要用來安裝井架、司鉆房及立根等設備。

由于鉆機底座服役時間較長，受到海洋氣候的腐蝕作用，從而對其結構強度及穩定性等特性具有一定的影響。為了準確地獲取在役鉆機底座的承載能力，本文根據鉆機底座各桿件的實時數據及相關標準對其進行有限元分析。

2.模塊鉆機有限元模型

(1)鉆機底座幾何模型

為了減小計算工作量，在相關假設的前提下[3-4]可對模塊鉆機底座模型做適當的簡化，根據本模塊鉆機底座的結構及承載特點，在模塊鉆機底座建立幾何模型時，針對DES-A及DES-B兩模塊中一些非主要承載梁進行忽略，但在載荷施加時將非主要承載梁上的載荷轉化到主要承載梁上。

針對模塊化鉆機底座的結構特點，將坐標原點設置在DES-A模塊底部中心位置，X軸正方向指向東，Y軸正方向指向北，Z軸正方向與高度方向相同。鉆機底座幾何模型創建及載荷施加時長度單位為mm，彈性模量單位為MPa，力的單位為N。

在模型簡化原則的基礎上，根據模塊鉆機底座幾何結構的測量數據，建立了模塊鉆機底座幾何模型，如圖1所示。

圖1 鉆機底座主體結構

(2)鉆機底座網格劃分

本海洋模塊鉆機底座主要由工字鋼焊接而成，在有限元網格劃分時采用BEAM188單元，每個梁單元長度為100mm，網格劃分完成后，節點和單元數目分別為25069和12845。

(3)邊界條件

為了滿足模塊鉆機底座叢式井不同井位鉆修井的工作要求，DES-A及DES-B模塊可分別在各自的導軌上進行滑動，根據不同的井位需求，滑動到相應的位置后，在工作過程中，DES-A及DES-B模塊分別固定在各自的導軌上，DES-B模塊相對于DES-A模塊相對移動，因此，DES-A模塊與DES-B模塊為剛性連接，DES-A模塊與平臺上的導軌連接位置為全約束。

(4)工況分析

根據API SPEC 4F—2020《鉆井和修井井架、底座規范》和中國海洋石油總公司企業標準《海上石油平臺鉆機》對鉆機載荷的規定，以下兩種類型極端工況對鉆機底座影響最大，因此在此兩種類型工況下對其進行有限元分析，各類型工況載荷組合情況如表1所示。

表1 工況載荷組合情況

①工況Ⅰ（API SPEC 4F—2020中第7部分表1.1a作業工況）：100%自重+最大鉤載下的井架支反力+100%立根載荷+100%工作風載（風速不小于30.1m/s）。

②工況Ⅱ（API SPEC 4F—2020中第7部分表1.3a非預期工況）：100%自重+100%立根載荷+100%非預期風載（風速為54.4m/s）。

為了得到不同風向對模塊鉆機底座的影響，在兩種類型的工況中涉及風載的計算時，風載荷分別為如圖2所示的8種角度。

圖2 模塊鉆機底座不同角度風向示意圖

(5)載荷計算

①恒載與工作載荷

恒載主要來源于底座的自重、安裝在底座上的設備重量和井架及相關設備的重量。工作載荷主要來源于鉤載、立根載荷、工作繩作用力和不同工況下的風載荷。其中，井架及相關設備的重量和工作載荷通過井架與底座連接點以支反力的形式進行施加。

②立根載荷

而作為對比的蒙自石榴，擁有10萬畝的特色現代農業示范區。運用各種現代農業生產方式，將科技帶入農業生產的各個環節中，并將農業與第三產業相結合，建立了蒙自莊園，發展旅游業，讓蒙自石榴走出大山，飄香國內外。

立根載荷根據立根的數目及重量直接施加在模塊鉆機底座立根盒所在梁上。

③風載荷

風載荷主要包括DES-A及DES-B兩模塊承受的不同工況的風載荷。根據承風特點，風載荷可以施加在其承風面的節點上。模塊鉆機底座風載荷計算如公式（1）所示。

式中：F為底座上的風載，N；A為承風面積，m2；P為風壓，Pa。計算方法如公式（2）所示。

式中：Vk—風速，單位m/s；Ch—高度系數；Cs—形狀系數。

3.結果分析

進行有限元計算，得到了底座各工況下的軸向應力，如表2所示。底座最大軸向力出現在工況Ⅰ-2，最大軸向應力值為55.5MPa，最大軸向應力位于DES-A模塊上層滑軌與DES-B模塊支腿連接處（如圖3工況Ⅰ-2的軸向應力云圖MN位置），可知最大軸向應力值小于模塊鉆機底座所用材料（Q345）的許用應力，由表2可知安全系數達到了6.22，表明模塊鉆機底座軸向強度滿足要求。

圖3 工況Ⅰ-2的軸向應力云圖

表2 底座各工況有限元計算結果

為了獲得底座桿件的強度,根據AISC 335—1989《鋼結構建筑規范》可知，鋼結構強度結果判定時，通常采用uc值來進行衡量。模塊鉆機底座的uc值計算方法如公式（3）、公式（4）所示。

其中，公式中各參數的含義如文獻[5]。在式（3）和式（4）中，與下標b，m和e結合在一起的下標x和y表示某一應力或設計參數對應的彎曲軸。 fa—井架承受設計最大鉤載時，測試桿件的軸心拉壓應力，單位為兆帕（MPa）； Fa—只有軸心拉壓應力存在時容許采用的軸心拉壓應力，單位為兆帕（MPa）； fb—井架承受設計最大鉤載時，測試桿件的壓縮彎曲應力，單位為兆帕（MPa）；Fb—只有彎矩存在時容許采用的彎曲應力，單位為兆帕（MPa）；Fe'—除以安全系數后的歐拉應力，單位為兆帕（MPa）； Cm—系數，對于端部受約束的構件：Cm=0.85。

采用編程的形式計算了底座在各工況下桿件的uc值，底座各工況最大uc值計算結果如表2所示。根據底座uc值可以看出，在工況Ⅰ-7，uc值最大值為0.995，uc值最大位置位于DES-B模塊與DES-A模塊第3層滑軌連接處，如圖4所示MX位置，由于uc值最大值小于1.0，說明各工況下底座的承載能力滿足作業要求。

圖4 工況Ⅰ-7的uc值云圖

4.結論

（1）對于在役海洋鉆機底座的承載能力研究，由于鉆機底座在長時間的服役過程中受到海洋氣候的影響，底座各部件存在一定的腐蝕而導致型材厚度減薄的情況，因此在底座承載能力分析時，應以底座當前的數據為依據。

（2）根據在役海洋鉆機底座有限元分析結果可知,底座最大軸向力為55.5MPa，位于DES-A模塊上層滑軌與DES-B模塊支腿連接處，軸向強度安全系數最小值為6.22，表明模塊鉆機底座DES-A及DES-B模塊軸向強度滿足要求。

（3）根據模塊鉆機底座各工況的uc值計算可得，其uc值最大值為0.995，uc值最大位置均位于DES-B模塊與DES-A模塊第3層滑軌連接處，表明底座的承載能力滿足各工況要求。