海洋某石油平台塔形井架计算分析

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塔形井架是海洋石油钻井平台的-种常用井架，该井架是横截面为正方形或矩形的空问桁架结构，整个结构由许多杆件组成，杆件与杆件之间采用螺栓连接。由于塔形井架本体是封闭的四棱锥整体结构，有很大的组合截面惯性矩，因此其整体稳定性好，承载能力强，且钻台面有效 空间大，利于工作人员操作 ，适用于海洋石油平台复杂工况下工作使用。

笔者以胜利某海洋石油平台塔形井架为例，利用SAFI结构计算软件对该井架进行模拟工况计算分析，求犬架的各受力单元 ULS值，井架的变形值，井架支座的支点反力，为井架的设计与优化提供理论支持与依据。

2 井架与软件介绍2.1 井架介绍井架设计为四棱锥体式塔形井架，最大额定钩载4 500 kN(6x7绳系)，有效高度为44.8 m。主要由井架主体、天车总成、二层台、顶驱导轨总成、梯子及平台、油管台及立管夹等附件组成。井架主体由4扇平面桁架组成，每扇桁架怪 9层，由于在设计时要满足用户提出的井架总重量旧能减重的要求，因此在材料选择时，主腿选用抗弯抗扭能力强的焊接 H型钢，横撑及斜撑选用截面性能好的方钢管，相邻的主腿以及横、斜撑之间均采用螺栓连接，井架4条大腿用螺栓连接于井架支座上，井架支座配焊于台面上。

2.2 SAFI软件介绍SAFI是加拿大 SAFI Quality Software Inc.开发的结构计算软件，软件有专门为石油结构工程开发的分析计算部分，能结合 API-4F第三版(美国石油学会《钻井和修井井架、底座规范》) 完成各种工况下的井架建模、加载、计算分析以及校核等工作，并自动生成计算报告。SAFI软件提供 ULS(Ultimate LimitState即强度极限状态)单元值用于判定构件的综合强度，该值表现的是实际受力与许用受力的比值，完全遵循 AISC 335-89规范的要求，对于 ULS值小于1.0的单元 ，则认为该单元综合强度足够，反之 ULS值大于 1.0的单元，则认为单元综合强度不够，需加强或重新设计。

3 井架分析计算3.1 井架建模与处理在用 SAFI软件对井架进行建模时，在确定坐标系后，首先找出井架的各个节点，运用线条连接节点，将整个井架结构用线条单元描绘出来，然后对每个单元进行具体的描述，赋予线条单元材料特性、截面形状与尺寸，以及编辑其边界条件。井架实体模型共划分为392个节点，724个单元，如图1所示。在建模过程中应结合实际情况，对井架做如下模拟处理。

(1)井架主体是由焊接 H型钢、方钢管构成的收稿 日期：2013-04-07作者简介：叶涟波(1967-)，女，广西桂林人，工程师，主要从事金属结构设计方面的工作。

· 13l·设计与制造 2013年第3期(第26卷，总第125期)·机械研究与应用 -- 个空间桁架结构，每个杆件都是细长杆件，杆件之间的节点用螺栓连接，因此在建模时将各个节点处理为铰接或刚性连接，主弦杆井架4条大腿设置为柱类单元(Column)，其余杆件设置为梁类单元 (Beam)。

井架体4条大腿用螺栓固定在钻台面的井架支座上，此处连接采用固定连接(FIXED)，6个方向的自由度完全约束图 1 井架模型0.003 38xKiX xC xA，可计算出具体数值。然后分别加载N-层台与顶驱导轨上。

(5)模型中井架自身的风载，可直接用软件提供的Wind Profiles单元模拟，首先设定该单元应用的标准为API 4F-2008，然后选择不同的角度，模拟井架在各个方向上的风载。

3.2 计算参数最大钩载为4 500 kN；有效高度为44.8 m；无立根无钩载风速为204 km/h(110节，>12级风)；满立根无钩载风速为 167 km/h(90节，l2级风)；油田内拖航参数：设计风速 36 m/s(70kN)，横尧纵摇 6。，波浪周期 10 S；远洋拖航参数：设计风速 51.5 m/s(100 kN)，横摇 、纵摇 l5。，波浪周期 10 S；拖航时转盘中心与平台重心的位置坐标分别为 ：-6.16 m，Y 0.93 m，Z-0.081 m。

3.3 工况组合井架承受的载荷主要有恒载、工作载荷、立根载荷、风载荷以及动载荷。恒载主要包括井架本身的自重力，以及芭在井架上的附件工具等的重量。工作， ： - 譬 击g，-N 元 草 E 羲 警： 。、死绳拉力加载到天车上，3 ： u内 45j.J坦 2 盖 。赛 向。 将立 皇上绐 舌 ， u力蠢 藁 拖航时，船体. 之 平 苎 蒜1 "-：.，13 o剐 -， 算时将井架自重乘以-个放大系数来模拟 、 ：以及AP 第三版 附件 - ～ . 忡 兰 JS it fl - 1-a5-iit：It]jxtE. 对于立 和顶驱等迎风面积 部件 ，按组合。川 不 ～ ～ - - - ～ API4F第三版提供的公式 Gf× ×∑F ，F 由表 1可见，井架在正常作业时，应力修正系数为I，载荷组合由最大钩载井架及附件设备自重立根靠力正常作业最大风速24.7n s(48节)时井架的风载顶驱扭矩组成。井架在可预见风暴环境下，应力修正系数为 1.33，载荷组合为井架及附件设备自重游动系统自重风速 56.6Ⅱ s(110节)时井架的风载。井架在不可预见风暴环境下，应力修正系数为 1.33，载荷组合为井架及附件设备 自重游动系统自重220T立根靠力风速46.3 m/s(90节)时井架· 132·的风载。由于风向不同，上述每种工况各分为8种细化工况。

在计算拖航工况时，应力修正系数为 1.33，由于用户未要求升沉力计算，所以只考虑纵摇惯性力和横摇惯性力，SAFI软件计算惯性力时先运用 Weightsand masses将井架结构设备自重定义为质量单元，然后运用 vessel motion将动态分析转化为线性静力分析 ]。当风载方向与船体旋转方向相同时，即风载方向与船体旋转轴线垂直时，井架受力最大，组合风· 杌械研究与应用 ·2013年第3期(第26卷，总第125期) 设计与制造载与惯性载荷。按照风向的不同，油田内拖航与远洋拖航各分为8种细化工况。

3.4 计算结果通过对井架承受载荷的定义，组合各种工况后，在SAFI软件中进行结构运算，可直接得出井架上每个单元的ULS值，如图2所示。

图2 构件 ULS值当井架最大钩载作业时，井架天车梁单元 ULS值最大达到0.95以及部分主弦杆达到0.94，横斜撑ULS值在0.44-0.99之间。在可预见工况时，与井架支座相连4条底段大腿(主弦杆)ULS值在 0.8以上，最大值为 0.85，其余构件 ULS值在0.69以下。

在不可预见工况时，井架各构件 ULS值均在0.56以下，最大 ULS值出现在底部主弦杆。在油 田内拖航工况时，井架各构件 ULS值均在0.59以下，最大ULS值出现在单元号263的斜撑上。在远洋拖航工况时，与井架支座相连4条底段大腿(主弦杆)ULS值均在0.8以上，最大 ULS值 0.88出现在单元号702的底部主弦杆上，单元号为 130的斜撑ULS值也达到0。

从计算结果可以看出，在各工况下，单元 ULS最大值为 0.99不超过 1，可以判定井架各单元综合强度足够。井架在作业工况时，即最大钩载和风载联合作用下，较大的 ULS值集中出现，为井架的主要受力工况 。

井架的变形情况如表2所列，表2中加黑数字列举的是井架在不同方向上的最大变形量。在-y方向，最大变形值出现在工况序号为5的最大钩载作业工况下；在 轴两个方向变形量最大的工况序号分别为 13和9，属于可预见风暴工况；在 z轴两个方向变形量最大的工况序号分别为35和39，属于远洋拖航工况。计算结果可在软件中直接获龋表 2 井架最大变形表塔形井架构件间用螺栓连接，因此螺栓的选用以及强度的校核是井架计算的重要部分，SAFI软件可以提供各个连接节点的受力值，用于校核该连接处螺栓的强度。表3提供 4个井架支座在各种工况组合下最大的支座反力，为支座连接处螺栓的校核提供理论依据。

表 3 井架支座最大支反力4 结 论(1)SAFI结构计算软件，遵循 了AISC 335-89规范的要求，结合 API-4F第三版，能够满足海洋井架在各种工况下，进行建模、加载、计算并最后直观得出结论，是-款能专门为石油工程结构便捷计算分析的工具软件。 (下转第136页)· 133 ·检测与控制 2013年第3期(第26卷，总第125期)·机械研究与应用 ·图3 上位机程序流程图5 结 语测量结果表明能够精确的显示管内壁的凹凸变化，将形状实时显示在电脑上，灵活性强，可实现空间坐标点位测量，方便地测量各种管状物体的内壁轮廓尺寸及位置参数，测量精度高且可靠。计算机的引入，可方便数字运算与程序控制，具有较高的智能化程度。