海洋模塊鉆機滑軌結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

安振武，穆 頃，李艷麗，楊肖龍

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

海洋模塊鉆機滑軌結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

安振武，穆 頃，李艷麗，楊肖龍

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

7,000,m海洋模塊鉆機作用在平臺甲板滑軌上的支點反力比5,000,m模塊鉆機增加約30%,，使得滑軌結(jié)構(gòu)的承載力大幅度增加。提出了新的滑軌設(shè)計方案，用于增強滑軌結(jié)構(gòu)強度，提高承載能力。應(yīng)用有限元軟件ANSYS對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計和對比分析，使得改進后的滑軌結(jié)構(gòu)完全滿足7,000,m鉆機的使用要求，并對不同優(yōu)化設(shè)計方案的優(yōu)缺點和適用情況進行了詳細(xì)說明，為今后的滑軌結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

模塊鉆機 滑軌 優(yōu)化設(shè)計 有限元分析

海洋模塊鉆機由于其占用甲板面積小、質(zhì)量輕、建造成本低等優(yōu)點，[1]在海洋石油生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著海洋石油開發(fā)的不斷發(fā)展，石油公司對于鉆機的作業(yè)要求越來越高，[2]鉆機深度由原來的4,000,m、5,000,m 增加到 7,000,m。鉆機模塊的整體操作重量不斷增加，對于鉆機滑軌承載能力的要求也就越來越高。原有的滑軌結(jié)構(gòu)形式很難承載不斷增加的鉆機反力，這就要求改進現(xiàn)有滑軌設(shè)計，提高滑軌的承載能力。

1 滑軌典型結(jié)構(gòu)形式

模塊鉆機滑軌采用焊接方法固定在平臺組塊頂層甲板主梁上方，用于承載 DES模塊的整體作業(yè)載荷和滑移載荷。現(xiàn)有模塊鉆機的平臺滑軌主要采用T型梁結(jié)構(gòu)，滑軌結(jié)構(gòu)由面板、腹板及筋板 3部分組成。典型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示：

圖1 平臺滑軌典型結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Typical structure of the sliding rail

2 模塊鉆機支點反力

模塊鉆機 DES模塊支點反力是滑軌的翼緣板、腹板和筋板設(shè)計的控制因素，對平臺組塊甲板框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計有重要影響。[3]

影響模塊鉆機支點反力的主要因素有4個方面：①模塊鉆機 DES模塊上的機械、電氣、儀表、通訊、配管和舾裝等專業(yè)設(shè)備的載荷。這部分載荷是支點反力的主要組成部分，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計控制因素之一。都會集中在該側(cè)滑軌上，對滑軌的結(jié)構(gòu)強度非常不利。④模塊鉆機結(jié)構(gòu)框架方案設(shè)計。一方面是指合理設(shè)置支點數(shù)量，另一方面是指在滿足剛度和強度的前提下，控制結(jié)構(gòu)質(zhì)量，優(yōu)化傳力路徑，從而減小支點反力。通過搜集整理國內(nèi)多個模塊鉆機項目資料，統(tǒng)計出4,000,m、5,000,m及7,000,m模塊鉆機的滑軌支點反力，如表1所示。

表1 軌支點反力對比數(shù)據(jù)Tab.1 Comparison of reaction of supports

3 滑軌加強方案

根據(jù)滑軌結(jié)構(gòu)組成和受力特點，文中提出3種優(yōu)化設(shè)計方案：

方案 1：增加翼緣板、腹板和筋板的厚度或提高材料等級。

方案 2：在滑軌翼緣板下方增加垂直于腹板的筋板，即在滑軌翼緣板下方，設(shè)置兩條平行于腹板的縱向筋板，高100,mm、厚25,mm。如圖2所示。

圖2 滑軌優(yōu)化方案2Fig.2 Optimization scheme of sliding rail(2)

方案3：將原有單腹板的T型結(jié)構(gòu)形式改為雙腹板，即將原結(jié)構(gòu)設(shè)計中單條 50,mm厚的腹板改為兩條38,mm厚腹板，在腹板外側(cè)設(shè)置橫向筋板，加大筋板的間距。如圖3所示。

圖3 滑軌優(yōu)化方案3Fig.3 Optimization scheme of sliding rail(3)

4 有限元方法分析

為準(zhǔn)確模擬滑軌的受力情況，將鉆機滑軌以及甲板組塊的主梁結(jié)構(gòu)都進行了模擬，采用實體單元(SOLID95)建立有限元模型。[4]滑軌的邊界條件選取原則是：組塊主梁及滑軌的端部做簡支約束。選擇模塊鉆機位于極限井位時最大的支點反力，加載到滑軌面板上。反力大小為：Fx＝645,kN；Fy＝1,450,kN；Fz＝11,687,kN。

圖4為有限元模型加載及邊界條件示意圖。

圖4 滑軌模型邊界條件及加載Fig.4 Boundary conditions and uploading of sliding rail model

5 結(jié)果對比分析

將有限元的計算結(jié)果進行了統(tǒng)計對比，如表 2所示。

綜合上表中的對比分析可以看出，方案1在增加翼緣板板厚后，滑軌的承載能力確實得到了提高，且降低了最大變形值，但會大幅增加滑軌鋼材用量和現(xiàn)場焊接檢驗難度，而且容易出現(xiàn)焊接變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，不推薦使用此方案。

表2 加強效果對比表Tab.2 Comparison of strengthening effects

方案2和方案3在不大幅提高用鋼量的情況下，有效提高了滑軌的承載能力，且降低了滑軌的變形，推薦在今后的設(shè)計中使用。分析認(rèn)為：方案 2并沒有改變滑軌的主結(jié)構(gòu)形式(T型)，現(xiàn)場的制作、安裝工藝技術(shù)比較成熟，有利于現(xiàn)場建造安裝；滑軌下方組塊主梁多為 H型，T型滑軌更有利于組塊主梁的承載。相對于方案 1、2，方案 3可以更有效地提高滑軌的承載能力；減少筋板的數(shù)量，有利于筋板焊接變形的控制；如滑軌下方組塊主梁為 BOX型，則雙腹板滑軌對于組塊主梁的受力更有利。

6 結(jié) 語

基于本次鉆機滑軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究，得到結(jié)論如下：為提高滑軌的承載能力，減小結(jié)構(gòu)受力變形，可從設(shè)計角度優(yōu)化滑軌結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)其適用性，采用增設(shè)縱向筋板或雙腹板的結(jié)構(gòu)形式。最大支點反力小于1,000,t，組塊支撐主梁為H型梁，推薦使用方案 2(增設(shè)縱向筋板)。最大支點反力小于 1,000,t，組塊支撐主梁為 BOX型梁，推薦使用方案 3(雙腹板)。最大支點反力大于 1,000,t，推薦使用方案 3(雙腹板)。

［1］ 廖謨圣. 21世紀(jì)初的世界海洋石油鉆機[J]. 石油礦場機械，2001，29(1)：5-9.

［2］ 馮定，唐海熊. 21世紀(jì)初的世界海洋石油鉆機[J]. 石油機械，2008，36(9)：143-147.

［3］ 張建勇，王寧. 7 000,m海洋模塊鉆機滑軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 石油礦場機械，2012，41(6)：30-33.

［4］ 王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

Design of Skid Rail Structure for an Offshore Modular Drilling Rig

AN Zhenwu，MU Qing，LI Yanli，YANG Xiaolong
(CNOOC EnerTech Equipment Technology Research & Design Center，Tianjin 300452，China)

The reaction force acting on topside skid rail from a 7,000,m modular drilling rig is 30% stronger than that from a 5,000,m rig，which makes the applied force of rail structure greatly increased．This paper presents new schemes of enforcing the strength and improving the supporting capability．It uses finite-element analysis software ANSYS to analyze the skid rail and gives out optimizing options to meet the requirement of a 7,000,m rig，which can completely satisfy the use requirement of the drilling rig．It explains in detail the advantages，disadvantages and application conditions of different design schemes，which will provide reference for future slipway structure design.

modular drilling rig；slipway；optimization design；finite element analysis

TE922

A

1006-8945(2016)01-0066-02

2015-12-15