R550D鉆井平臺(tái)懸臂梁處高壓泥漿管應(yīng)力分析

程鋒瑞 方懌民

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

R550D自升式鉆井平臺(tái)是在黃埔船廠建造，采用TSC鉆井包的高規(guī)格鉆井平臺(tái)，如圖1所示。此平臺(tái)型長(zhǎng)260英尺（1英尺=0.304 8m），型寬261英尺，型深27英尺，樁腿總長(zhǎng)588.45英尺，前后樁腿中心距129英尺，后樁腿中心距142英尺，懸臂梁位移80英尺，居住人數(shù)150人。工作水深可達(dá)120 m，鉆井深度可達(dá)尺樁腿總 m。與傳統(tǒng)的自升式鉆井平臺(tái)相比，該平臺(tái)具有作業(yè)能力強(qiáng)、甲板可變載荷大、環(huán)境適應(yīng)性好、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

圖1 R550D自升式鉆井平臺(tái)

1 研究對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

高壓泥漿泵是高壓泥漿系統(tǒng)的心臟，是泥漿設(shè)備中最為關(guān)鍵的設(shè)備。為克服高壓泥漿在系統(tǒng)中的阻力、滿足井下鉆頭水功率的要求、為井下動(dòng)力鉆具提供動(dòng)力，R550D鉆井平臺(tái)采用TSC集團(tuán)的2200 HP的高壓泥漿泵，出口壓力可達(dá)到7500 PSI（約等于51.7 MPa）。為了滿足管路設(shè)計(jì)壓力，必須選擇合適的管路、閥門和附件等材料。隨著鉆井深度的不斷增加和高壓噴射鉆井技術(shù)的不斷推廣，高壓泥漿系統(tǒng)成為一個(gè)高性能、高應(yīng)力系統(tǒng)，因此對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的管道應(yīng)力分析以便得到合理的管道布置和優(yōu)化的支吊架結(jié)構(gòu)是必要的。以R550D，400英尺水深作業(yè)的自升式鉆井平臺(tái)中的高壓泥漿系統(tǒng)為例，對(duì)懸臂梁部分高壓泥漿管進(jìn)行應(yīng)力分析。

1.2 管道應(yīng)力分析的方法

在實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，并非所有的管道都需要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，也并非所有計(jì)算都必須通過(guò)計(jì)算軟件進(jìn)行。一般管道應(yīng)力分析有以下兩種：簡(jiǎn)單計(jì)算法和軟件分析法。

簡(jiǎn)單計(jì)算法是適用于具有同一直徑、同一壁厚、無(wú)支管、兩端固定、無(wú)中間約束的非劇毒介質(zhì)管道，用式（1）進(jìn)行判斷：

一次應(yīng)力是由于壓力、重力和外部載荷的作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。它是平衡外部載荷所需要的應(yīng)力，隨外部載荷的增加而增加。一次應(yīng)力的特點(diǎn)是沒(méi)有自限性，即當(dāng)管道內(nèi)的塑性區(qū)擴(kuò)展達(dá)到極限狀態(tài)，使之變成幾何可變的機(jī)構(gòu)時(shí)，即使外部載荷不再增加，管道仍將產(chǎn)生不可限制的塑性流動(dòng)，直至破壞。管道工藝標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3沒(méi)有提供對(duì)一次應(yīng)力校準(zhǔn)的公式，但是其要求計(jì)算由于重力和壓力引起的軸

式中：D0——管道外徑，mm；

Y——管道吸收總位移，mm；

L——管段兩固定點(diǎn)之間的展開(kāi)長(zhǎng)度，m；

U——兩端（固定）定點(diǎn)之間的直線距離，m

鑒于上述簡(jiǎn)化計(jì)算公式存在局限性，因此它不適用于下列管道：

1）在劇烈循環(huán)條件下運(yùn)行，有疲勞危險(xiǎn)的管道；

2）大直徑薄壁管道（管件應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)j≥5）；

3）與端點(diǎn)連線不在同一方向的端點(diǎn)附加位移量占總位移量大部分的管道；

4）L/U＞2.5的不等腿U型彎管，或近似直線的鋸齒管。

當(dāng)簡(jiǎn)便計(jì)算法無(wú)法判斷管道柔性，或規(guī)范要求必須進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析時(shí)，可采用分析軟件來(lái)進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析。目前使用較多的管道應(yīng)力分析軟件有：CAESARII、ADLPIPE和AUTOFLEX。 其中CAESARII軟件使用較為普遍。

對(duì)于簡(jiǎn)單的管道系統(tǒng)按管道布置規(guī)則和工藝設(shè)計(jì)即可滿足設(shè)計(jì)要求，但對(duì)于高壓泥漿之類的復(fù)雜管道系統(tǒng)則需要借助于有限元法進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

采用美國(guó)COADE公司研發(fā)的管道應(yīng)力分析軟件CAESARII［1］為分析工具。該軟件是以材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈塑性力學(xué)、有限元、管道應(yīng)力分析與計(jì)算為基礎(chǔ)，進(jìn)行管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。該管路系統(tǒng)按照美國(guó)工藝管道標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3計(jì)算。

2 管道應(yīng)力分析理論

管道應(yīng)力分析可以分為靜力分析和動(dòng)力分析兩部分。靜力分析是指在靜力載荷作用下對(duì)管道進(jìn)行力學(xué)分析，并予以相應(yīng)的安全評(píng)定，使之滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。動(dòng)力分析則主要指往復(fù)壓縮機(jī)和往復(fù)泵管道的振動(dòng)分析、地震分析以及水錘和沖擊載荷作用下管道的振動(dòng)分析，其目的是使地震和振動(dòng)的影響得到有效控制，本文只對(duì)管路做靜力分析。管道靜應(yīng)力根據(jù)性質(zhì)可以分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力［2］。

2.1 一次應(yīng)力

向應(yīng)力，并且要求軸向應(yīng)力不超過(guò)Sh—材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，見(jiàn)式（2）［2-3］：

式中：SL——一次應(yīng)力；

F——持續(xù)載荷產(chǎn)生的軸向力；

A——管道橫截面積；

P——設(shè)計(jì)壓力；

d0——平均直徑；

t——壁厚；

ii、i0——平面內(nèi)、外應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；

Mi、M0——持續(xù)載荷產(chǎn)生的平面內(nèi)、外的彎矩；

Z——抗彎截面模量

2.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是由于熱漲、冷縮引起端點(diǎn)附加位移載荷的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力。它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續(xù)要求所必需的應(yīng)力。二次應(yīng)力具有自限性，即局部屈服或小量變形就可以使位移約束條件或自身變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再繼續(xù)增大。一般來(lái)講，只要不反復(fù)加載，二次應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致管道破壞，也就是說(shuō)二次應(yīng)力引起的主要是疲勞破壞。管道工藝標(biāo)準(zhǔn)ASMEB31.3中規(guī)定的位移應(yīng)力即二次應(yīng)力，見(jiàn)式（3）：

式中：SE——位移應(yīng)力范圍；

Mi、M0——熱漲載荷產(chǎn)生的平面內(nèi)、外的彎矩；

MT——熱漲載荷引起的扭矩；

Z——抗彎截面模量；

SA——位移應(yīng)力的許用范圍；

f——管道位移應(yīng)力降低系數(shù)，該平臺(tái)的設(shè)計(jì)壽命為20 a，其循環(huán)次數(shù)最多為7000，根據(jù)管道工藝標(biāo)準(zhǔn)ASMEB 31.3的規(guī)定，本算例取1.0；

SC——在所分析的位移循環(huán)期間，預(yù)計(jì)的最低金屬溫度下的基本許用應(yīng)力；

Sh——在所分析的位移循環(huán)期間，預(yù)計(jì)的最高金屬溫度下的基本許用應(yīng)力；

SL——持續(xù)載荷引起的應(yīng)力

3 計(jì)算載荷

高壓管路系統(tǒng)管道應(yīng)力分析中應(yīng)該考慮的載荷包括操作載荷、瞬時(shí)載荷和環(huán)境載荷。

3.1 操作載荷

包括重力、壓力和位移載荷等。其中重力包括管道及其附件、流體介質(zhì)和保溫材料等自重；壓力載荷取設(shè)計(jì)壓力或根據(jù)工藝有特殊要求的工況確定；位移載荷是管道及其設(shè)備熱漲、冷縮造成的位移（端點(diǎn)附加位移）；計(jì)算溫度取設(shè)計(jì)最高、最低溫度，有的工況需要計(jì)算操作溫度下的受力情況。

3.2 瞬時(shí)載荷

包括氣體或蒸汽管道的柱塞流作用、氣體管道中安全閥排放產(chǎn)生的反作用力、管道的蒸汽吹掃和水錘力。其中水錘力是由閥門開(kāi)閉、泵的起停等引起的。

3.3 環(huán)境載荷

包括地震、波浪、風(fēng)、雪和冰等。環(huán)境載荷在處理的時(shí)候可以作為冷態(tài)（Sustained）或偶然（Occasional）載荷，但是必須滿足最低溫度為-10℃、最高風(fēng)速為54.1 m/s的冷態(tài)或偶然載荷的應(yīng)力限制要求。

4 管道應(yīng)力分析實(shí)例

4.1 建立模型

根據(jù)懸臂梁處的高壓泥漿管系原理圖（如圖2所示），建立懸臂梁處高壓泥漿管路的應(yīng)力分析模型，如圖3所示。管路中每隔2～3m加管夾固定高壓泥漿管。

圖2 懸臂梁處高壓泥漿原理圖

圖3 懸臂梁處高壓泥漿管模型

4.2 邊界條件

根據(jù)規(guī)格書的規(guī)定，高壓泥漿管路的邊界條件為：設(shè)計(jì)壓力10000 PSI，管道外徑為177.8 mm，壁厚25 mm，操作溫度21.6℃，設(shè)計(jì)溫度范圍-10～60℃，介質(zhì)密度為2.2 g/m3，管子材質(zhì)為A519 AISI 4130的合金結(jié)構(gòu)鋼。管道應(yīng)力計(jì)算時(shí)需要考慮波浪誘導(dǎo)加速度偶然荷載的影響。為保守起見(jiàn)，按照常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，三個(gè)方向波浪誘導(dǎo)加速度全部取為0.5倍重力加速度。因?yàn)樵摴芟翟趹冶哿汉豌@臺(tái)處，故必須考慮風(fēng)載荷的影響。靜態(tài)分析中支撐認(rèn)為是完全剛性的，軟件默認(rèn)剛度為1.75×1012N/cm。為避免噪聲和管路的振動(dòng)，支撐的間隙為0 mm。

4.3 約束類型

根據(jù)管路的走向，管夾約束管路的XZ或YZ方向；不考慮端點(diǎn)附加位移，管路穿鉆臺(tái)處作為一個(gè)固定邊界，即 X、Y、Z、RX、RY、RZ（3 個(gè)線位移和 3 個(gè)角位移）都進(jìn)行約束；剛性元件如法蘭、閥門、小型的管道設(shè)備在建模時(shí)可以定義為rigid，給定重量即可，管路壓力按照設(shè)計(jì)壓力計(jì)算。

4.4 應(yīng)力分析

在管道應(yīng)力分析過(guò)程中，確定載荷工況組合是至關(guān)重要的。以管道工藝標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，確定了計(jì)算載荷及工況組合。表1為校核工況組合的情況。其中，W為管子自重（包括介質(zhì)和保溫層的重量）；T1為設(shè)計(jì)最高溫度60℃；T2為設(shè)計(jì)最低溫度-10℃；P1為設(shè)計(jì)壓力10000 PSI；HP為靜液壓力；U1為波浪誘導(dǎo)加速度 （縱搖）0.5g；U2為波浪誘導(dǎo)加速度（橫搖）0.5g；WIN1為縱向36.01 m/s的風(fēng)速；WIN2為橫向36.01m/s的風(fēng)速；WIN3為縱向51.4 m/s的風(fēng)速；WIN4為橫向51.4 m/s的風(fēng)速；WW為管路充滿水的重量；WNC為管道自重 （不包含介質(zhì)重量）。通過(guò)對(duì)以上各個(gè)設(shè)計(jì)的條件要求進(jìn)行組合，組成如下26種工況，并說(shuō)明與各個(gè)工況相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力類型，主要有：HYD表示靜液壓應(yīng)力；SUS表示冷態(tài)應(yīng)力，一般指安裝狀態(tài)（一次應(yīng)力）；OPE表示熱態(tài)應(yīng)力，一般指工作狀態(tài)（二次應(yīng)力）；EXP表示純熱態(tài)應(yīng)力（二次應(yīng)力），包括溫度和附加位移。

表1 工況組合工況描述應(yīng)力類型組合方式

5 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)上述工況計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，高壓泥漿管路系統(tǒng)在工況序號(hào)為L(zhǎng)22～L26的工況下，其二次應(yīng)力超出管道工藝標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3規(guī)范要求，而且應(yīng)力集中點(diǎn)相同，圖4為其分析結(jié)果，表2為其應(yīng)力輸出結(jié)果。

通過(guò)對(duì)表2的數(shù)據(jù)可以看出，在L22～L26的工況下，節(jié)點(diǎn)159至節(jié)點(diǎn)169以及節(jié)點(diǎn)310至節(jié)點(diǎn)320處存在應(yīng)力不滿足管道工藝標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3設(shè)計(jì)規(guī)范的問(wèn)題，因此需要消除管路中的應(yīng)力集中。從圖4中可以看出160節(jié)點(diǎn)在彎管處，因此可行的方案為解除節(jié)點(diǎn)150處的管夾約束從而解決節(jié)點(diǎn)159至節(jié)點(diǎn)169應(yīng)力集中的問(wèn)題；而節(jié)點(diǎn)310附近的應(yīng)力集中可通過(guò)在290節(jié)點(diǎn)固定點(diǎn)加上管夾，即把290節(jié)點(diǎn)的固定端約束改為管夾約束從而解決節(jié)點(diǎn)310至節(jié)點(diǎn)320應(yīng)力集中的問(wèn)題。對(duì)解決方案重新建立模型，并做出計(jì)算分析得出高壓泥漿管線的二次應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。表3為其應(yīng)力輸出結(jié)果。

圖4 二次應(yīng)力分析結(jié)果

表2 應(yīng)力分析結(jié)果

續(xù)表2

通過(guò)對(duì)表3數(shù)據(jù)分析可以看出，在L22～L26的工況下，節(jié)點(diǎn)159至節(jié)點(diǎn)169以及節(jié)點(diǎn)310至節(jié)點(diǎn)320處的應(yīng)力，能滿足管道工藝標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3設(shè)計(jì)規(guī)范，而且其他節(jié)點(diǎn)處也同樣滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。下一步，如果修改后的模型的頻率也滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，那么修改后的模型就滿足整個(gè)設(shè)計(jì)要求。對(duì)新模型的模態(tài)分析結(jié)果如表4所示。

圖5 新的二次應(yīng)力分析結(jié)果

表3 新的應(yīng)力分析結(jié)果

續(xù)表3

表4 頻率分析結(jié)果

從表4的數(shù)據(jù)可以看出，模型的最低頻率大于DNV規(guī)范所規(guī)定的4～5 Hz，滿足規(guī)范要求。因此新的模型設(shè)計(jì)滿足規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

該文以高規(guī)格的R550D自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁處的一根高壓泥漿管為例，根據(jù)懸臂梁處的高壓泥漿管系原理圖，建立此處高壓泥漿管的三維模型。根據(jù)R550D自升式鉆井平臺(tái)的規(guī)格書，建立模型的約束條件，根據(jù)高壓泥漿管夾布置的位置或類型以及穿艙位置，建立管道模型的約束類型和位置；并根據(jù)管道應(yīng)力理論和靜載荷下的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力分析方法，對(duì)模型進(jìn)行分析。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)初步的模型存在應(yīng)力集中的問(wèn)題，需要調(diào)節(jié)模型應(yīng)力集中點(diǎn)處的約束類型。如果模型應(yīng)力集中點(diǎn)處的約束類型不能調(diào)整，那么需要調(diào)整模型應(yīng)力集中點(diǎn)附近的約束類型。通過(guò)調(diào)節(jié)應(yīng)力集中點(diǎn)附近的約束類型和解除應(yīng)力集中點(diǎn)附近的約束重新建立模型，解決了高壓泥漿管中存在的應(yīng)力集中的問(wèn)題，并對(duì)新模型進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果滿足規(guī)范要求。該方法解決管道應(yīng)力集中的問(wèn)題，對(duì)今后該類型的鉆井平臺(tái)的高壓泥漿管道的應(yīng)力分析有一定的借鑒和參考價(jià)值。

［1］COADE Inc.CAESAR II中文用戶手冊(cè)［Z］.北京：中國(guó)技術(shù)服務(wù)培訓(xùn)中心，2003.

［2］COADE Engineering Software Inc［Z］.1998.

［3］唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2003.

【新聞】

注重本質(zhì)節(jié)能 新船型全面升級(jí)做強(qiáng)創(chuàng)新中心軟實(shí)力又上臺(tái)階

2017年12月6日，上海船舶研究設(shè)計(jì)院（上船院）召開(kāi)了2017年度船型推介會(huì)。200多名來(lái)自國(guó)內(nèi)外船東、船廠、船級(jí)社、中間商代表等，從一款款產(chǎn)品上，深切體會(huì)到上船院的強(qiáng)大研發(fā)實(shí)力，驚嘆上船院的研發(fā)成就。

上船院一直緊緊牽住科技創(chuàng)新這個(gè)牛鼻子。創(chuàng)新中心下設(shè)船型研發(fā)部、基礎(chǔ)技術(shù)部、智能船舶專項(xiàng)組和豪華郵輪專項(xiàng)組，已基本具備了豪華郵輪研發(fā)設(shè)計(jì)能力。2015年交付的豪華客貨船“ARANUI5”業(yè)已證明上船院在這方面的設(shè)計(jì)能力。首艘取得中國(guó)船級(jí)社和英國(guó)LR船級(jí)社雙重認(rèn)證的智能船舶于12月5日交付。

按照注重本質(zhì)節(jié)能的下一代船型理念，全面升級(jí)了系列船型設(shè)計(jì)。325000 DWT礦砂船、系列高附加值大型雙相不銹鋼化學(xué)品船、7500車LNG燃料汽車滾裝船、新型豪華客滾船等項(xiàng)目，代表了上船院在相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。GREEN CORRIDOR 21萬(wàn)噸散貨船和礦砂船，iDOLPHIN 63500 DWT散貨船，秉承了最新本質(zhì)節(jié)能和智能船設(shè)計(jì)理念，引起市場(chǎng)廣泛關(guān)注。通過(guò)航線大數(shù)據(jù)分析，推出了適用于亞洲主要港口的支線箱船契合了 “一帶一路”戰(zhàn)略，陸續(xù)取得訂單。完善了氣體船產(chǎn)品系列，17.5萬(wàn)m3薄膜型LNG運(yùn)輸船、7～10萬(wàn) m3多氣體運(yùn)輸船、中小型LNG運(yùn)輸船、全系列LPG/LEG運(yùn)輸船、全系列加氣船都做了充分的船型儲(chǔ)備。在能源領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了自升式風(fēng)機(jī)安裝船、坐底式風(fēng)電安裝船、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維船以及鋪纜船等相關(guān)船型。

持續(xù)完善發(fā)展數(shù)值水池功能，在全面推廣基于參數(shù)化模型和數(shù)值水池評(píng)價(jià)的線型方法后，又在持續(xù)拓展操縱性、波浪中性能等方面的分析優(yōu)化能力。從減小風(fēng)阻、減小中長(zhǎng)波和短波中波浪增阻及控制螺旋槳通氣等方面入手，聚焦提升實(shí)際海況中運(yùn)營(yíng)性能。增加了在貨艙通風(fēng)、振動(dòng)噪聲控制以及動(dòng)力定位等方面的分析優(yōu)化能力，也依托越來(lái)越多的冰區(qū)船舶開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)項(xiàng)目，在線型、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)和防凍化等技術(shù)方面取得突破。 （文/秦 時(shí)）