基于ANSYS的HJJ31546型海洋井架安全性分析

何軍國，余利軍，劉志動，張　勇

基于ANSYS的HJJ31546型海洋井架安全性分析

何軍國，余利軍，劉志動，張勇

（南陽二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司，河南南陽473000）

采用ANSYS軟件對HJJ31546型海洋井架進(jìn)行不同工況下的靜力計算、模態(tài)分析及地震譜響應(yīng)分析，得到了井架結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型及在各種工況下的最大應(yīng)力。結(jié)果表明：HJJ31546型海洋井架符合API Spec 4F設(shè)計規(guī)范；外界環(huán)境頻率接近1．5 Hz時，井架可能會因共振而受到破壞；井架沿地震位移激勵方向的響應(yīng)明顯。所得結(jié)論可為海洋鉆機(jī)井架的設(shè)計、優(yōu)化、評價提供理論依據(jù)。

井架；靜力計算；模態(tài)分析；地震譜響應(yīng)

井架是石油鉆機(jī)的重要組成部分，承載著鉆井設(shè)備的主要載荷，其力學(xué)性能的優(yōu)劣直接影響著石油鉆機(jī)的質(zhì)量。由于所處環(huán)境及工況的差異，井架結(jié)構(gòu)要面臨各種挑戰(zhàn)，相較于陸地鉆機(jī)，海洋井架所處的環(huán)境則更加惡劣，風(fēng)暴、波浪振動等均會使其力學(xué)性能發(fā)生變化，隨著時間的推移而遭到破環(huán)，這對海洋井架的設(shè)計及安全可靠性提出了更高的要求，使得井架分析計算成為了一項重要任務(wù)。

許多學(xué)者通過使用ANSYS軟件對鉆機(jī)井架進(jìn)行了不同力學(xué)分析，得到了相應(yīng)的結(jié)果與結(jié)論［1-2］。本文將運用ANSYS分析軟件對南陽二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司自行研發(fā)設(shè)計的HJJ31546海洋井架進(jìn)行分析計算，通過對不同工況下的靜力計算、模態(tài)及隨機(jī)振動分析，以獲得充分的模擬數(shù)據(jù)，探究其設(shè)計可靠性，并供井架的設(shè)計優(yōu)化使用。

1　海洋井架的有限元模型

1．1 井架結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)

HJJ31546型海洋井架為K形井架，主要由基段、下體、中下體、中體、中上體和上體井架組成，基段尺寸為7 500 mm×6 000 mm，井架上體尺寸為2 500 mm×2 650 mm。主要技術(shù)參數(shù)：

井架高度46 000 mm

最大鉤載3 150 k N

井架抗風(fēng)能力

不可預(yù)期（滿立根，無鉤載）36 m／s

可預(yù)期（五立根，無鉤載）47．8 m／s

井架抗震等級8級

天車主滑輪直徑1 270 mm

游動系統(tǒng)鋼絲繩直徑35 mm

游動系統(tǒng)輪系7×6

二層臺高度24．5 m／25．5 m／26．5 m

二層臺容量5 000 m

總質(zhì)量11 5000 kg

1．2 模型的建立

HJJ31546型海洋井架結(jié)構(gòu)復(fù)雜且整體為三維桁架結(jié)構(gòu)，本文在建模過程中進(jìn)行了合理簡化。井架立柱和橫撐、斜撐之間的焊結(jié)構(gòu)簡化為剛性連接；扶梯、護(hù)欄、立管等附屬物對井架的影響很小，在建模時予以忽略，天車等零件在建模時不予建立，只在相應(yīng)位置施加相應(yīng)集中載荷，同時忽略筋板、耳板等連接部件；下體井架和基段之間采用耦合方式模擬兩者之間的載荷傳遞，不建立實際的銷軸連接方式。井架主要材料為H型鋼，采用梁單元來模擬其空間梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)截面參數(shù)不同共設(shè)置22種截面形狀。共劃分1459個節(jié)點，873個單元，所建有限元模型如圖1所示。

圖1　HJJ31546型海洋井架有限元模型

2　靜力計算

2．1 井架計算工況

根據(jù)API Spec 4F及設(shè)計要求，本文主要對其進(jìn)行4種工況的計算分析，同時考慮每種工況正面和側(cè)面風(fēng)載方向，共計算8種組合工況［3］。具體工況如表1所示。

表1　井架計算工況

2．2 載荷的施加

海洋井架所受的載荷主要包括井架整體自重、工作載荷、立根載荷及風(fēng)壓載荷。其中井架自重通過ANSYS軟件設(shè)置自動加載。

立根載荷由立根自重產(chǎn)生的垂直載荷和水平載荷組成，垂直載荷施加于鉆機(jī)的底座上，對井架沒有影響，水平載荷作用于井架的二層臺指梁上，指向二層臺兩側(cè)，計算公式為：

式中：W為立根自重力在水平方向的分力，N；q為立根每米的質(zhì)量，kg／m，q＝36 kg／m；l為立根高度，m，l＝28．5 m；n為立根數(shù)，n＝180根；θ為立根與水平方向所成角度，θ＝87°；g為重力加速度，g＝9．8 m／s2。

立根作用于二層臺的風(fēng)載為：

式中：F為風(fēng)載力；uz為風(fēng)速，分別為42節(jié)、70節(jié)；Ki為井架縱軸與風(fēng)向之間的傾角φ的系數(shù)，Ki＝1．0；Cs為形狀系數(shù)，Cs＝1．2；d為立根外徑，取d＝0．127 m。

風(fēng)載荷的施加以風(fēng)壓的方式加載到井架上，根據(jù)API Spec 4F規(guī)范提供的井架風(fēng)載計算公式可寫成：

式中：p 為風(fēng)壓，井架構(gòu)件縱軸上，N／m2；υref為設(shè)計風(fēng)速，節(jié)；α為海岸結(jié)構(gòu)安全等級系數(shù)；β為高度系數(shù)；Cs為形狀系數(shù)，取Cs＝1．8。

2．3 計算結(jié)果及分析

通過有限元計算得到各工況下該海洋井架最大應(yīng)力為172 MPa，穩(wěn)定判別系數(shù)均小于1．0，井架材料主要為Q345，屈服極限值為σs＝345 MPa，井架最小安全系數(shù)為2．0，根據(jù)API Spec 4F規(guī)定，井架的安全系數(shù)不小于1．67，因此滿足安全系數(shù)要求。

圖2為工況1條件下正面風(fēng)載時的應(yīng)力和y向位移圖，可以看出最大應(yīng)力為172 MPa，最大位移為48．33 mm。最大應(yīng)力單元位于井架下體與基段的內(nèi)側(cè)連接處，且應(yīng)力較大單元主要分布在4根立柱上，這主要是由于在自重及最大鉤載工況下，立柱是最主要承載結(jié)構(gòu)，且在正面風(fēng)載下井架沿風(fēng)載風(fēng)向略有傾斜，從而內(nèi)側(cè)立柱所受載荷較來風(fēng)側(cè)大，因此最大應(yīng)力單元出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)立柱與基段連接處。

圖2　工況1正面風(fēng)載時井架的應(yīng)力及y向位移

3　模態(tài)分析

井架在工作時會受到平臺設(shè)備、鉆機(jī)及海洋環(huán)境的影響，對井架分析時應(yīng)考慮其固有頻率與其他擾動激勵的作用以避免產(chǎn)生共振。Block Lanczos法適用于大多數(shù)物體的模態(tài)分析，且對中型、大型模型振型的提取分析更加有效，考慮井架結(jié)構(gòu)具有低頻振動特性，采用該法對井架進(jìn)行模態(tài)計算，并提取模態(tài)分析的前5階振型予以分析。

圖3為前5階振型，頻率分別為1．44、1．55、2．72、3．89和6．79 Hz。1階振型主要表現(xiàn)為井架的整體扭轉(zhuǎn)；2階振型主要表現(xiàn)為沿x y平面?zhèn)葟?，上體井架彎曲最為明顯，中下體、下體及基段變化不明顯；3階振型表現(xiàn)為整體繞y軸扭轉(zhuǎn)，及在xy平面內(nèi)的二階彎曲；4階振型主要表現(xiàn)為沿yz平面的側(cè)彎；5階振型主要表現(xiàn)為局部井架中體發(fā)生局部彎曲，以二層臺部位彎曲最大。

井架1階振型的整體扭轉(zhuǎn)說明井架的抗扭強(qiáng)度低，2階振型沿xy平面?zhèn)葟?，說明井架底座的支腿為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度的大小將影響整個井架的安全。由模態(tài)分析結(jié)果可以看出，前5階的固有頻率均在7 Hz以內(nèi)?？紤]到海流、海浪等均為間接作用于井架，且平臺主要運轉(zhuǎn)設(shè)備與井架相距較遠(yuǎn)，井架的激勵源主要為鉆機(jī)絞車、轉(zhuǎn)盤及海風(fēng)。轉(zhuǎn)盤驅(qū)動轉(zhuǎn)速為80～120 r／min［4］，擾動頻率在2 Hz以內(nèi)，絞車主滾筒轉(zhuǎn)速0～415 r／min，頻率為0～7 Hz，因此，絞車的激勵易激發(fā)井架前5階共振，絞車與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動頻率應(yīng)遠(yuǎn)離共振區(qū)。

4　地震譜振動分析

井架的地震振型譜計算主要基于隨機(jī)振動理論，它是一種連續(xù)系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型可描述為如下的偏微分方程：

式中：φi為線性微分算子；ρi（s）為慣性系數(shù)；ci（s）為阻尼系數(shù)；Lij（s）為結(jié)構(gòu)算子；Fi（s，t）為隨機(jī)場，位移分量必須滿足邊界及初始條件。

采用隨機(jī)振動理論對海洋井架整體進(jìn)行地震響應(yīng)分析，以前5階模態(tài)分析為基礎(chǔ)，計算在z方向地震位移激勵譜作用下HJJ31546型海洋井架整個結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況，表2為井架沿z方向的激勵譜。

表2　井架z方向地震位移激勵譜［5］

由模態(tài)分析可知，海洋井架頂點的振幅最大，因此本分析將重點考慮地震激勵下井架頂點的頻率響應(yīng)情況，圖4為頂點沿z方向的位移加速度響應(yīng)曲線。

圖4　井架頂點z方向位移與加速度響應(yīng)曲線

由圖可以看出，頻率為1．5 Hz時，井架頂點在第2階振型時的z向位移最大，同時，該頻率下z向加速度也最大。該頻率位于轉(zhuǎn)盤及絞車激勵頻率范圍內(nèi)，具有發(fā)生共振的可能性，井架發(fā)生劇烈震動的可能性極大，因此應(yīng)適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)盤及絞車位置，避免井架受該頻率的影響。當(dāng)暴風(fēng)在該頻率附近時則無法避免。

5　結(jié)論

1） 通過對HJJ31546型海洋井架整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)載下的靜力、模態(tài)、隨機(jī)振動分析，得到了井架結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型及在各種工況下的最大應(yīng)力，并依據(jù)API Spec 4F規(guī)范予以分析，結(jié)果表明該井架強(qiáng)度足夠。

2） 當(dāng)外界環(huán)境頻率接近1．5 Hz時，井架可能會因共振而受到破壞，應(yīng)予以重視。

3） 對井架進(jìn)行地震位移激勵作用時，井架沿該方向的響應(yīng)明顯，這會對井架的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，因此應(yīng)定期測試該方向上的應(yīng)力變化。

4） 該井架經(jīng)過CCS審核，并通過出廠應(yīng)力測試。

［1］ 李夯，齊明俠．基于ANSYS的K型井架結(jié)構(gòu)研究［J］．石油礦場機(jī)械，2008，37（2）：5-7．

［2］ 周莉莉，黃亮，徐曉磊，等，HXJ158C型海洋修井機(jī)有限元計算與分析［J］．石油機(jī)械，2013，41（6）：63-67．

［3］ API Spec 4F，Drilling and well servicing structures［S］．

［4］ 宋德玉．可編程控制器原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2001．

［5］ 高學(xué)仕，汪炳貴，王棟，等．HJJ450／45T型海洋井架動力特性分析［J］．石油礦場機(jī)械，2009，38（5）：38-41．

Safety Analysis of Model HJJ31546 Offshore Derrick Based on ANSYS

HE Junguo，YU Lijun，LIU Zhidong，ZHANG Yong
（RG Petro-machinery（Group）Co．，Ltd．，Nanyang 473000，China）

The ANSYS software was used to simulate static calculation of different conditions，modal analysis and random vibration analysis．The natural frequency and mode of the derrick were obtained，as well as the maximum stress in a variety of conditions．It is found that model HJJ31546 offshore derrick complies with API Spec 4F design specifications．Derrick may be damaged due to resonance when the frequency of the external environment is close to 1．5 Hz．It also has obvious incentive along the direction of the seismic response of displacement．This study can provide the basis for offshore derrick design and optimization and is important for the mechanical function evaluation of offshore derrick simultaneously．

derrick；static calculation；modal analysis；seismic response sp ectrum

TE951

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．016

1001-3482（2015）02-0071-04