自升式钻井平台塔式井架的设计计算

1、自升式钻井平台塔型井架的设计计算王龙庭，于美华，徐兴平，殷晓康，纪仁杰(中国石油大学(华东)机电工程学院，山东青岛，266580)摘要： 塔型井架是自升式海洋钻井平台钻井包的重要组成部分。通过对比各种类型的塔型井架类型，选择变异型塔型井架结构作为9000米自升式钻井平台井架结构形式。设计选择井架主体尺寸及截面类型；选择螺栓连接组成井架桁架结构，以便于内陆建造及公路铁路的运输。利用SACS软件建立井架的有限元模型，根据API 4F规范要求校核井架在工作工况、预期工况和非预期工况下的结构强度，结果满足规范要求。关键词: 变异型塔型井架；结构设计；SACS；强度分析中图分类号 TE923 文献标识码

2、A基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助“14CX02078A”。Design and Calculation of T-derrick on Jack Up Drilling Platform WANG Long-ting, YU Mei-hua, XU Xing-ping, YIN Xiaokang, JI Renjie(College of Electromechanical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao Shandong, 266580)Abstract: Tower derrick is an impor

3、tant rig equipment in the drilling equipment & system on the jack up drilling platform. Variant tower derrick structure is selected as 9000m jack up rig derrick structure form by comparing the various types of derrick tower type. The Derrick body size is designed and the derricks section type is

4、 selected; The derrick bars connects by bolting so that the derrick can be constructed inland and transported by road or rail. The finite element model of the derrick is established by SACS software, Structural strength of the derrick in working conditions, expected conditions and unanticipated cond

5、itions is checked in accordance with API 4F third edition, the check result satisfies the regulatory strength requirement.Key words: Variant tower derrick, structural design, SACS, strength analysis自升式钻井平台井架作为海洋钻机起升系统的重要组成部分，工作中受到的载荷远比陆地钻机工况复杂，不仅存在常规工作载荷，而且还有复杂的海浪、洋流等动载荷的作用，工作环境更加恶劣。塔型井架截面为矩形，结构稳定，承

6、载能力强1，因此尤其适应于海洋环境复杂和受载不确定的作业。1 塔型井架结构类型浮式钻井平台上塔型井架作为海洋钻机八大系统中起升系统中重要的设备2，其功用主要是支撑天车，悬挂顶驱、游车、及专用工具等，内竖直导轨对顶驱具有导向作用。海洋塔型井架主要由井架主体、二层台、天车架、天车台、工作梯、立管平台等组成3。海洋塔型井架在四面锥度、井眼中心的变化情况主要有以下几类情形。1.1 古典式塔型井架该类塔型井架横截面为正方向，井架四面锥度从台面到天车保持不变，如图1所示。井架稳定性好，受力均匀。但二层台的空间很小，很难满足现有深井钻井立根的排放，且满足不了现有自动化钻机的机具布置，钻机自动化程度难以得到提

7、高。现今新建的塔型井架基本淘汰了此类型的井架。1.2 瓶颈式塔型井架即酒瓶式井架，该井架横截面为正方形，与经典塔型井架不同的是，四面在二层台上方发生变化，且四面锥度均相同，井架下段四面均为直立结构，如图2所示。该类井架下部空间大，能满足台面和二层台处的各种机械设备的布置和操作。但是绞车只能安装在井架内，对钻台上安装机械手的数量有所限制，从而对钻机的自动化程度有所削弱，此外因为井眼中心在井架中心，对自升式平台上的悬臂梁底座来说，会对悬臂梁产生较大的弯矩。目前，海洋平台大部分钻机都是采用的此类结构。1.3 改进型瓶颈式塔型井架结构特征为：井架横截面为正方形，绞车侧锥度从台面到天车恒定不变；其余三面

8、在均在二层台上方发生变化，且三面锥度均相同，三面下段为直立结构。该类井架绞车能够安装在井架的外侧，钻台能满足各种自动化设备的布置和操作。但是相对瓶颈式塔型井架，其受力状况稍差，同样因为井眼中心在井架中心，会对自升式平台上的悬臂梁底座产生较大的弯矩。目前，国内大连船舶重工承建的COSL941和COSL942平台井架就是采用的此类结构。图1 古典式塔型井架图2 瓶颈式塔型井架图3 改进型瓶颈式塔型井架2 课题塔型井架结构设计针对上述三种类型的塔式井架结构，为了克服其自动化设备布置空间、对自升式平台悬臂梁底座的压载问题，课题设计一种另一种塔型井架结构形式-变异式塔型井架，结构特点为：井架横截面为长方

9、形，井架四面靠近悬臂梁最外端的井架后面为垂直上下结构，绞车一侧井架锥度从台面到天车恒定不变；其余两面在均在二层台上方发生变化，两面下段为直立结构。绞车安装在井架外侧，满足自动化机械设备的布置，同时井眼中心后移靠近井架后退，减少了其对自升式平台悬臂梁底座产生的弯矩。变异式塔型井架设计严格遵循井架设计遵循API 4F钻井和修井井架、底座规范第三版、AISC335-89美国钢结构手册及AWS D1.1/D1.1M-2006钢结构焊接规范等相关规范要求。课题设计30000ft自升式钻井平台钻井模块。井架有效高度根据钻井井架、底座设计计算4设计，井架有效高度为： H=H1+H2+H3+H4+H5+H6+

10、H7 (1)式中：H1-转盘台面高出钻台面的高度，一般取为0.30.4m，此处由于转盘台面与钻台面平齐，取H1=0；H2-吊卡或卡瓦的高度，一般为0.20.4m，取最大高度；H3-钻杆母接头高度，一般为0.20.4m，取最大高度；H4-立根起过头的高度，一般为0.20.5m，取最大高度；H5-立根长度，取28m；H6-游车、大钩和吊环的高度，按装备的设备计算(现按游车、顶驱、吊环的高度)，此处设备的长度为3+8+213m；H7-安全余留高度，一般取48m计算H=0.4+0.4+0.5+28+13+6=48.3m，则井架有效高度设计为48.8m(160ft)。此高度尺寸也是参照了全球本同级别钻机

11、高度尺寸确定。井架的下跨距是根据钻台面机具布置确定，顶部跨距参照COSL941和全球本同级别钻机尺寸确定。结构图如图1所示，井架设计结构具有如下特点：(1) 井架为H型钢支腿塔型结构，井架横截面为长方形，井架整体为四棱截锥体空间结构，井架立柱和横撑为H型钢，斜撑为H型钢和角钢，承载能力大，整体稳定性好，适用于海上复杂工况下工作。图1 井架结构示意图(2) 井架主体部分由四扇平面桁架用高强度自锁螺栓连接组成5，如图2所示为井架各种节点的连接方式示意图。绞车侧锥度从台面到天车恒定不变，靠近悬臂梁外端的井架后面采用垂直上下的结构，减小在底座相同悬臂长度下对底座产生的弯矩，其他平面桁架的锥度在二层台上

12、方处发生变化。以便排放立根和满足立根排放机械手的操作空间；(3) 井架上配有立管台、气动套管扶正台，同时配有通往二层台、天车台的梯子及防坠落装置，还配有死绳稳定器，大钳平衡重等附件。(4) 二层台设有挡风墙，可以改善钻井工人的操作条件。二层台周围设置三面走台，靠近绞车侧不设走台，指梁为平行型结构，走台布置在井架外侧，内侧有足够的空间满足立根排放装置的布置和操作。指梁上设有气动控制卡钻杆装置，从而使立根排放整齐。(5) 井架主体可以按照需求设置顶驱导轨和配置立根排放机械手；(6) 井架主体结构件设计均考虑能进行“热浸锌”处理，以满足海洋特殊环境防腐要求。(a) 井架立柱之间连接(b) H型钢横撑

13、和斜撑连接(c) 角钢斜撑连接(d) 横斜撑和主立柱连接图2井架各种节点连接方式(7) 天车采用分块安装方式进行制作，即天车各梁通过螺栓进行连接。其优点在于满足公路和铁路的运输，可以在内陆制造，满足表面的热浸锌处理。天车上有5个主滑轮，2个快绳滑轮和1个死绳滑轮。天车梁下面设有缓冲木及护网和安全链；天车底梁下配顶驱导轨悬挂耳板，配有游动系统倒绳用悬挂耳板；天车台设栏杆， 航标灯支柱；主滑轮和快绳设有挡棍，主滑轮设有防护罩；所有滑轮轴承均为单独润滑。天车上配有人字架，用于天车滑轮的维修、更换。井架技术参数为：l 大钩最大静载荷(无风载、无立根、6×7绳系) 6800kN(680M.to

14、ns)l 井架有效高度 48.8m(160ft)l 井架下开档 (正面×侧面) 12.8×11.6m(42ft×38ft)l 井架上开档 (正面×侧面) 5.5×5.5m(18ft×18ft)l 二层台高度 25m(82ft)l 允许风速：预期工况(无钩载，无立根，游吊自重) 51.5m/s(100knots)非预期工况(无钩载，满立根，游吊自重) 36m/s(70knots)正常钻井工况(最大钩载，满立根) 24.7m/s(48knots)l 天车滑轮数/滑轮直径 8个/1524mml 结构安全等级SSL E2/U23 井架结构强度

15、计算3.1 模型处理采用SACS软件进行结构强度计算。SACS, 即Seastate Analysis Computer System(海事分析电脑系统)的简称，由美国Engineering Dynamics公司开发。作为有限元分析软件系统的SACS，最早起源于航空航天技术及其程序代码，现已发展成为当今海事结构设计分析中应用最广泛的软件系统，它可作为从事海洋石油平台及导管架结构分析的专业性软件6。为了便于对井架、天车进行有限元分析，对井架的力学模型作以下处理，计算模型，如图3所示。(1) 井架为桁架结构，井架各杆件之间连接可靠，各节点近似为刚性连接。；(2) 井架与台面4个支腿连接点采用固定连

16、接(FIX),约束为111111。(3) 二层台和天车在建模时与井架合为一体，钩载、快绳力和死绳力通过天车梁作用到井架上。立根靠力和立根风力通过二层台作用到井架上。(4) 井架附件，如梯子总成、大钳平衡重、套管扶正台等建模时全部忽略掉，在计算时将井架自重乘以一定的放大系数(如1.4)以考虑这些附件的重量影响，天车上增加60kN 的集中载荷，以考虑天车滑轮和辅助滑轮的重量影响。(5) 根据截面尺寸不同，把各杆件划分为角钢(ANG)、窄边工字钢(WFC)、宽边工字钢(WF)、矩管(BOX)等单元类型。3.2 载荷类型及组合工况井架主要承受最大额定静钩载、风载、二层台立根水平靠力、天车死绳力和快绳力

17、的载荷作用。最大钩载为6800kN，游吊系统包括游车、顶驱、大绳、大钩和水龙带等，重量为60t。根据API 4F7的规定，对井架的工作工况、预期工况、非预期工况分别进行了计算。对于井架的地震工况的计算，需要将井架和底座合并在一起进行计算。由于井架运输是和平台一起的，所以在这里没有进行井架的海上运输工况的计算，各个工况的具体载荷组合见表1所示。表1 载荷组合工况表设计载荷条件自重(%)大钩载荷(kN)立根靠力(%)风速(m/s)游吊系统重量(kN)AISC许用应力系数工作工况140(自定)675010024.701.0预期工况140(自定)0051.56001.33非期工况140(自定)0100

18、36.06001.333.3 计算结果井架钢结构设计应符合AISC335-89规范，SACS提供单元UC值，综合考虑了单元受拉、压、剪切、压弯、拉弯等各种载荷情况的计算结果，完全遵循AISC335-89规范要求，只要UC<1.0，表示该单元强度、刚度、稳定性均满足AISC规范8要求。SACS提供了在单元图上标示单元UC的方法，见图4。从计算结果可以看出，井架在最大钩载状况下，左后主腿受力最大，最大Uc值达到0.98，右前主腿受力最小，在最大钩载时，井架主体最大变形约为46mm。井架结构满足强度要求。 图3 井架有限元模型 图4 井架单元UC值4 结语本文在SACS中完成了井架有限元分析，单元UC值都小于1，满足AISC对钢结构的校核要求。SACS 软件在海洋工程领域运用广泛，范围不仅仅局限于本文的结构静载强度计算，还能用于非线性塑性分析、动态分析及拖航分析等，有强大的计算结果处理能力。可为以后进一步研究井架整体受力特点，优化结构及校核井架螺栓连接提供依据。参考文献1 张勇. 海洋钻机井架技术现状及发展趋势J. 石油机械, 2009, 37(8): 92-952 李继志, 陈荣振. 石油钻采机械概论M. 中国石油大学出版社, 20013 陈如恒, 沈家俊. 钻井机械的设计计算M. 石油工业出版社, 1995: 269-2724 侯依甫. 钻井和修井井架、底座设计指南M. 北京