在役海洋模块钻机底座承载能力分析

＊贺家勉 穆网明 王全亮

（1.中海石油（中国）有限公司上海分公司 上海 200335 2.中海油田服务股份有限公司 上海 200335）

海洋钻机作为海洋油气资源开采的重要设备，其承载能力及结构可靠性对钻修井作业井深及载荷大小等具有很大的影响[1-2]。由于海洋环境的影响，相对于陆地上的钻机而言，其腐蚀更为严重，从而导致海洋钻机许多构件存在壁厚减薄现象，为了保证海洋油气开采的安全，有必要对服役多年的海洋钻机的承载能力进行评估。

本文以某平台的海洋模块钻机底座为例,在对其构件几何尺寸进行实时测量的基础上，考虑多种载荷的影响,依据GB 50017—2003《钢结构设计规范》及SY/T 6326—2019《石油钻机和修井机井架底座承载能力检测评定方法及分级规范》等标准，采用有限元分析对其承载能力进行分析评估，为该钻机底座安全作业提供可靠的理论及技术支撑。

1.海洋模块钻机底座简介

本文研究的海洋模块钻机底座出厂时间为2009年，由DES-A及DES-B两大部分组成，其中DES-A模块包括三层甲板，第一层为防喷器甲板；第二层为固控系统甲板及拖链台甲板，第三层为上层滑轨甲板，DES-B为一层甲板，主要用来安装井架、司钻房及立根等设备。

由于钻机底座服役时间较长，受到海洋气候的腐蚀作用，从而对其结构强度及稳定性等特性具有一定的影响。为了准确地获取在役钻机底座的承载能力，本文根据钻机底座各杆件的实时数据及相关标准对其进行有限元分析。

2.模块钻机有限元模型

(1)钻机底座几何模型

为了减小计算工作量，在相关假设的前提下[3-4]可对模块钻机底座模型做适当的简化，根据本模块钻机底座的结构及承载特点，在模块钻机底座建立几何模型时，针对DES-A及DES-B两模块中一些非主要承载梁进行忽略，但在载荷施加时将非主要承载梁上的载荷转化到主要承载梁上。

针对模块化钻机底座的结构特点，将坐标原点设置在DES-A模块底部中心位置，X轴正方向指向东，Y轴正方向指向北，Z轴正方向与高度方向相同。钻机底座几何模型创建及载荷施加时长度单位为mm，弹性模量单位为MPa，力的单位为N。

在模型简化原则的基础上，根据模块钻机底座几何结构的测量数据，建立了模块钻机底座几何模型，如图1所示。

图1 钻机底座主体结构

(2)钻机底座网格划分

本海洋模块钻机底座主要由工字钢焊接而成，在有限元网格划分时采用BEAM188单元，每个梁单元长度为100mm，网格划分完成后，节点和单元数目分别为25069和12845。

(3)边界条件

为了满足模块钻机底座丛式井不同井位钻修井的工作要求，DES-A及DES-B模块可分别在各自的导轨上进行滑动，根据不同的井位需求，滑动到相应的位置后，在工作过程中，DES-A及DES-B模块分别固定在各自的导轨上，DES-B模块相对于DES-A模块相对移动，因此，DES-A模块与DES-B模块为刚性连接，DES-A模块与平台上的导轨连接位置为全约束。

(4)工况分析

根据API SPEC 4F—2020《钻井和修井井架、底座规范》和中国海洋石油总公司企业标准《海上石油平台钻机》对钻机载荷的规定，以下两种类型极端工况对钻机底座影响最大，因此在此两种类型工况下对其进行有限元分析，各类型工况载荷组合情况如表1所示。

表1 工况载荷组合情况

①工况Ⅰ（API SPEC 4F—2020中第7部分表1.1a作业工况）：100%自重+最大钩载下的井架支反力+100%立根载荷+100%工作风载（风速不小于30.1m/s）。

②工况Ⅱ（API SPEC 4F—2020中第7部分表1.3a非预期工况）：100%自重+100%立根载荷+100%非预期风载（风速为54.4m/s）。

为了得到不同风向对模块钻机底座的影响，在两种类型的工况中涉及风载的计算时，风载荷分别为如图2所示的8种角度。

图2 模块钻机底座不同角度风向示意图

(5)载荷计算

①恒载与工作载荷

恒载主要来源于底座的自重、安装在底座上的设备重量和井架及相关设备的重量。工作载荷主要来源于钩载、立根载荷、工作绳作用力和不同工况下的风载荷。其中，井架及相关设备的重量和工作载荷通过井架与底座连接点以支反力的形式进行施加。

②立根载荷

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立根载荷根据立根的数目及重量直接施加在模块钻机底座立根盒所在梁上。

③风载荷

风载荷主要包括DES-A及DES-B两模块承受的不同工况的风载荷。根据承风特点，风载荷可以施加在其承风面的节点上。模块钻机底座风载荷计算如公式（1）所示。

式中：F为底座上的风载，N；A为承风面积，m2；P为风压，Pa。计算方法如公式（2）所示。

式中：Vk—风速，单位m/s；Ch—高度系数；Cs—形状系数。

3.结果分析

进行有限元计算，得到了底座各工况下的轴向应力，如表2所示。底座最大轴向力出现在工况Ⅰ-2，最大轴向应力值为55.5MPa，最大轴向应力位于DES-A模块上层滑轨与DES-B模块支腿连接处（如图3工况Ⅰ-2的轴向应力云图MN位置），可知最大轴向应力值小于模块钻机底座所用材料（Q345）的许用应力，由表2可知安全系数达到了6.22，表明模块钻机底座轴向强度满足要求。

图3 工况Ⅰ-2的轴向应力云图

表2 底座各工况有限元计算结果

为了获得底座杆件的强度,根据AISC 335—1989《钢结构建筑规范》可知，钢结构强度结果判定时，通常采用uc值来进行衡量。模块钻机底座的uc值计算方法如公式（3）、公式（4）所示。

其中，公式中各参数的含义如文献[5]。在式（3）和式（4）中，与下标b，m和e结合在一起的下标x和y表示某一应力或设计参数对应的弯曲轴。 fa—井架承受设计最大钩载时，测试杆件的轴心拉压应力，单位为兆帕（MPa）； Fa—只有轴心拉压应力存在时容许采用的轴心拉压应力，单位为兆帕（MPa）； fb—井架承受设计最大钩载时，测试杆件的压缩弯曲应力，单位为兆帕（MPa）；Fb—只有弯矩存在时容许采用的弯曲应力，单位为兆帕（MPa）；Fe'—除以安全系数后的欧拉应力，单位为兆帕（MPa）； Cm—系数，对于端部受约束的构件：Cm=0.85。

采用编程的形式计算了底座在各工况下杆件的uc值，底座各工况最大uc值计算结果如表2所示。根据底座uc值可以看出，在工况Ⅰ-7，uc值最大值为0.995，uc值最大位置位于DES-B模块与DES-A模块第3层滑轨连接处，如图4所示MX位置，由于uc值最大值小于1.0，说明各工况下底座的承载能力满足作业要求。

图4 工况Ⅰ-7的uc值云图

4.结论

（1）对于在役海洋钻机底座的承载能力研究，由于钻机底座在长时间的服役过程中受到海洋气候的影响，底座各部件存在一定的腐蚀而导致型材厚度减薄的情况，因此在底座承载能力分析时，应以底座当前的数据为依据。

（2）根据在役海洋钻机底座有限元分析结果可知,底座最大轴向力为55.5MPa，位于DES-A模块上层滑轨与DES-B模块支腿连接处，轴向强度安全系数最小值为6.22，表明模块钻机底座DES-A及DES-B模块轴向强度满足要求。

（3）根据模块钻机底座各工况的uc值计算可得，其uc值最大值为0.995，uc值最大位置均位于DES-B模块与DES-A模块第3层滑轨连接处，表明底座的承载能力满足各工况要求。