导管架平台新型连接装置应力分析

张九菊, 施昌威, 周灿丰, 焦向东， 王柏和

(1.北京石油化工学院 机械工程学院， 北京 102617； 2.中石油集团海洋工程有限公司工程设计院， 北京 100028；3.中石油集团海洋工程有限公司钻井事业部， 北京 300280)



导管架平台新型连接装置应力分析

张九菊1, 施昌威2, 周灿丰1, 焦向东1， 王柏和3

(1.北京石油化工学院 机械工程学院， 北京 102617； 2.中石油集团海洋工程有限公司工程设计院， 北京 100028；3.中石油集团海洋工程有限公司钻井事业部， 北京 300280)

导管架平台与上部组块在常规上采用直接焊接的方式，针对导管架与临时钻井甲板的连接处，考虑钻井完成后临时钻井甲板需要拆除，从缩短海上施工时间，节省材料的方面考虑，提出了新型的连接方式，并采用SACS软件和ABAQUS软件对其进行了整体和局部强度的校核。

导管架；临时钻井甲板；有限元分析；SACS模型；桩腿

0 引言

海洋是我国能源产业发展的战略重点，随着海洋油气勘探开发从浅海、半浅海向深海延伸，风、浪、流等环境工况更为恶劣，对杆件和管节点的强度要求更高。如何在保证安全的前提下尽量缩短海上施工时间、节省材料是海洋工程一直努力的方向。基于70 m水深的导管架平台临时钻井甲板与下部导管架的连接展开研究，提出了新型连接方式。典型导管架平台如图1所示，导管架临时钻井甲板安装模拟如图2所示。

图1 典型导管架平台三维模型

图2 导管架临时钻井甲板安装模拟

通常临时钻井甲板与导管架连接采用对位后直接焊接，或以隔水管作为支撑进行焊接，完井后再将临时钻井甲板拆除。此方法满足工程的使用要求，但从缩短海上施工时间，节省材料的方面考虑，该文提出了一种新型的连接方式，即临时钻井甲板与主腿连接处焊接了八个连接耳板，连接件位置如图3所示，新型连接件结构形式如图4所示。

图3 连接件位置示意图

图4 新型连接件的结构形式

1 带临时钻井甲板的导管架平台整体分析

为保证结构强度的可靠性，需要进行连接件的整体分析[1]。首先根据环境工况和操作荷载，进行整体分析，再从分析结果中提取连接件的杆件力，并选取合适的边界条件进行局部分析。导管架平台整体分析采用结构专业软件SACS进行，结构模型如图5所示，环境和操作荷载见表1～表3[2]。

图5 带临时钻井甲板的SACS整体模型

表1 风基本参数

表2 波浪基本参数

表3 流基本参数

(4) 活荷载：模型中加上相关附属构件荷载，临时钻井甲板上活荷载取5 kN/m2。

(5) 操作荷载：在临时钻井甲板上共有15口井，随机取2口井进行组合，并在每口井的井口结构上加80 t的隔水管悬挂荷载。

提取SACS整体分析结果中连接件顶部标高为EL(+)15.4 m处的荷载，用于连接耳板的局部计算，杆件荷载见表4。

表4 提取EL(+)15.4米处杆件荷载

2 公式校核连接耳板

考虑到板的形状，选取了三个重要截面做了校核，根据整体分析计算结果，对连接件进行公式校核。取M=2 892 kN·m，桩腿直径：48 in，8个连接耳板，局部连接处受力如图6所示，连接耳板处受力如图7所示。

图6 局部连接处受力图

图7 连接耳板处受力图

(1)

(2)

选取的校核截面位置如图8所示，连接耳板A向视图尺寸如图9所示。

图8 连接耳板尺寸及选取校核截面

图9 连接耳板A向视图

截面1，考虑焊接为满焊：

剪力：

截面2，弯矩校核

截面3：

3 基于ABAQUS的有限元局部分析

考虑到板的形状，选取了三个重要截面做了校核，由于板梁理论的局限性，为了进一步分析结构的总体应力分布状况，采用了有限元方法，用ABAQUS软件进行模拟[3]。

ABAQUS有限元模型划分网格如图10所示，选用S4R壳单元进行模拟，连接件上部为临时钻井甲板，下部为导管架，为尽量降低局部分析中边界条件的影响，模型中顶部的圆管高度取临时钻井甲板的标高EL(+)15.4 m，下部圆管取到导管架顶部的工作点EL(+)6.5 m，从保守角度考虑，将下部与导管架连接处边界条件采用固支处理，MISES应力分布如图11所示。在现场，临时钻井甲板与导管架的接触截面处未焊接，但可以承受压力，模型中未做接触处理，八个连接耳板与圆管焊接，在模型中采用Tie命令模拟焊接，八个连接耳板的应力分布如图12所示。在有限元模型中保守考虑，即上下管件之间截面处不传递荷载，所有荷载通过八个连接耳板传递到下部的导管架上，最大应力的连接耳板如图13所示。

图10 用S4R单元对ABAQUS有限元模型划分网格

图11 MISES应力分布图

图12 八个连接耳板的应力分布图

图13 最大应力的连接耳板

最大Mises应力的部位在连接耳板的内部拐角处，为260 MPa，小于钢材的许用应力，满足工程要求。

4 结论

新型连接装置在常规做法的基础上进一步的改进，新型方式与常规做法相比有如下优点：

(1) 传统做法采用直接对位再焊接，完井后进行拆除，并将导管架连接处打磨处理，再安装上部组块。新型连接方式，避免了打焊接坡口，操作方便，节省了海上施工时间。

(2) 传统做法由于拆除切割导致临时钻井甲板连接处的结构损坏，限制了其多次使用， 新型连接方式拆除时只需要切割连接耳板，对导管架和临时钻井甲板的结构都没有损坏，可反复利用，节省成本。

[1] API-RP2A-WSD.Recommended Practice for planning, designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working stress Design[S]. 2007.

[2] 刘杰鸣.API RP 2A在导管架结构设计中的应用[J]. 中国海上油气，1995，7(1)：48-57.

[3] 段梦兰.海冰环境中海洋石油钢结构的破坏分析[J]. 石油学报，1999(3)：71-76.

Stress Analysis of a New Type of Connection Device for Jacket Platform

ZHANG Jiu-ju1， SHI Chang-wei2, ZHOU Can-feng1, JIAO Xiang-dong1， WANG Bai-he3

(1.College of mechanical engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China; 2.Engineering Design Institute of CNPC Offshore Engineering Company, Beijing 100028, China; 3.Driuing Sivision of CNPC Offshore Engineer Company, Tianjin 300280, China)

The pipe rack platform and the upper part of the block are directly welded in the conventional way. Considering the connection between the pipe rack and the temporary drilling deck, and considering the need of temporary drilling deck after the completion of drilling, the new type of connection mode is put forward, which can shorten the construction time and save material. And the SACS software and ABAQUS software were used to check the whole and local strength.

jacket; temporary drilling deck; finite element analysis; SACS model pile leg

2015-12-28

张九菊(1979 -)，女，讲师。

1001-4500(2016)05-0040-05

F416.22

A