自升式钻井平台悬臂梁负荷试验研究

(太重(天津)滨海重型机械有限公司，天津 300457)

自升式钻井平台以其移动方便、升降灵活、定位能力强及自持能力长等优点， 在海洋油气勘探开发中得到了广泛的应用[1，2]。悬臂梁是自升式钻井平台的重要组成部分，通过其滑移实现在生产平台上实施钻完井作业和修井作业，它增加了平台在一次插桩的钻井数量，极大地提升了钻井效率，增加了钻井作业的灵活性。悬臂梁内配置了众多的钻井设备，其结构强度是保证整个钻井系统在海上安全作业的关键性因素。在悬臂梁、钻台、井架及钻井系统相关的设备和系统安装完成，并实现功能性调试后，需要进行悬臂梁负荷试验，加载设计载荷来验证悬臂梁的强度及刚度是否满足设计和使用要求[3-4]。

本文以某一自升式钻井平台的悬臂梁为试验对象，在设备和系统功能性调试完成，称重试验、悬臂梁及钻台滑移试验完成之后，对悬臂梁负荷试验相关内容进行研究。对负荷试验的试验条件、试验程序等试验内容进行了阐述，并对试验荷载、试验压载方案、预压载方案等试验关键问题进行了研究。基于有限元方法论证了采用等效荷载进行试验的可能性，并对平台试验压载操作流程给出了建议，得出的结论对降低试验难度、增加试验安全性具有重大意义，为后续悬臂梁负荷试验提供有力指导。

1 悬臂梁基本设计参数

本悬臂梁属于常规悬臂梁，井口位移由悬臂梁滑移和钻台滑移实现[5]。悬臂梁采用液压移动系统在主甲板上可以进行前后移动，悬臂梁(以转盘中心为基准)最大外伸22.5m。悬臂梁结构为箱型结构，主要由悬臂梁箱体、基座、锁紧机构、液压缸移动系统等组成，悬臂梁在任何位置都能够被移动和固定。悬臂梁箱体由两道强纵向外壁、悬臂梁下底板、悬臂梁中间甲板和悬臂梁上堆场甲板及前后封闭外壁组成。悬臂梁上层甲板设有管架排放区，如图1所示。悬臂梁基本尺寸及重量重心如表1所示，悬臂梁及钻台许用可变载荷如表2所示。

表1 悬臂梁设计尺寸及重量重心

表2 许用钻台可变载荷与悬臂梁外伸和钻台底座移动关系表

图1 悬臂梁的三维模型图

2 试验目的及规程

自升式钻井平台悬臂梁负荷试验作为自升式钻井平台极为关键的试验项目，其目的主要是：验证悬臂梁在最大外伸位置时，悬臂梁结构和主船体所能承受的载荷是否满足设计要求，以及在此状态下的悬臂梁挠度变形量[6]。

试验主要步骤：

(1)确定试验载荷、试验压载及预压载方案；进行试验前预压载及试验状态压载；

(2)操作人员到位，试验前检查，确认悬臂梁和钻台滑移系统处于可工作状态，确认所用提升移动系统安全可靠；

(3)将主船体升高至距码头地面合适的距离，满足试验提升吊索具和配重对升船高度的要求，调平主船体；操纵悬臂梁液压缸向外推动悬臂梁，直至钻台井口中心伸出量为22.5m，并记录此状况下悬臂梁变形量；

(4)将钻台移动至左舷侧4.57m，锁紧钻台。测量并记录此状况下悬臂梁变形量；

(5)在码头边试验区域将配重准备好，降下大钩(或顶驱)，用吊索具连接大钩与配重450t，缓慢提升大钩，使配重脱离地面高度约100mm，记录在此负荷情况下悬臂梁标识点处的变形量。

(6)降下大钩释放大钩载荷，测量并记录卸载后悬臂梁变形量。将钻台移动至右舷侧4.57m，紧固钻台，重复操作步骤再次进行负荷试验。

(7)回收悬臂梁、降下主船体，悬臂梁负荷试验结束。结束后，对锁紧座等重要结构进行外观检查并配以MT探伤检查，以确保在负荷试验中结构未被损坏。

3 试验荷载确定

由于悬臂梁负荷试验主要是确定悬臂梁的负荷情况，对确定试验荷载工况等要求较高。试验前应根据悬臂梁及钻台称重试验获取的重量、重心参数更新悬臂梁载荷表，确定试验工况的载荷。本文根据悬臂梁及钻台许用可变载荷，试验荷载可能有两种工况，即：

(1)悬臂梁伸至-22.5，钻台位于中心，可变载荷1150t；

(2)悬臂梁伸至-22.5，钻台+4.57m(或-4.57m)，可变载荷450t；

因1150t配重准备及实施难度非常大， 本文采用有限元方法对两种试验工况进行分析，论证仅采用试验工况2作为等效试验的可能性。

悬臂梁工作方式为多种基本载荷的组合工况形式，计算时充分考虑悬臂梁及钻台的可变载荷、自重载荷、风载荷等，规范要求对此类组合工况的结构进行校核[7-8]。悬臂梁和主甲板采用底座连接，在艏部支座及艉部支座采用铰接模拟边界条件。悬臂梁最大应力出现在艉部支座处悬臂梁滑移平板结构，悬臂梁的应力及位移结果如表3、图2-5所示。

表3 悬臂梁应力及位移结果

图3 试验工况2下悬臂梁应力云图(DH36板材)

图4 试验工况1下悬臂梁位移云图

图5 试验工况2下悬臂梁位移云图

从计算结果可以看出，两种试验工况的应力及位移水平相当，因此，采用试验工况2(即悬臂梁伸至-22.5，钻台-4.57m，可变载荷450t)中的载荷作为悬臂梁负荷试验载荷来验证验证悬臂梁刚度及强度是合理的。这将大大降低试验难度，这一论证结论对降低试验难度、增加试验安全性具有重大意义。

4 试验压载及预压载配载确定

悬臂梁负荷试验前钻井平台应进行插桩预压载，并进行试验配载。因此，下文将对试验压载方案、预压载方案等进行分析讨论。

4.1 试验压载方案及建议

试验过程中悬臂梁将大幅度伸出主船体外且配有大量配重，为防止平台某一桩腿对地比压过大，保证平台稳定性，需对平台进行配载。试验压载方案如表4及图6所示。此时桩靴的对地比压为28.9t/m2。

表4 试验压载方案

图6 试验压载方案

图7 试验预压载方案

平台试验常规操作通常为先按照试验压载方案对平台进行压载后再操纵悬臂梁液压缸向外推动悬臂梁。因压载方案为首部压载，在悬臂梁未外伸时按试验配载方案配载后的首桩对地比压非常大，可达36.3t/m2。因此，建议将先操作液压缸向外推动悬臂梁直至钻台井口中心伸出量为22.5m后再进行配载，此时最大对地比压为29.7t/m2。

4.2 试验预压载方案及建议

试验前要对平台进行预压载以保证试验过程中的稳定性，预压荷载应充分考虑试验过程中可能出现的最大对地压力荷载。试验中出现的最大对地比压即为4.1中所述的29.7t/m2。因此，预压载调配方案如表5及图7所示，此时预压载对地比压为30.0t/m2，满足试验预压载要求。

表5 试验前预压载方案

5 结 论

本文以某一自升式钻井平台的悬臂梁为试验对象，对负荷试验的试验目的、试验程序等试验内容进行了阐述，并对试验荷载、试验压载方案、预压载方案等试验关键问题进行了研究。研究结果如下：

(1)悬臂梁设计通常为等强度设计，可采用某一组试验难度较低、安全性高的试验荷载为代表进行悬臂梁的负荷试验。

(2)悬臂梁负荷试验时的大量配载均位于平台艏部，因此建议先将悬臂梁滑移至试验位置再进行配载，可以有效避免首桩对地比压过大的情况。

(3)为保证平台稳定性，负荷试验前应进行预压载，仅考虑试验状态出现的对地比压对确定预压荷载并不够，预压荷载应充分考虑试验过程中可能出现的最大对地压力荷载

以上结论对降低试验难度、增加试验安全性具有重大意义，为后续悬臂梁负荷试验提供有力指导。