海洋平台在役井架仿真分析软件开发

廖飞龙 谭政博 宋 鑫 唐顺东 陈鹏辉 蔡 灿

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉 618300；2.四川科特检测技术有限公司，四川 广汉 618300；3.西南石油大学 机电工程学院，成都 610599)

0 前 言

海洋平台井架作为钻机、修井机系统的重要组成部分，其承载能力直接关系到整个生产作业的安全。与陆地井架不同，海洋平台井架常年处于高盐的海水腐蚀环境中，杆件截面局部腐蚀减薄、锈蚀穿孔等腐蚀损伤已成常态，同时其承载能力也受到风载、浪载的较大影响。为了保障生产安全，必须及时了解井架的受力状况，并对其承载能力进行检测评定。为此，学者们针对井架的强度分析和安全性评价问题作了大量研究。

苏一凡等人针对多风载海洋修井机井架的不同工况，应用ANSYS软件分析其位移及应力分布，校核其支架强度，评价其适用性[1]。之后，应用 ANSYS软件计算井架的加载应变，得到最大应变和应力，并将此方法与传统的贴应变片法相结合[2]。程波等人应用ANSYS软件分析了JJ315/40-K型石油钻机在不同工况下的静强度及其井架的模态变化，得出井架前4阶的固有频率和固有振型，并据此预判井架结构的变形规律[3]。杨宏山等人应用ANSYS软件对XJ-650型修井机井架进行建模，分析了井架在最大设计钩载时的位移变化和应力分布情况[4]。韩玉强等人应用ANSYS软件对ZJ70钻机井架在4种工况下的静强度进行分析，计算井架的节点应力和节点位移，并在井架强度不满足设计要求的工况下对井架模型进行了模拟优化[5]。祖宁针对全自动带压石油作业修井机建立了有限元分析力学结构模型，进行了静力学、动力学、稳定性和疲劳寿命等方面的分析[6]。王丽君针对ZJ20-ZJ90钻机井架建立了模型库，并设计了井架数据库分析软件[7]。应用该软件，可完成井架ANSYS静力计算及稳定性、可靠性、疲劳度等分析。杨波等人建立了K型井架有限元模型，并对其设计载荷作用下的变形位移及应力分布情况进行了仿真分析，从而确定井架承载过程中的主要危险应力区[8]。向文进等人应用ANSYS软件针对K型井架的多种工况进行了静力学分析和强度校核，结合材料的屈服极限判断井架的安全性[9]。庞世强等人针对HJJ900/64-T型超深井井架建立了完整的有限元模型，对其在各种工况及外部载荷激励条件下的状态进行了模态分析[10]。

这些井架有限元分析大多属于定制化建模和个性化分析，并不适用于大批固定型号井架的检测与分析。ANSYS等标准数值分析软件往往难以满足实际应用中的便利性和交互性需求，且对技术人员的力学和有限元分析基础理论知识及软件的操作技能有一定要求。为了弥补以上不足，本次研究将通过繁琐的建模、截面设置、载荷施加和结果提取等过程进行参数化APDL编程，在此基础上开发一款海洋平台在役井架仿真分析软件，以实现对井架检测与分析的快速计算和结果提取。

1 井架数值分析软件开发

1.1 软件流程设计

应用井架数值分析软件，可对繁琐的建模、截面设置、载荷施加和结果提取等过程进行自动化和交互式处理。在此，基于VB 6.0平台开发了海洋平台在役井架仿真分析软件,软件应用流程如图1所示。

图1 井架数值分析软件应用流程

(1)文件路径设置。设置有限元分析文件的保存路径及ANSYS软件应用程序所在目录。

(2)新建有限元分析。清除旧数据，建立新的APDL命令流文件，并开始输入相关参数。

(3)井架建模。井架建模工作分为数据库建模和参数化建模。在数据库建模过程中，可直接选择井架型号，然后建立模型；在参数化建模过程中，可先选择井架类型，再输入关键尺寸参数，然后建立模型。

(4)截面尺寸设置。根据所选井架型号，获取相应的杆件类型，并输入杆件尺寸大小。

(5)施加载荷设置。输入恒载、立根载、风浪载、钩载等载荷数据，然后通过后台调用ANSYS计算其数值。

(6)强度分析。将通过ANSYS所得的计算结果文本文件及云图在可视化软件上展示出来，据此分析井架的强度。

(7)腐蚀减薄。利用ANSYS的重启动功能，根据腐蚀减薄杆件的尺寸更新已有的井架模型，分析腐蚀减薄情况。

1.2 开发内容

1.2.1 井架参数化建模与数据库的构建

井架的结构较为复杂，建模工作量较大。在此，根据实际图纸的尺寸，针对K型50、70、90，塔型50、70，以及修井机等6种型号井架建立有限元模型(见图2)，以供技术人员选用。

图2 井架数据库有限元模型

井架有限元模型采用BEAM188单元，其中包含工字钢、槽钢、矩形钢和圆管钢等类型截面(见图3)。

图3 井架截面类型

选定井架型号后，会出现相应井架各位置的杆件截面类型及默认截面尺寸，可根据实际情况进行修改。

1.2.2 井架载荷的施加

与陆地井架相比，海洋平台井架的受力情况更加复杂，所承受的载荷包括恒载、钩载、立根载、风载和波浪载。

(1)恒载。恒载主要考虑天车和游动系统的重量，以及井架自重与二层台的重量。天车和游动系统的重量平均施加在顶部4个节点上，井架的自重以重力加速度(9.8 m/s2)施加于整体模型上，二层台的重量作用于它与井架主体连接梁的节点上。

(2)钩载。钩载是指大钩提起的重量，输入钩载平均分配于顶部4个节点上。

(3)立根载荷。立根载荷，是指立根通过其所处二层台的主梁作用于井架主体对应节点上的载荷，其表达式为：

(1)

式中：Fl——立根水平载荷，N；

W——单位长度的立根重量，N/m；

l——立根长度，m；

n——立根数量；

θ——立根与钻台平面的倾角，取86°～88°。

(4)风载荷。风载荷仅反映了井架背向来风的情况，可用于计算井架节点的总风载荷，其表达式为：

Ff=p·A

(2)

p=0.611 5·v2·Ch·Cs

(3)

式中:Ff——井架节点总风载荷，N；

p——风压，Pa；

A——承风面积，m2；

v——风速，m/s；

Ch——高度系数；

Cs——形状系数。

(5)波浪载荷。海洋平台井架所受波浪载荷较为复杂，且难以定量计算。但海洋平台所处环境的波浪加速度是可以检测的，故对波浪载荷予以简化，将其分为波浪升沉加速度和波浪横摇加速度，施加于整体井架模型上。

图4所示为K型50井架载荷施加界面。其中，各相关载荷参数可自行输入，也可在选择数据库中相应的工况条件后自动输入。井架底部4个节点的条件设置为完全约束。

图4 K型50井架载荷施加界面

1.2.3 软件的构建

通过参数化建模施加载荷，然后基于VB 6.0软件平台开发井架强度分析数值软件。应用该软件，根据输入参数生成APDL命令流文件，能够在不进入ANSYS分析界面的情况下通过后台调用ANSYS进行数值计算，并输出结果。

2 井架数值分析软件应用实例分析

2.1 井架实例参数

以井架模型数据库中的海洋平台K型50井架为例，应用本软件对井架的强度进行分析。井架的参数如下：钩载300 t；材料为Q345钢；屈服强度为345 MPa；弹性模量为206 GPa；密度为7 850 kg/m3;泊松比为0.28。截面属性均采用数据库的默认值，设计背面来风(风速为25 m/s)，立根载荷的计算结果为 57 514.24 N。

2.2 井架钩载下的有限元分析结果

在处理过程中，首先选择井架模型、截面尺寸并施加相关载荷，形成APDL命令流文件；然后，通过可视化软件调用ANSYS得出计算结果，从而获取井架的应力应变云图，并提取出井架杆件应力值排序为前十的杆件类型。

井架的应力应变云图及其提取过程如图5所示。结果显示，井架应力最大值出现在Ⅱ大节第1小节处，为149 MPa。这是因为此处截面尺寸发生了变化，所以在杆件连接位置出现了应力集中现象。同时，由于井架大腿底部承受了整个井架主体的重力及钩载荷，使得该位置的应力达到最大值，而其余应力较大值均存在于井架底部的杆件上。

图5 井架的应力应变云图及其提取

2.3 井架局部腐蚀减薄有限元分析

由于海洋平台井架长期处于高盐腐蚀环境中，随着井架服役时间的延长，杆件会出现不同程度的腐蚀损伤，这些损伤主要表现为杆件截面变薄。在此，可通过可视化软件重新定义杆件指定位置处的截面尺寸，并模拟杆件腐蚀过程。

图6所示为井架腐蚀减薄操作界面，其中井架主体杆件分为井架左右扇面和井架背面。对于井架左右两扇面杆件，可通过大节号、小节号和杆件名称进行定位；井架背面杆件分为斜拉杆和背横梁，可通过杆件编号和杆件类型进行定位。根据杆件实际腐蚀位置，确定杆件位置参数及杆件编号，然后设置所选杆件腐蚀减薄后的截面尺寸。

图6 井架腐蚀减薄操作界面

以二层台上的4根主立柱杆件为例，将其具体位置分别设置于左扇Ⅲ大节第1小节前、后主立柱，以及右扇Ⅲ大节第1小节前、后主立柱，并分析受损后的井架应力应变分布情况。将杆件腐蚀减薄程度设置为10%，从而获得井架应力应变云图，并按应力值从大到小的顺序提取应力前十杆件。

表1所示为应力前十杆件的位置及应力变化。截面尺寸变化导致应力较为集中，腐蚀减薄前后 Ⅱ大节第1小节杆件均出现应力最大值。腐蚀减薄杆件为二层台的4根主立柱杆件(Ⅲ大节第1小节主立柱杆件)，使得此处杆件应力增大到了 148 MPa。由此可见，杆件腐蚀减薄对井架腐蚀杆件的应力分布影响较大，而对于未腐蚀杆件的影响较小。

3 结 语

在本次研究中，应用APDL命令流对ANSYS程序进行了二次开发，基于VB 6.0平台设计了包含井架模型、截面尺寸、工况载荷的可视化软件。应用本软件，能够通过后台调用ANSYS来分析井架的应力应变情况，并提取井架应力前十杆件的位置及其应力值。

本次设计的井架模型数据库及数值分析软件中，包含K型井架、塔型井架及修井机等3类井架的有限元模型，工字钢、槽钢、圆管、矩形钢等截面类型，以及立根载荷、风载、浪载、钩载等载荷类型。在实际应用中，可根据具体工况选择或修改相关参数。由于海洋平台井架存在腐蚀损伤现象，因此，可根据实际情况设置杆件尺寸减薄参数，从而模拟井架的损伤，并启动ANSYS计算。本软件还具有便于操作的优点，即使技术人员不熟悉ANSYS的操作流程，也可顺利完成针对井架的有限元分析。