HJ180海洋钻机井架结构的抗震研析

摘要：我国属于地震高发的国家，特别是沿海地区的地震发生频率更高，地震严重影响着钻机的安全运转，这就对海洋钻机井架提出了更高的要求。本文以HJ180海洋钻机井井架为例，利用大型海洋结构有限元分析方程SACS，去简化海洋钻机井架组成，形成井架组成的动力学计算方程，并通过Guyan方法计算得出井架动力特性。并以此为基础，从三个不同的位置对井架进行地震响应测试，得出三个位置的最大井架地震响应值。

关键词HJ180；海洋钻机井架；动力特性；地震响应；分析

中图分类号： TE922 文献标识码： A 文章编号：

一、前言

自升式井架的特征是：便于安装及搬运、所需面积较小、适用范围广等。我国大部分的海洋钻井项目都在使用自升式井架。在恶劣的海洋自然环境中，自升式井架作为海洋钻机不仅仅承担着正常生产的负载，而且还要承担来自于自然的负载，例如台风、地震等自然灾害。所以，对海洋钻机井架的动力特性及地震响应进行分析研究具有十分深远的现实意义。当前我国的大部分研究都是对海洋钻机井架的性能进行静态研究和模型分析，针对这种情况，本文以HJ180海洋钻机井架作为分析目标，与实际环境综合起来，分析海洋钻机井架的动力特性及地震响应敏感度，为以后的项目做提供参考。

海洋钻机井架结构主要类型

1.自升式K型特种井架

也就是分段制成、分片组合、分段套装、垂直结合技术的井架结构。这类型的井架是多个分开的井架按次序组合成的。在对其进行安装工作时，首先把井架的上部安设在下部里，随后经过下部的前端开口位置，再把一个中部的单元垂直放入下部中央位置，再使用机器提升中部，使之与上部结合。此种类型的井架特点是占地面积小、安装高度可以事先调节、不必使用大型吊机、便于快速组合、拆卸、运输。

2.瓶式塔型井架结构

此类型的井架应用塔型构造，双面台的下部井架立柱是应用直立柱构造，双面台上部采用收口设计。它的特点是井架的稳定性强、防风抗震性能好、井架出动区域大、双面台便于操作等。

3.附钻柱运动补偿构件的井架。

针对深海钻机井架来说，需要抵抗来自海洋大波浪对其的巨大冲力，此时就需要使用附钻柱运动补偿构件的井架。

4.其他发展中的海洋钻机井架结构

海洋环境复杂多样，需要不断去完善钻机井架结构，使其能够适应不断变化的海洋大环境。例如设计顶驱安装、设置实用可靠的钻杆自动排放系统等。

三、发展海洋钻机井架新材料与新工艺

1.发展适应深海钻机井架结构的新材料

为适应大型海洋平台钻机井架对强度与质量的要求，建议发展高强度井架材料。南阳二机石油装备(集团)有 限公司装备了大型H型钢生产线 ，拥有省级质量检测中心，确保材料具有足够的强度、塑性和缺口韧性以及优 良的防腐性能 。能够生产优质高级的Q345系列 H型钢 ，WH60系列大尺寸高强度H型钢。H型钢的翼腹板采用全熔透焊接，焊接指标符合AWSD1.1／D1.1M 要求 ，材料力学性能包括低温冲击性能符合GB712~2000《船体结构用钢》要求。由于海洋钻机井架位于上层作业甲板，所处的工作环境及失效造成的影响没有船体及插入水中的平台导管恶劣，但与陆地井架相比，对环境的要求以及对故障的预防又要严格得多。加上目前海洋钻机没有规模性的生产，在今后的标准制定或完善中，有必要对钻井平台与应用于平台上的设备的材料要求作区别性说明，有利于井架新材料的发展与运用。

2. 发展新的焊接技术与焊接装备

浅海大型钻机或深海钻机井架整体尺寸较大，传统的制作方法与设备难以保证连接的同轴度、接触部位的接触比以及整体形位公差 ，需引进大型数控镗 、铣设备。目前 ，井架的焊接主要为手工电弧焊，由于井架制作难度加大、制作精度与焊接量增加 ，需要发展新型焊接技术与校正技术。其中焊接机器人在井架焊接过程的应用将成为一种发展 趋势。为改变常规的焊接方法，进而提高生产效率，多功能大型压力校直机、焊后热处理设备、焊后振动时效设备成为必要配置。

3. 涂装技术向结构大型化、防腐、耐久性、表面美观方向发展

由于跨海桥梁钢结构与海洋平台设施有类似的使用工况，相近行业间可相互借鉴。如我国东南沿海一座跨海大桥钢箱梁的防腐涂料体系设计方案，包括2道海洋防腐底漆 、l道封闭漆、1道中间漆、2道面漆 ，共采用6道工艺 ，漆膜总厚度达325 m，其工艺方法值得借鉴。在结构表面处理方面 ，一方面继续推广发展热喷铝 、热喷锌工艺 ，另一方面可以制造大型工艺槽 ，对零部件进行整体热浸锌或热浸铝。此外 ，加强井架的结构防腐设计，例如避免积水、存污、消除无法做防腐处理的结构，并通过油漆选型、油漆调配、油漆烘烤工艺、改进试验方法、加强检测手段，来提高井架的防腐耐久性与表面美观。

四、 HJ180海洋钻机井架的动力特性分析

在海洋钻机井架的组成结构自震频率接近于循环负载频率的情况下，循环负载放大位移的作用就非常明显，这将会造成海洋钻机井架组成结构和完整的钻机设施过于疲劳，甚至被损坏，所以应该分析海洋钻机井架组成结构的动力特性。

井架的有限元分析模型如图一所示，实体模型如图二所示，井架结构共分为436个节点，903个单元，其中130个板单元，773个梁单元。

通过所建立的模型计算能够看出，海洋钻机井架结构动力特性的特征是：

1）第一阶段体现的振型主要为井架做剧烈的前后的一阶摇摆振动；第二阶段体现的振型主要为井架围绕Z轴的一阶段扭转运动同时伴有微弱的左右摇摆；第三阶段体现的振型主要为井架围绕Z轴做剧烈的一阶扭转运动；第四阶段所体现的振型主要为井架围绕Z轴做剧烈的二阶扭转运动。

2）从上述分析我们可以得出结论，结构的固有频率呈现出密集型分布，同时我们发现结构的固有频频很小，不易与长期自然风相互作用产生共振现象。

五、HJ180海洋钻机井架结构地震响应分析

响应谱方法是目前在各种抗震实验中采用最普遍要是最基本的一种分析方法它的优势。

图3 API 2A标准响应谱曲线

图3为结构阻尼比为5%的地震响应谱曲线，X轴表示不同单自由度体系的自振周期，Y轴表示动力放大系数，也就是加速度响应谱与地面运动加速度的比值，A、B、C为土类型。响应谱可以通过单质点振子的地震响应来阐明。单自由度振子的地震振动方程为：

m（a1+a）+cu+ku=0

方程式中 m——质量，k——刚度，c——阻尼系数，a1——地面运动加速度

在动力特性分析结果的基础上，计算3个方向下井架结构的地震响应，设计地震水平加速度为015g，X、Y方向系数为110，Z方向系数为015。以美国API标准为根据，X、Y、Z方向的土壤类型为A型。各模态响应组合用CQC法计算。强度校核时通过将地震负荷与井架上固定负荷结合起来进行井架杆件的拉压强度校核。

由上述分析结果能够得出，井架在X向地震作用下产生的最大基底剪力和倾覆力矩出现在模态2；井架在Y向地震作用下产生的最大Y向位移出现在模态1；井架受Z向地震作用较小。井架在015g设计地震水平加速度下井架结构强度达到了标准规定值，井架构成会受到破坏的原因是井架结构受力最大处在井架左侧后腿,结构杆件受压作用比受拉作用强。

试验中应该注意以下几点：首先，海洋钻机井架结构计算模型需要尽量和实际构成相同，一些附属部分可以做简化处理，例如结构中的双面台部件。相关试验得出，完全照搬设计图所组建的计算模型要比简化后的模型增加了大量的计算量和耗费时间，得出的分析结果是基本一致的。其次，海洋钻机井架结构的自震周期比较短，最大的周期也只有1114200秒，基于这种情况，井架和自然风很难发生共振。

六、结束语

经过以上的海洋钻机井架结构动力特性及地震响应分析可以得出，HJ180海洋钻机井架结构在地震环境下响应值比较小，可以达到预期目标，即小地震不会损坏，中等程度地震作用下可以维修，大地震不会倒塌。因此，HJ180海洋钻机井架结构具有良好的抗震能力。

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