海洋平台钻机井架承载能力计算研究

摘 要：海洋平台钻井架所处的环境比较恶劣，很容易出现问题。因此，对它的承载能力的研究很有意义。本文以某海洋平台钻机井架现场测试为研究案例，发现了该钻机井架出现的一些问题，针对这些问题，本文对钻机井架进行了有限元分析和其承载能力的计算研究。

关键词：海洋平台；钻机井架；承载能力；计算研究

中图分类号：TE951 文献标识码：A

据相关部门统计，海洋平台钻机井架的损坏主要有：整体损坏、连接损坏及杆的零件损坏等等。这些不良的现象的存在严重制约着我国海洋钻井事业的发展。针对起初对缺陷井架承载能力评估模型的不齐全，思考到了海洋的钻井机井架可能普遍存在这样的问题。通过利用有限元进行分析计算，我们引入了一些新的概念，来构建海洋平台钻机井架的实际应力计算模型。这可以用于对海洋钻井机的实际承载能力进行评估。

一、海洋平台钻机井架现场测试

为了更加全面地了解海洋平台钻机井架的实际情况，在对井架编号处理的基础上，我们又进行了对海洋平台钻机井架的结构及外观检测分析、腐蚀检测分析及应力应变检测分析等。分析的结果表明：井架没有存在任何的载荷偏离中心、磁粉的探究损伤结果也没有显示出任何可以看见记录的裂纹。

1关于海洋平台钻机井架的腐蚀检测。采用的是TT100超声波的测量厚度的仪器对所有的杆的零件进行了超声波的测量厚度，其中一些被海水腐蚀较厉害的杆件厚度对比情况请看下面的表格。（腐蚀程度=（原始厚度-实际厚度）/原始厚度）

把上面表格中所有杆件的腐蚀程度计算出来，可以得到钻机井架的平均腐蚀率为9.73%。

2应变测试。根据相关的标准规则和平台钻机井架现在拥有的加载条件，分别对钻机井架施加190kN、220kN、350kN载重进行应变测试。在钻机井架的下面大腿部位一共布置了9个测点位置，每个测点位置分别在主要位置的不同侧面布置了3个测试点。然后分别对每个部位的加载从高到低2次，从低到高也是2此，采取同一个测试点位置的平均数值，记录应变的测试记录数据。

二、有限元分析

1为了给后面的整体稳定性提供一定的数字可靠的参考，首先需要对钻机井架做出整体的有限元分析，并且在这个基础上进行曲折的分析，进而得到井架的整体稳定性安全数据。

2经过简化的钻井机架几何模型可以拆分为井架下面、上面、井架的支座及天车的箱梁四部分。由于海洋平台钻机机架是三维的杆件构造，各个杆件不单单需要承受着轴向力，还要承受着附加的弯矩力，因此要采用三微量单位的方式。对于钻机井架不同截面型钢材所构成的梁和支撑，可以在处理的时候对照不同的实际常数。根据实际的构造，本文作者定义出了30中截面的类型，同时也就对照了30组实际常数。综合思考了计算时间和内存的消耗，这个有限元模型单位的大小假设设为100cm，通过划分网格，共有6850个节点和7076个单元。

3有限元的分析结果。钻机井架的最高承载限度是井架设计时所允许的最大负荷重量，也可以认为是施加在井架结构上面的最大重量。只有对该工程情况进行有限元的分析计算后，才能够明确钻机井架的极限强度。利用ANSYS、FEPG、SciFEA、JiFEX、KMAS等有限元的分析软件可以对最大载重量1700kN工程情况的有限元模型进行分析，得到的最大应变压力和最大应力。其数值分别为7.56×10-4和190MPa。最大的综合位移距离为11.3cm，数值适中。然而，钻机井架的材料为16Mn，结果，最大应力远远小于期许的用应力。由此可见，最大钩载载重情况下，井架的强度足够强。

4有限元的计算结果分析。为了可以更确切地对有限分析元结果进行验证，本文作者参考了一些生产厂家设计的钻机井架通过第三方的验证，保证有限元计算分析结果的精准。在对比中发现，在最高的钩载工情况下，这一次有限元的计算结果得到的最大应力为160MPa，结果只是相差了1.4%，从而再次验证了此次有限元计算的精确性，也说明了这次我们使用的有限元的计算方法是争取的。

三、井架承载能力计算及研究

将得到的无损坏海洋钻机井架的有限元计算应用力结果代入实际的承载能力计算公式，再根据前面的实际测量数据，我们就可以得到具体的损坏系数。由于钻机井架的平均腐蚀率为9.73%，那么腐蚀引起的损坏系数f1=（1-0.0973）2≈0.816。如果只有1根钻机井架的腿弯曲现象，假设这段大腿长度为0.01km，弯曲矢高为1.5cm，杆部件的系数取10，将以上的参数代入公式，就能够得到杆件的初始弯曲损坏的系数f2=1-1.5aCi=0.977。如果这个井架已经使用了18a，那么井架的使用年数就等于18，将上面的数值分别代入公式就可以得到应力其中损害系数f3=0.943。将计算得到的f1、f2、f3代入上面公式，就得到了三种测试载重力的结果，与实际测量的数据结果对比如下表格。

从上面表格中我们可以看出，除了测试点4以外，其他测试点的计算应力和实测力的误差都比较小，测点4的数据表明了，在三种测试的重荷下的计算应力均要比实测的应力小0.1左右。作者发现了测点4刚好位于存在弯曲部位的钻机井架的下面部位，由于对杆件弯曲的影响，这个地方的实际应力应该会增大，这也证明了杆件弯曲会带来机井井架承载能力的大幅度下降。

结语

将现场测试得到数据转化为损坏的系数，并将它代入钻机井架的实际承载能力计算公式进行计算应力，结果表明了，现场测试与理论上的结算结果很接近，其中应力集中这一因素对井架的承载能力影响较大。对于使用时间较长的井架我们必须考虑加固或者更换。

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