海洋平臺在役井架仿真分析軟件開發

廖飛龍 譚政博 宋 鑫 唐順東 陳鵬輝 蔡 燦

(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.四川科特檢測技術有限公司，四川 廣漢 618300；3.西南石油大學 機電工程學院，成都 610599)

0 前 言

海洋平臺井架作為鉆機、修井機系統的重要組成部分，其承載能力直接關系到整個生產作業的安全。與陸地井架不同，海洋平臺井架常年處于高鹽的海水腐蝕環境中，桿件截面局部腐蝕減薄、銹蝕穿孔等腐蝕損傷已成常態，同時其承載能力也受到風載、浪載的較大影響。為了保障生產安全，必須及時了解井架的受力狀況，并對其承載能力進行檢測評定。為此，學者們針對井架的強度分析和安全性評價問題作了大量研究。

蘇一凡等人針對多風載海洋修井機井架的不同工況，應用ANSYS軟件分析其位移及應力分布，校核其支架強度，評價其適用性[1]。之后，應用 ANSYS軟件計算井架的加載應變，得到最大應變和應力，并將此方法與傳統的貼應變片法相結合[2]。程波等人應用ANSYS軟件分析了JJ315/40-K型石油鉆機在不同工況下的靜強度及其井架的模態變化，得出井架前4階的固有頻率和固有振型，并據此預判井架結構的變形規律[3]。楊宏山等人應用ANSYS軟件對XJ-650型修井機井架進行建模，分析了井架在最大設計鉤載時的位移變化和應力分布情況[4]。韓玉強等人應用ANSYS軟件對ZJ70鉆機井架在4種工況下的靜強度進行分析，計算井架的節點應力和節點位移，并在井架強度不滿足設計要求的工況下對井架模型進行了模擬優化[5]。祖寧針對全自動帶壓石油作業修井機建立了有限元分析力學結構模型，進行了靜力學、動力學、穩定性和疲勞壽命等方面的分析[6]。王麗君針對ZJ20-ZJ90鉆機井架建立了模型庫，并設計了井架數據庫分析軟件[7]。應用該軟件，可完成井架ANSYS靜力計算及穩定性、可靠性、疲勞度等分析。楊波等人建立了K型井架有限元模型，并對其設計載荷作用下的變形位移及應力分布情況進行了仿真分析，從而確定井架承載過程中的主要危險應力區[8]。向文進等人應用ANSYS軟件針對K型井架的多種工況進行了靜力學分析和強度校核，結合材料的屈服極限判斷井架的安全性[9]。龐世強等人針對HJJ900/64-T型超深井井架建立了完整的有限元模型，對其在各種工況及外部載荷激勵條件下的狀態進行了模態分析[10]。

這些井架有限元分析大多屬于定制化建模和個性化分析，并不適用于大批固定型號井架的檢測與分析。ANSYS等標準數值分析軟件往往難以滿足實際應用中的便利性和交互性需求，且對技術人員的力學和有限元分析基礎理論知識及軟件的操作技能有一定要求。為了彌補以上不足，本次研究將通過繁瑣的建模、截面設置、載荷施加和結果提取等過程進行參數化APDL編程，在此基礎上開發一款海洋平臺在役井架仿真分析軟件，以實現對井架檢測與分析的快速計算和結果提取。

1 井架數值分析軟件開發

1.1 軟件流程設計

應用井架數值分析軟件，可對繁瑣的建模、截面設置、載荷施加和結果提取等過程進行自動化和交互式處理。在此，基于VB 6.0平臺開發了海洋平臺在役井架仿真分析軟件,軟件應用流程如圖1所示。

圖1 井架數值分析軟件應用流程

(1)文件路徑設置。設置有限元分析文件的保存路徑及ANSYS軟件應用程序所在目錄。

(2)新建有限元分析。清除舊數據，建立新的APDL命令流文件，并開始輸入相關參數。

(3)井架建模。井架建模工作分為數據庫建模和參數化建模。在數據庫建模過程中，可直接選擇井架型號，然后建立模型；在參數化建模過程中，可先選擇井架類型，再輸入關鍵尺寸參數，然后建立模型。

(4)截面尺寸設置。根據所選井架型號，獲取相應的桿件類型，并輸入桿件尺寸大小。

(5)施加載荷設置。輸入恒載、立根載、風浪載、鉤載等載荷數據，然后通過后臺調用ANSYS計算其數值。

(6)強度分析。將通過ANSYS所得的計算結果文本文件及云圖在可視化軟件上展示出來，據此分析井架的強度。

(7)腐蝕減薄。利用ANSYS的重啟動功能，根據腐蝕減薄桿件的尺寸更新已有的井架模型，分析腐蝕減薄情況。

1.2 開發內容

1.2.1 井架參數化建模與數據庫的構建

井架的結構較為復雜，建模工作量較大。在此，根據實際圖紙的尺寸，針對K型50、70、90，塔型50、70，以及修井機等6種型號井架建立有限元模型(見圖2)，以供技術人員選用。

圖2 井架數據庫有限元模型

井架有限元模型采用BEAM188單元，其中包含工字鋼、槽鋼、矩形鋼和圓管鋼等類型截面(見圖3)。

圖3 井架截面類型

選定井架型號后，會出現相應井架各位置的桿件截面類型及默認截面尺寸，可根據實際情況進行修改。

1.2.2 井架載荷的施加

與陸地井架相比，海洋平臺井架的受力情況更加復雜，所承受的載荷包括恒載、鉤載、立根載、風載和波浪載。

(1)恒載。恒載主要考慮天車和游動系統的重量，以及井架自重與二層臺的重量。天車和游動系統的重量平均施加在頂部4個節點上，井架的自重以重力加速度(9.8 m/s2)施加于整體模型上，二層臺的重量作用于它與井架主體連接梁的節點上。

(2)鉤載。鉤載是指大鉤提起的重量，輸入鉤載平均分配于頂部4個節點上。

(3)立根載荷。立根載荷，是指立根通過其所處二層臺的主梁作用于井架主體對應節點上的載荷，其表達式為：

(1)

式中：Fl——立根水平載荷，N；

W——單位長度的立根重量，N/m；

l——立根長度，m；

n——立根數量；

θ——立根與鉆臺平面的傾角，取86°～88°。

(4)風載荷。風載荷僅反映了井架背向來風的情況，可用于計算井架節點的總風載荷，其表達式為：

Ff=p·A

(2)

p=0.611 5·v2·Ch·Cs

(3)

式中:Ff——井架節點總風載荷，N；

p——風壓，Pa；

A——承風面積，m2；

v——風速，m/s；

Ch——高度系數；

Cs——形狀系數。

(5)波浪載荷。海洋平臺井架所受波浪載荷較為復雜，且難以定量計算。但海洋平臺所處環境的波浪加速度是可以檢測的，故對波浪載荷予以簡化，將其分為波浪升沉加速度和波浪橫搖加速度，施加于整體井架模型上。

圖4所示為K型50井架載荷施加界面。其中，各相關載荷參數可自行輸入，也可在選擇數據庫中相應的工況條件后自動輸入。井架底部4個節點的條件設置為完全約束。

圖4 K型50井架載荷施加界面

1.2.3 軟件的構建

通過參數化建模施加載荷，然后基于VB 6.0軟件平臺開發井架強度分析數值軟件。應用該軟件，根據輸入參數生成APDL命令流文件，能夠在不進入ANSYS分析界面的情況下通過后臺調用ANSYS進行數值計算，并輸出結果。

2 井架數值分析軟件應用實例分析

2.1 井架實例參數

以井架模型數據庫中的海洋平臺K型50井架為例，應用本軟件對井架的強度進行分析。井架的參數如下：鉤載300 t；材料為Q345鋼；屈服強度為345 MPa；彈性模量為206 GPa；密度為7 850 kg/m3;泊松比為0.28。截面屬性均采用數據庫的默認值，設計背面來風(風速為25 m/s)，立根載荷的計算結果為 57 514.24 N。

2.2 井架鉤載下的有限元分析結果

在處理過程中，首先選擇井架模型、截面尺寸并施加相關載荷，形成APDL命令流文件；然后，通過可視化軟件調用ANSYS得出計算結果，從而獲取井架的應力應變云圖，并提取出井架桿件應力值排序為前十的桿件類型。

井架的應力應變云圖及其提取過程如圖5所示。結果顯示，井架應力最大值出現在Ⅱ大節第1小節處，為149 MPa。這是因為此處截面尺寸發生了變化，所以在桿件連接位置出現了應力集中現象。同時，由于井架大腿底部承受了整個井架主體的重力及鉤載荷，使得該位置的應力達到最大值，而其余應力較大值均存在于井架底部的桿件上。

圖5 井架的應力應變云圖及其提取

2.3 井架局部腐蝕減薄有限元分析

由于海洋平臺井架長期處于高鹽腐蝕環境中，隨著井架服役時間的延長，桿件會出現不同程度的腐蝕損傷，這些損傷主要表現為桿件截面變薄。在此，可通過可視化軟件重新定義桿件指定位置處的截面尺寸，并模擬桿件腐蝕過程。

圖6所示為井架腐蝕減薄操作界面，其中井架主體桿件分為井架左右扇面和井架背面。對于井架左右兩扇面桿件，可通過大節號、小節號和桿件名稱進行定位；井架背面桿件分為斜拉桿和背橫梁，可通過桿件編號和桿件類型進行定位。根據桿件實際腐蝕位置，確定桿件位置參數及桿件編號，然后設置所選桿件腐蝕減薄后的截面尺寸。

圖6 井架腐蝕減薄操作界面

以二層臺上的4根主立柱桿件為例，將其具體位置分別設置于左扇Ⅲ大節第1小節前、后主立柱，以及右扇Ⅲ大節第1小節前、后主立柱，并分析受損后的井架應力應變分布情況。將桿件腐蝕減薄程度設置為10%，從而獲得井架應力應變云圖，并按應力值從大到小的順序提取應力前十桿件。

表1所示為應力前十桿件的位置及應力變化。截面尺寸變化導致應力較為集中，腐蝕減薄前后 Ⅱ大節第1小節桿件均出現應力最大值。腐蝕減薄桿件為二層臺的4根主立柱桿件(Ⅲ大節第1小節主立柱桿件)，使得此處桿件應力增大到了 148 MPa。由此可見，桿件腐蝕減薄對井架腐蝕桿件的應力分布影響較大，而對于未腐蝕桿件的影響較小。

3 結 語

在本次研究中，應用APDL命令流對ANSYS程序進行了二次開發，基于VB 6.0平臺設計了包含井架模型、截面尺寸、工況載荷的可視化軟件。應用本軟件，能夠通過后臺調用ANSYS來分析井架的應力應變情況，并提取井架應力前十桿件的位置及其應力值。

本次設計的井架模型數據庫及數值分析軟件中，包含K型井架、塔型井架及修井機等3類井架的有限元模型，工字鋼、槽鋼、圓管、矩形鋼等截面類型，以及立根載荷、風載、浪載、鉤載等載荷類型。在實際應用中，可根據具體工況選擇或修改相關參數。由于海洋平臺井架存在腐蝕損傷現象，因此，可根據實際情況設置桿件尺寸減薄參數，從而模擬井架的損傷，并啟動ANSYS計算。本軟件還具有便于操作的優點，即使技術人員不熟悉ANSYS的操作流程，也可順利完成針對井架的有限元分析。