自升式平台塔形井架结构强度分析

2013-06-12吴富生谢蓓莉

船海工程 2013年2期

吴富生，柏垠，谢蓓莉

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海200125)

塔形井架是横截面为正方形或矩形的塔形结构，其构件四面成网络或桁架结构，因此它具有很大的组合截面惯性，整体稳定性好、承载能力大［1］。由于海洋平台所处的海洋环境十分复杂和恶劣，载荷不确定因素多，因此结构强度分析自然成为设计阶段的重要研究内容。

本文用SACS软件建立海洋塔形井架HJJ900-52的有限元模型［2］，计算井架静载荷、工作载荷及环境载荷，依据API-4F规范的要求编制32种载荷组合工况，并对其进行了强度分析。

1 有限元模型

1.1 模型介绍

HJJ900-52为瓶式塔形海洋井架，二层台以下井架立柱采用直立柱结构，二层台立根以上位置开始收口，井架所有杆件形心相交。井架结构较为复杂，因此要对井架进行简化。井架梯子平台、护栏对井架刚度影响较小，在简化时折算成相应的质量。HTVA导轨及顶驱导轨对井架刚度有一定影响，自身自重及环境载荷较大，并传递立根手臂和顶驱的工作载荷;二层台指梁用于横向支撑立根的上端，传递立根产生的载荷;天车座安装在井架顶部，承受钩载及工作绳力，是重要结构部件。故模型可以分为五部分:井架主体、天车座、顶驱导轨、指梁和HTVA导轨，见图1。

图1 HJJ900-52井架有限元模型

井架钢结构根据其受力特点主要分为立柱、横梁和斜撑三大类，根据其截面几何形状主要用到角钢、双角钢和H型钢。天车座横梁截面尺寸大，手工焊接成工字形钢。二层台指梁的横梁，由于受到指梁悬臂扭矩大，采用矩形截面梁。根据井架各杆件的截面尺寸，在软件中建立40种不同截面，并对天车座部分横梁采用了偏置处理，使得模型与实际结构更匹配，模型共有单元823个，节点670个。

1.2 节点的自由度释放

井架节点连接方式包括:焊接、法兰式对接及螺栓摩擦式连接。焊接与法兰式对接均视为刚性节点，不仅承受轴向力而且也承受弯矩作用。对于螺栓摩擦式连接，承受轴向力，只传递端板法向方向的弯矩，故处理为半刚性连接，需要释放节点的旋转自由度。

井架立柱之间均为刚性连接，斜撑都为半刚性连接，V形大门下两层为焊接刚性连接，横梁既有刚性连接，又有半刚性连接。

1.3 杆件的有效长度

有效长度概念是用来计算结构整体与对某一受压杆件的稳定性之间的影响，用系数K来表示。使长度为1的受压杆件的强度与一个仅受轴心载荷长度为K的等效铰端构件的强度相等。有效柱长与实际无支撑长度比值K可大于1.0或小于1.0。SACS中可自定义每根杆件的K值，根据截面惯性矩的方向分为ky和kz。根据每根杆件受力形式，立柱ky=kz=1.0;横梁ky=1.0，kz=2.0;V形大门ky=1.0，kz=2.0;斜撑k=1.0。

1.4 模型约束

将井架4个脚视为铰接，约束x、y、z3个方向的自由度;对HTVA导轨底端约束z方向自由度。

2 载荷计算

将井架受到的载荷分为4类［3］。

1)静载荷。长期作用在井架上的不变载荷，包括井架本身的重量以及安装在其上的各种设备和工具的自重。在SACS中，可自动施加钢结构的自重，其它附件自重按集中载荷分配到井架相应各层节点上。HJJ900-52井架结构重293.6 t，附件重115.8 t。

2)作业载荷。在钻井工作情况下对井架结构产生的载荷，其分类与大小见表1［4］。

表1 井架工作载荷定义与大小

3)风载。海岸钻井结构风速参考ISO 19901-1标准。风载的计算与构件的高度、形状、倾角有关。SACS提供了风载计算模块，提供构件投影面积，风速及作用节点即可将风载施加到结构中。风载的定义和风速大小见表2。

4)惯性载荷。HJJ900安装在自升式平台上，井架工作时平台出于站立姿态，无惯性载荷。当井架在拖航的时候会受到波浪引起的横摇、纵摇及升沉产生的惯性载荷。以横摇带升沉，纵摇带升沉，斜向动力带升沉方式来进行载荷的组合，并且认为井架具有足够的刚度，可视为刚体，在SACS中以加速度施加到模型上。井架受到惯性载荷设计参数、计算公式及大小见表3。

表2 井架风载分类与风速大小

表3 井架惯性载荷的设计参数、公式［5］及大小

3 组合工况

API-4F中规定每个钻井结构均应按表4中适用的载荷的组合进行设计。本文根据计算要求选择4类工况。在对于非操作条件下的风环境，适用时在所有载荷工况中均应考虑全部游动设备和从横梁上悬挂下来的钻绳的重量TE。

在计算中，选择了8个不同的环境载荷方向(0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°)，将表4中每种工况各分成8种小工况，共32个组合工况。表5列举了操作工况OP1～OP8中井架的载荷组合。

表4 API-4F规定载荷组合设计 %

表5 操作工况OP1～OP8下的载荷组合表 %

4 计算结果

4.1 许用应力

API-4F规定对于运输条件、不可预期和预期的设计暴风雨条件，许用应力允许增加1/3，即应力修正因子为1.33。

4.2 单元UC值

井架钢结构设计应符合AISC 335-89规范，SACS提供单元UC值，综合考虑了单元受拉、压、剪切、压弯、拉弯等各种载荷情况的计算结果，完全遵循AISC 335-89规范要求，只要UC＜1.0，表示该单元强度、刚度、稳定性均满足AISC规范要求。SACS提供了在节点图上标示制定范围的单元UC最大值的方法，见图2;同时详细列出了UC＞1，0.8＜UC＜1的单元计算结果，见表6。