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摘要：悬臂梁结构是钻井平台中的重要设备，保障其强度尤为重要。本文主要针对钻井平台悬臂梁强度的试验展开了分析，概述了国内的研究概况，详细介绍了悬臂梁结构与作业工况，并系统分析了悬臂梁数值，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：钻井平台；悬臂梁；强度试验
1 概述
钻井平台由于其具有着适应水域广和可重复使用等优点，在海洋油气资源钻探开发中得到了广泛的应用。而悬臂梁结构作为钻井平台中的重要设备，它在提高钻井平台日常作业灵活性上发挥着重要的作用。因此，确保悬臂梁的强度，有利于钻井平台更好的进行油气资源的钻探开发作业。基于此，本文就钻井平台悬臂梁强度的试验进行了分析，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
2 研究概况
钻井平台在发展初期是没有悬臂梁的，钻井作业基本是在平台甲板所覆盖的范围内进行，其功能主要是完成勘探井作业或部分生产开发预钻作业。悬臂梁结构的出现，极大地提高了钻井平台的作业能力，它能实现在生产平台上实施钻完井作业、修井作业和钻调整井作业。
3 悬臂梁结构与设计工况
JU2000E悬臂梁位于该钻井平台艉部甲板上，是钻塔、钻台、钻台塔底座等的承载结构，由悬臂梁支座将其与主船体结构连在一起。
3.1 悬臂梁结构
悬臂梁结构包括两条主梁、主梁底部滑板、爬行梁、管支架甲板、下甲板及连接他们的平台和桁架，其长度为55.6米，宽度为18.27米，高度为8.53米，其结构重量约1400吨，舾装件重量约400吨，总体重量在1800吨左右。在其使用过程中，要求它能承载包括钻塔等钻井设备重量及风载荷，其最大外伸22.86米，钻台左右横向移动各4.57米。它要求的最低设计环境温度为－20℃。
3.2 悬臂梁设计工况
根据钻井平台所处的状态，悬臂梁的设计工况可分为拖航和作业两类。拖航状态下，悬臂梁处于完全收回状态，由平台主船体完全支撑，仅受悬臂梁及其以上结构自重、风载以及拖航加速度引起的惯性力作用；作业状态下，悬臂梁需滑移出平台主船体以外，最大外伸可达22.86米，受风载荷作用的同时，还要承受巨大的钻井可变载荷作用，对悬臂梁的结构提出了较高的强度要求。
本文根据美国船级社（以下简称ABS）/中国船级社（以下简称CCS）《海上移动平台入级与建造规范》中有关要求，选取作业状态下的典型工况对悬臂梁的结构强度进行校核分析。分析模型包括悬臂梁所有结构，载荷包括悬臂梁重量载荷、钻台支反力及风载荷。具体的计算作业工况状态如下：钻台偏移4.57米，钻台中心距船尾10.67米。
4 悬臂梁数值分析
采用有限元软件MSC.PATRAN&NASTRAN对悬臂梁结构进行结构强度数值分析及规范校核。
4.1 用应力
根据ABS/CCS船级社规范，材料的许用应力如下：静载工况下，许用等效合成应力为0.7σy，许用剪切应力0.4σy；组合工况下，许用等效合成应力为0.9σy，许用剪切应力0.53σy；材料的许用应力如表1所示：
4.2 悬臂梁支撑及压紧装置结构
由提供基本设计服务的F&G公司和滑移设备服务商PH公司提供的悬臂梁支撑结构的设计载荷7900千磅，3583.4吨，最大载荷10507千磅，4765.1吨；悬臂梁每边压紧装置结构的设计载荷3450千磅，1564.9吨，最大载荷4588.5千磅，2081.0吨。
4.3 有限元分析
4.3.1 材料。结构模型中材料属性如下：弹性模量E＝210000（兆帕），泊松比ν＝0.3，密度ρ＝7850（千克/立方米）。
4.3.2 载荷及载荷工况。作业工况下载荷主要包括悬臂梁重量载荷、钻台支反力及风载荷。
第一，重量：1660吨，悬臂梁重量载荷包括结构、油漆、舾装及设备重量，结构总重量及重心取值，重心纵向坐标，钻台中心向首，16.129米，重心横向坐标，右舷距钻台中心，－0.201米。
第二，支反力，钻台支反力载荷选择Z向合力最大工况（兼顾F4点的Fz最大）、Fx最大、Fy最大以及四支撑点的力偶最大等工况作为强度分析的计算载荷。
第三，风载荷，根据ABS/CCS《海上移动平台入级与建造规范》第3章1.3.2节风压力可按下式计算：P＝fVk2ChCs（牛/平方米）。
注：f＝0.611，Vk＝风速（米/秒），Ch＝高度系数，Cs＝形状系数。
校核风载荷取极限状况，高度系数取1.2，形状系数取1.0，风速取100kN即51.4米/秒。当风向沿y轴方向，风速为100kN、70kN作用纵壁上的风压力计算如下：P＝fVk2ChCs＝0.611×51.42×1.2×1.0＝1937.1（牛/平方米）。
施加于有限元模型左舷、右舷纵壁板上的风压力按照风的方向计算而得。
4.3.3 悬臂梁结构模型。悬臂梁结构有限元模型利用有限元软件MSC/Patran建立，结构模型包括I型纵桁、甲板、横框架、横舱壁等板架，分别采用壳单元、梁单元模拟板、骨材。钻台脚与悬臂梁横向框架面板之间通过螺栓有效连接，使得两者变形保持协调。
有限元分析需要考虑钻台结构刚度对两强框架的约束作用，在有限元模型中用长方形的箱梁（梁单元）近似模拟钻台结构，空心梁的尺寸为板厚20毫米，高度2100毫米，宽度600毫米。
4.3.4 模型约束。极限作业工况下支撑结构接触区域施加x、z两方向的平动约束，横向限位处施加y向平动约束。
4.3.5 计算结果。计算表明，钻台在偏移4.57米的作业工况下，等效应力、剪切应力、梁的组合应力最大使用系数（UC）分别为1.07、1.03、1.01。等效应力最大使用系数为1.07（LC274），出现在FR-B大肘板根部位置；静态工况下，等效应力、剪切应力、梁的组合应力最大使用系数（UC）分别为1.04、0.94、085，如图1所示：
4.3.6 结果分析。根据有限元强度计算结果分析，可以看出，在极限作业工况下，上述FR-B大肘板根部位置高应力区结构强度无法满足建造规范。
4.3.7 结构优化。为此我们在FR-B肋位的圆管，高度在大肘板根部位置，采用增加肘板厚度，由17毫米增大到22毫米方式，以及在大肘板根部位置增加两根190*22EH36扁铁的方式进行加强。
结构优化后，重新对其进行有限元分析，计算表明，极限作业工况下等效应力、剪切应力及梁组合应力的最大使用系数分别为1.05、0.95、0.93。如图2所示，悬臂梁结构的剪切应力、梁组合应力完全满足建造规范要求。
5 结语
综上所述，悬臂梁是钻井平台的重要组成部分，它能极大提高平台的钻井数量、钻井效率及钻井作业的灵活性。因此，为了进一步促进钻井平台的作业发展，我们需要对悬臂梁的强度进行试验分析，以得出合理的使用范围，从而避免悬臂梁因强度过高而损坏。
参考文献：
[1]秦亮.自升式钻井平台悬臂梁负荷试验优化方案探讨[J].科技资讯.2013（21）.
[2]王凤辉、孙广斌、贺相军.自升式钻井平台悬臂梁负荷试验方法研究[J].海洋石油.2014（02）.
论文作者:韦迪
论文发表刊物:《电力设备》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/7
标签：悬臂梁论文; 钻台论文; 载荷论文; 作业论文; 工况论文; 结构论文; 应力论文; 《电力设备》2017年第22期论文;