浮式钻井平台塔形井架的疲劳分析

发布时间：2020-02-02 05:30

【摘要】：海洋浮式钻井平台是开发深水油气的主要平台之一,其上的钻机井架承载大、高度高、工作海况环境恶劣。相比陆地钻机,在作业过程中钻机井架除了受到自重、大钩载荷、工作绳拉力及风载作用外,还受到波浪流引起的平台运动产生的井架动载影响,导致结构产生较大变形和不断变化的应力,从而引发井架结构的疲劳失效与破坏。疲劳破坏一直被认为是海洋平台结构的一种主要破坏形式之一,已成为国内外研究的热点,但尚未见海洋浮式平台钻机井架的相关分析研究报道。由于在进行海洋浮式平台钻机井架的结构力学分析时必须考虑波浪随机载荷长时间作用下对结构产生的影响,特别是在进行井架疲劳寿命计算时应该充分考虑平台动边界对井架力学性能的影响。为此,需要研究和建立海洋浮式平台钻机井架的疲劳寿命评估理论,形成一套系统、有效地针对深水钻井平台配套井架的疲劳分析方法,能可靠地定量评估和预测井架的剩余寿命,为深水钻井平台配套井架的设计与评估提供参考依据。本文重点研究针对深水钻井平台钻机井架的疲劳分析方法,主要包括塔形井架有限元仿真与疲劳寿命分析及计算结果的后处理。完成了各种载荷组合与运动边界条件下井架的载荷计算研究,并与按照API-Spec-2C-2004规范确定的等效计算载荷进行对比；首先通过塔形井架静力学有限元分析确定井架应力较大部位,查找出所有可能的疲劳节点；再用瞬态动力学分析方法对不同风向组合、不同钻井载荷、不同工作年限工况等条件下的井架进行动态分析,提取所关注疲劳节点对应的变化应力历程数据,然后结合钻井载荷出现的几率、钻井时间、不同风载作用的时间等,采用编程方法计算出所关注节点的破坏率与疲劳剩余寿命。结果表明,井架中下部位置应力水平相对较低,而中上部位置和底部与平台连接处应力水平相对较高,最易发生疲劳破坏,建议井架结构设计阶段充分关注。研究结果可为深水钻井平台井架的设计计算与疲劳寿命评估提供理论参考,同时为井架结构安全评定提供有力的支撑和依据。
【图文】：

井架,内部连接,方式,杆件

字钢组合而成。井架分为上下两部分，上下两部分采用螺栓连接。井架上部和井架下部内部各杆件之间采用螺栓连接，如图2-4所示。塔形井架高度为57m，设计大钩载荷9000kN,钢架整体采用H型钢，各杆件材料均采用Q345D，具体参数见表2-1。5

井架,平台,恒载

在完成井架整体的有限元建模时，在对应的集中质量位置将等效质量施加上去，，如图2-7所示。图2-7平台井架有限元分析模型2.2 塔形井架工况与载荷分析深海钻井平台钻机井架安装于平台甲板上，其受力状态与陆地钻机相比更为复杂，主要承受的载荷不仅包括恒载、工作载荷(最大钻柱重量、大钩载荷、工作绳作用力、立根载荷)、风载等环境载荷，还受到波浪与海流所引起的平台运动变化的影响。这类变化主要是由波浪载荷引起，在波浪载荷的作用下，平台的运动包括移动与转动两种，其惯性力主要由这两类运动的加速度（移动与转动加速度）所引起。2.2.1恒载井架的恒载是指长期作用在井架上恒定不变的载荷，如天车、顶驱、游车等专用装置的重量和井架主体本身的自重。在井架所受到的恒载中，天车、顶驱等重量在计算时8
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE923

【参考文献】