周洪軍，丁 輝，杜漢文

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

HXJ135C海洋修井機(jī)吊裝和拖航設(shè)計(jì)

周洪軍，丁 輝，杜漢文

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

海洋修井機(jī)建造完成后需要進(jìn)行陸地組裝，并通過(guò)船舶運(yùn)輸至相關(guān)海域開(kāi)展吊裝作業(yè)。而海洋修井機(jī)各組件都是復(fù)雜的大型金屬鋼架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大且載荷分布不均勻，并安裝有各種機(jī)械設(shè)備，不能承受沖擊和碰撞，給吊裝和拖航造成較大困難。因此，在對(duì)海洋修井機(jī)進(jìn)行海上運(yùn)輸?shù)跹b時(shí)，在復(fù)雜海況下的慣性力和其他環(huán)境載荷作用下，可能會(huì)對(duì)拖航、吊裝的安全性和設(shè)備造成影響。以HXJ135C海洋修井機(jī)為例，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、力學(xué)理論等，利用有限元軟件，對(duì)碼頭吊裝、拖航進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，旨在為項(xiàng)目提供支持。

海洋修井機(jī) 吊裝 拖航 校核

0 引 言

目前，海洋修井機(jī)通常在陸地碼頭完成下底座、鉆臺(tái)上底座、井架的組裝后，再與其他附件吊裝至駁船進(jìn)行加固，并運(yùn)輸至指定平臺(tái)。海洋修井機(jī)各組件都是復(fù)雜的大型金屬鋼架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大且載荷分布不均，并安裝有各種機(jī)械設(shè)備，不能承受沖擊和碰撞。這給吊裝和拖航過(guò)程帶來(lái)了較大難度，需要根據(jù)各部件參數(shù)，制定合理規(guī)范的吊裝和拖航方案，以滿(mǎn)足工程實(shí)際要求。

HXJ135C海洋修井機(jī)組裝完成后3大件的外形尺寸和重量清單如表1所示。

利用結(jié)構(gòu)基本載荷數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)力學(xué)理論和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行仿真校核，能夠得到與實(shí)際較符合的結(jié)果，縮短了整體建模分析的時(shí)間。

表1 海洋修井機(jī)3大件外形尺寸及重量清單Tab.1List of dimensions and weights of marine drilling rig’s three major components

1 吊裝方案設(shè)計(jì)

1.1 井架總成吊裝

HXJ135C海洋修井機(jī)選用HJJ13533C型井架，由井架上體、井架下體、二層臺(tái)等附件組成。組裝完成后，井架上體完全縮回并由鎖緊銷(xiāo)固定。4處吊耳的位置分別位于井架下體2根結(jié)構(gòu)立柱上，查閱井架三維模型的重心位置，仍在井架框架內(nèi)部，近似可認(rèn)為在幾何形心位置，可利用井架本體吊點(diǎn)進(jìn)行吊裝。

1.2 吊裝力學(xué)計(jì)算

3大件吊裝均選用四肢鋼絲繩(見(jiàn)圖1)，鋼絲繩實(shí)際受力為：

Φ36.5×14,000,mm鋼絲繩的破斷拉力為：666.5,kN，鋼絲繩容許拉力：[1]

式中：a為鋼絲繩之間載荷不均勻系數(shù)，6×19鋼絲繩取0.85；為鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和(kN)； K為鋼絲繩使用安全系數(shù)。

由上述可知，2P＞1P，鋼絲繩型號(hào)完全能夠滿(mǎn)足使用要求，卸扣采用額定載荷為21,t的高強(qiáng)度卸扣，銷(xiāo)軸直徑為39,mm。

圖1 井架總成吊裝受力分析Fig.1 Force analysis of derrick assembly hoisting

1.3 吊耳強(qiáng)度校核

選取吊點(diǎn)2計(jì)算校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。吊耳處受力最大為127.3,kN，吊耳材質(zhì)為Q345B(δ30,mm)，索具長(zhǎng)度為14,m，吊裝角度為63.63 °。利用CAD自帶有限元功能模擬得到圖2所示結(jié)果。[2]

根據(jù)受力分析可知：吊耳處承受的最大力為115.16,MPa。Q345B(δ＝30,mm)屈服強(qiáng)度為325,MPa，低于材料的屈服應(yīng)力。因此，井架的吊耳強(qiáng)度滿(mǎn)足吊裝要求。

安全系數(shù)為：

運(yùn)用此方法可確定鉆臺(tái)總成、下底座總成的吊裝鋼絲繩及卸扣規(guī)格型號(hào)(見(jiàn)表2)。

圖2 吊耳處應(yīng)力分布圖Fig.2 Stress distribution in hanging ear

表2 下底座/鉆臺(tái)總成吊裝索具卸扣選型Tab.2Parameters of hoisting gear shackles on bottom base & drilling floor assemblies

2 拖航方案設(shè)計(jì)

2.1 慣性力概述

修井機(jī)在陸地建造完后，大多采用駁船固定運(yùn)輸至指定平臺(tái)。在運(yùn)輸過(guò)程中，結(jié)構(gòu)件會(huì)隨著駁船在波浪作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。船體的運(yùn)動(dòng)形式有：橫蕩、縱蕩、升沉、橫搖、縱搖、平搖。前3種形式的運(yùn)動(dòng)為船體的平動(dòng)，后3種運(yùn)動(dòng)形式為船體沿本身運(yùn)動(dòng)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生加速度，從而使其裝載的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生與加速度相反的慣性力。根據(jù)剛體平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)理論，慣性力等于平動(dòng)慣性力、轉(zhuǎn)動(dòng)切向慣性力在坐標(biāo)軸分量、轉(zhuǎn)動(dòng)法向慣性力沿坐標(biāo)軸的分量之和。[3]

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

HXJ135C海洋修井機(jī)使用“ZR1501”號(hào)駁船完成拖航，具體參數(shù)為：船長(zhǎng)120,m，船寬30.5,m，船深7.6,m，排水量3,636,t。

2.3 拖航風(fēng)載

拖航分析中應(yīng)選取重現(xiàn)期為10年、持續(xù)時(shí)間3,s的平均風(fēng)速，并且按照《API RP 2A-WSD海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法——荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法》中的規(guī)定計(jì)算模塊鉆機(jī)所受風(fēng)力(見(jiàn)表3)。

風(fēng)速：Vw：31.1,m/s

形狀系數(shù)：Cs：1.0

高度系數(shù)：Ch：1.32

根據(jù)API Spec 4F，建筑物高于水平面大約0～15,m，Ch=1.2，高度每增加15,m，高度系數(shù)增加10%。

風(fēng)載計(jì)算公式：

2.4 結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 拖航工況

HXJ135C海洋修井機(jī)共分為3大模塊，運(yùn)輸時(shí)固定在ZR1501駁船甲板上，擺放位置如圖3所示；運(yùn)輸時(shí)由于縱搖和橫搖，3大模塊存在滑移和傾覆的可能性，固定時(shí)應(yīng)該從阻止模塊從X方向和Y方向滑移和傾覆兩種可能性上考慮。泥漿泵和泥漿泵動(dòng)力橇為整體設(shè)備，尺寸和噸位較小，因此不對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，只針對(duì)3大模塊進(jìn)行計(jì)算分析。

表3 筑物高于水平面Tab.3Wind load calculation results of three major components of workover rig

圖3 駁船擺放圖Fig.3 Layout of the barge

2.4.2 橫搖和縱搖中心

以駁船拖航時(shí)的橫搖和縱搖中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)拖航示意圖，可計(jì)算得到修井機(jī)各模塊重心相對(duì)拖航時(shí)縱搖橫搖中心的三坐標(biāo)及搖擺半徑如表4所示：

表4 以橫搖和縱搖中心為原點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)Tab.4 Parameters of center of gravities of the three major components of workover rig

2.4.3 駁船拖運(yùn)時(shí)參數(shù)

風(fēng)載方向示意圖如圖4所示，參數(shù)見(jiàn)表5：

圖4 風(fēng)載方向示意圖Fig.4 Sketch map of wind directions

表5 拖運(yùn)時(shí)參數(shù)Tab.5Towing parameters of the three major components of workover rig

2.4.4 角加速度計(jì)算

橫搖角度(roll)：Ar=20deg ；周期：Tr=10sec

縱搖角度(pitch)：Ap=10deg ；周期：Tp=10sec

升沉加速度：ah=0.2g

重力加速度：W=1.0g

2.4.5 拖航力的計(jì)算

根據(jù)拖航工況，縱搖和橫搖產(chǎn)生的力計(jì)算如下，計(jì)算公式及其符號(hào)如下：

2.4.5.1 橫搖產(chǎn)生橫向的力(Y方向)

重力加速度Y方向分量：FTRrs=W×sin(Ar)

橫搖加速度Y方向分量：FTRrd=W×εr×Rr/g

升沉加速度Y方向分量：

2.4.5.2 縱搖產(chǎn)生的橫向力(X方向)

升沉加速度X方向分量：

橫搖產(chǎn)生的橫向力計(jì)算結(jié)果如表6所示(Y向)：

表6 橫搖產(chǎn)生的橫向力計(jì)算結(jié)果(Y向)Tab.6 Calculation results of transverse force(Y direction)

縱搖產(chǎn)生的縱向力計(jì)算結(jié)果如表7所示(X向)：

表7 搖產(chǎn)生的縱向力計(jì)算結(jié)果(X向)Tab.7 Calculation results of longitudinal force(X direction)

根據(jù)拖航工況，考慮橫搖(R)、縱搖(P)、升沉(H)的各種工況組合，共分為8種工況，即：+R+H，-R+H， +R-H，-R-H，+P+H，-P+H，+P-H，-P-H。風(fēng)載選取最?lèi)毫庸r，[4]具體計(jì)算數(shù)據(jù)如表8、表9所示：

表8 拖航工況組合(a)Tab.8 Towing condition combination (a)

表9 拖航工況組合(b)Tab.9 Towing condition combination (b)

2.4.6 3大模塊重量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)3大模塊各部件重量清單，總重量如表10所示：

表10 修井機(jī)3大件重量清單Tab.10 List of weights of the three major components of workover rig

2.4.7 加固方案及受力分析

3大模塊通過(guò)定位塊和鋼絲繩固定在甲板上，根據(jù)拖航工況及安裝方案，運(yùn)輸過(guò)程中存在滑移和傾覆的可能，因此固定方案采用定位塊限制滑移，鋼絲繩拉緊3個(gè)模塊防止傾覆的措施。

根據(jù)修井機(jī)拖航方案及上述計(jì)算可知，拖航時(shí)作用于3大模塊的力簡(jiǎn)化為風(fēng)力、橫搖、縱搖及模塊自身的重力；其中和Y方向的慣性力及風(fēng)力遠(yuǎn)大于X方向的力，且修井機(jī)左右加固撐相同；因此，滑移校核只要分析計(jì)算橫搖-升沉?xí)rY方向一側(cè)受力即可；由于3大模塊屬長(zhǎng)方形模塊，長(zhǎng)邊沿X軸方向布置，X方向所受的風(fēng)力及慣性力遠(yuǎn)小于Y方向，因此只需校核Y方向不傾覆，X方向也是安全的。

2.6 抗傾覆校核

按照支撐位置和模塊重心位置，井架模塊可簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方形模塊，長(zhǎng)×寬×高為：22,680×4,930×2,300，重量估重為32,000,kg，固定方案模型簡(jiǎn)化如圖5所示：

圖5 井架撬塊簡(jiǎn)化模型及分析Fig.5 Simplified model and analysis of derrick skid block

2.6.1 滑移校核

選取R-H慣性力，270 °風(fēng)載的外加力，計(jì)算如下：

2.6.1.1 重力在滑移方向分力

慣性力在滑移方向作用力為：

2.6.1.1 滑移方向作用力

井架限位及固定時(shí)，單邊設(shè)置4個(gè)定位塊7，1個(gè)定位塊8，并分析主要承受剪切力。

剪切應(yīng)力取安全[σ]0.6倍

2.6.2 傾覆計(jì)算

由于在外力的作用下有傾覆的趨勢(shì)，選取外力R-H，風(fēng)載為270 °校核，如果在此位置不傾覆，則井架不存在傾覆的危險(xiǎn)：

傾覆力矩：

重力分量的反力矩：

根據(jù)此法，可確定下底座總成、鉆臺(tái)總成慣性力，進(jìn)一步校核在各種組合海況下，構(gòu)件傾覆的可能性。經(jīng)計(jì)算，均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)，結(jié)合整體受力分析和吊耳有限元計(jì)算，確定了最佳的吊裝方案。拖航設(shè)計(jì)結(jié)合環(huán)境條件和橫搖、縱搖、升沉所產(chǎn)生的慣性力影響，分析整體傾覆可能，保證拖航方案的科學(xué)有效性。

HXJ135C海洋修井機(jī)吊裝和拖航方案的確定為施工提供科學(xué)依據(jù)，按照此法圓滿(mǎn)完成吊裝和拖航任務(wù)，該海洋修井機(jī)已順利就位并安裝使用，得到業(yè)主的認(rèn)可?！?/p>

［1］ 張曉軍. 井口管匯橇塊整體吊裝方案設(shè)計(jì)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33(2)：53-55.

［2］ 劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

［3］ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室. 理論力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

［4］ 王寧，徐田甜. 西江23-1油田平臺(tái)模塊海上吊裝優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36(8)：26-30.

Design of Hoisting and Towing of HXJ135C Marine Workover Rig

ZHOU Hongjun，DING Hui，DU Hanwen
(CNOOC EnerTech Equipment Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China)

After the completion of the construction of marine workover rig，land assembly work is required，and the lifting operation will be carried out in designated sea area by ship transportation．As most components of marine workover rig machine have a large and complex steel frame structure，which features large deaload and uneven load distribution，and the rig machine is affixed with a variety of machineries and equipment，it is unable to bear impact and collision．As a result，its lifting and towing process is very difficult．Therefore，during the transportation and lifting of marine workover rig，the safety of towing and lifting of the machine and the machine itself may be affected by inertial force and other environmental loads when under complicated sea conditions．This paper takes HXJ135C marine workover rig as an example，designs a terminal lifting and towing scheme on the basis of relevant standards and mechanical theory by using finite element software，aiming to provide support for the project.

marine workover rig；hoisting；towing；check

TE935

A

1006-8945(2016)06-0070-05

2016-05-20