張士超，曹義威，王 鵬，徐光鵬，吳奇兵，陳小偉

(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450)

0 引 言

模塊鉆機(jī)井架作為海洋石油鉆完井作業(yè)的重要工程結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)完整性直接影響鉆完井作業(yè)安全[1-3]。井架在鉆完井作業(yè)時(shí)主要承受2種工況：頻繁的起下鉆作業(yè)等準(zhǔn)靜態(tài)工況；偶然的大噸位解卡作業(yè)等動(dòng)載工況。其中，循環(huán)的起下鉆工況長(zhǎng)期作用會(huì)使井架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋，這種裂紋發(fā)生及擴(kuò)展速率緩慢，可以在進(jìn)行八大件年檢及井架無損探傷等定期或不定期檢驗(yàn)中提前發(fā)現(xiàn)。而大噸位解卡等作業(yè)所帶來的沖擊載荷會(huì)產(chǎn)生意想不到的結(jié)構(gòu)裂紋，這種裂紋尺寸大，不可預(yù)見，對(duì)井架結(jié)構(gòu)承載能力的影響尤為嚴(yán)重，需引起足夠的重視。

某海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)井架在鉆井作業(yè)過程中遭受突發(fā)載荷，致使井架主結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了尺寸較大的穿透性裂紋。為保證其滿足后續(xù)鉆井作業(yè)的安全順利進(jìn)行，在進(jìn)行井架整體強(qiáng)度分析及裂紋擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)分析后，對(duì)井架進(jìn)行加固修復(fù)，并對(duì)修復(fù)部位局部強(qiáng)度進(jìn)行校核并全面評(píng)估井架結(jié)構(gòu)修復(fù)后承載能力，確保其滿足作業(yè)載荷要求。

1 井架裂紋缺陷概述

該模塊鉆機(jī)井架為K形前開口井架，井架高度為46.4 m，額定載荷為3 150 kN，在某次鉆井作業(yè)過程中，突然出現(xiàn)較大噸位沖擊載荷，導(dǎo)致井架晃動(dòng)較大，后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)：井架右側(cè)后立柱的腹板出現(xiàn)裂紋及變形，裂紋長(zhǎng)度約450 mm；腹板出現(xiàn)鼓出現(xiàn)象，鼓出部位長(zhǎng)度約800 mm，鼓出高度約20 mm；H形鋼翼板出現(xiàn)張口現(xiàn)象，張口約6 mm。井架結(jié)構(gòu)缺陷如圖1所示。

圖1 井架結(jié)構(gòu)缺陷

2 裂紋擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 井架整體應(yīng)力分析

為得到井架出現(xiàn)裂紋部位的局部受力情況，需對(duì)井架進(jìn)行整體應(yīng)力分析。為減小計(jì)算規(guī)模，在建立三維模型時(shí)對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，忽略井架附屬結(jié)構(gòu)。井架底端為固支約束。井架上體與基段之間通過銷軸連接傳遞載荷，采用耦合約束模擬。載荷施加方式是在天車中心位置施加向下的額定載荷3 150 kN。井架鋼材彈性模量E為2.06×105MPa，泊松比為0.3。井架單元類型采用三維線性梁?jiǎn)卧＞苷w在額定載荷下應(yīng)力及變形情況如圖2所示。

圖2 井架整體在額定載荷下應(yīng)力及變形云圖

由額定載荷下的應(yīng)力分析結(jié)果可得，井架主桿應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為200.40 MPa，小于允許應(yīng)力206.59 MPa([σ]=345 MPa/1.67)，滿足強(qiáng)度要求。

由圖2(a)可知：在靜載作用下井架應(yīng)力最大值并沒有出現(xiàn)在井架后立柱破壞部位，而是出現(xiàn)在井架上體與下體的軸銷連接處。在實(shí)際作業(yè)中，當(dāng)井架承受動(dòng)載作用時(shí)，軸銷的連接方式會(huì)使得該部位釋放一部分沖擊力，該處的應(yīng)力強(qiáng)度會(huì)有所降低。當(dāng)載荷繼續(xù)向井架下體傳遞時(shí)，井架底部固定約束使得后立柱剛度較大，因此，在受到上體傳遞的突然載荷后應(yīng)力得不到及時(shí)釋放，瞬時(shí)大噸位載荷使得井架大腿底部產(chǎn)生裂紋。

2.2 裂紋擴(kuò)展分析

為了解井架裂紋存在的風(fēng)險(xiǎn)，建立破壞部位局部模型并進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析[4-10]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，將長(zhǎng)度為450 mm、深度為12 mm的穿透型裂紋嵌入井架局部模型上。為保證計(jì)算精度，同時(shí)提高計(jì)算效率，在裂紋擴(kuò)展方向進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。模型采用六面體網(wǎng)格，井架裂紋擴(kuò)展有限元模型如圖3所示。

圖3 井架裂紋擴(kuò)展有限元模型

模型參數(shù)如下：以最大主應(yīng)力失效準(zhǔn)則作為損傷起始判據(jù)，最大主應(yīng)力為84.4 MPa，損傷演化選取基于能量、線性軟化、混合模式的指數(shù)損傷演化規(guī)律，設(shè)置斷裂能G1C=G2C=G3C=43 300 N/m，參數(shù)Power=1。

提取井架整體應(yīng)力分析時(shí)井架破壞部位頂部的位移，以位移載荷方式施加到缺陷部位局部模型頂部，計(jì)算出含裂紋缺陷局部井架的受力狀態(tài)，如圖4所示。由圖4可知，在井架額定載荷下，井架存在的裂紋不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，但裂紋尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

圖4 含裂紋井架局部應(yīng)力云圖

為分析裂紋在井架不同變形量作用下的擴(kuò)展規(guī)律，進(jìn)行多種位移載荷作用下的裂紋擴(kuò)展分析，如圖5所示。通過計(jì)算提取STATUSXFEM參數(shù)可直觀地體現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的狀態(tài)。STATUSXFEM是表征擴(kuò)展單元狀態(tài)的參量，取值范圍為[0,1]：當(dāng)取值為0時(shí)表示單元不含裂紋；當(dāng)取值為(0,1)時(shí)表示單元部分裂開，裂紋是黏性裂紋；當(dāng)取值為1時(shí)表示單元完全裂開。

圖5 不同頂部豎向位移作用下裂紋擴(kuò)展形態(tài)

由圖5可知，當(dāng)井架承受的頂部位移載荷增大時(shí)，井架裂紋會(huì)逐步擴(kuò)展：當(dāng)頂部豎向位移達(dá)2.30 mm時(shí)井架裂紋開始向下方開裂；當(dāng)頂部豎向位移達(dá)3.00 mm時(shí)井架裂紋上邊緣開始向上方開裂；當(dāng)頂部豎向位移達(dá)3.02 mm時(shí)井架裂紋突然迅速擴(kuò)展，并且裂紋擴(kuò)展方向有朝翼緣轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)；當(dāng)頂部豎向位移達(dá)4.20 mm時(shí)井架裂紋已經(jīng)由腹板擴(kuò)展至翼緣位置，整個(gè)結(jié)構(gòu)完全失效?？梢?，隨著井架壓縮變形量的增加，裂紋會(huì)有進(jìn)一步擴(kuò)展的趨勢(shì)。

3 井架修復(fù)后安全評(píng)估

3.1 修復(fù)情況

通過井架生產(chǎn)廠家、井架使用單位及第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)多方溝通研究，最終采用由廠家提供的修復(fù)方案。修復(fù)設(shè)計(jì)圖紙如圖6所示。該修復(fù)方案是在修復(fù)裂紋的基礎(chǔ)上，在井架大腿截面上增加多個(gè)加強(qiáng)板，從而提高橫截面積及抗彎剛度，增加井架截面承載軸向應(yīng)力及彎曲應(yīng)力的能力。按照該修復(fù)方案修復(fù)后的現(xiàn)場(chǎng)局部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

單位：mm圖6 修復(fù)設(shè)計(jì)方案

圖7 修復(fù)后井架實(shí)體

3.2 修復(fù)部位局部強(qiáng)度校核

為驗(yàn)證修復(fù)后的井架右后立柱結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，根據(jù)修復(fù)設(shè)計(jì)圖紙，建立修復(fù)部位局部模型并進(jìn)行強(qiáng)度分析。提取井架整體應(yīng)力分析時(shí)井架大腿修復(fù)局部的頂部位移，施加至該模型，可以得到井架大腿修復(fù)后的局部應(yīng)力分布。

由圖8可知，修復(fù)后的井架右后立柱大腿局部最大應(yīng)力處為軸銷穿孔部位及井架根部，最大應(yīng)力為193.50 MPa，小于井架的許用應(yīng)力206.59 MPa，滿足強(qiáng)度要求。應(yīng)力云圖提示的高應(yīng)力區(qū)需在后續(xù)作業(yè)工程中加強(qiáng)關(guān)注。

圖8 井架大腿修復(fù)后額定載荷下應(yīng)力云圖

3.3 應(yīng)力測(cè)試

SY/T 6326—2019[11]的10.3 a)規(guī)定，井架主要承載件在使用過程中出現(xiàn)開裂、彎曲、變形等情況，應(yīng)進(jìn)行井架檢測(cè)評(píng)定。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)要求，采用如下方法進(jìn)行井架應(yīng)力測(cè)試[12]。

(1) 對(duì)井架設(shè)置2個(gè)測(cè)試截面，共計(jì)36個(gè)測(cè)點(diǎn)，部分測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 井架應(yīng)力測(cè)試

(2) 加載時(shí)通過逐級(jí)上提井下鉆具獲得大鉤載荷，載荷值依次為100 kN、200 kN、400 kN、600 kN和800 kN，為減少測(cè)試不確定性，重復(fù)采集3次，采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。

(3) 將各載荷下應(yīng)變數(shù)據(jù)線性反推至額定鉤載下的應(yīng)變值，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供的結(jié)構(gòu)校核公式計(jì)算UC值。

分析計(jì)算后得出額定鉤載下的結(jié)構(gòu)校核系數(shù)最大值為0.40<1，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。依據(jù)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)該井架可評(píng)為A級(jí)。但限于該井架發(fā)生過大修事件，建議縮短井架檢測(cè)周期。

4 結(jié) 論

(1) 對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模計(jì)算，得出井架的整體應(yīng)力分布規(guī)律，并確定井架受力最不利位置。建議參照應(yīng)力分布情況，在作業(yè)前對(duì)井架主承載結(jié)構(gòu)做全面細(xì)致的外觀檢查。

(2) 由井架裂紋擴(kuò)展分析可知，井架裂紋的存在會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而降低井架承載能力。隨著井架壓縮變形量的增加，裂紋會(huì)有逐步擴(kuò)展的趨勢(shì)。

(3) 通過截取井架右后立柱修復(fù)部位建立精細(xì)的三維模型進(jìn)行有限元計(jì)算，得到修復(fù)后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求的結(jié)論。井架應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，井架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)承載能力要求，評(píng)定為A級(jí)。但限于該井架發(fā)生過大修事件，建議縮短井架檢測(cè)周期。

(4) 建議在井架承受大噸位載荷后及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行目檢及無損探傷，可盡早發(fā)現(xiàn)井架裂紋缺陷，避免由微小裂紋逐步擴(kuò)展而引發(fā)重大的安全事故。