外挂井槽工况下在役HXJ90海洋修井机底座强度计算评估

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第3期
图1 新增油井后的平台井位图
外挂井槽工况下在役HXJ90海洋修井机底座
强度计算评估
颜廷杰，马晓明，王松，霍云涛
（中石化胜利石油工程公司钻井职工培训中心， 山东 东营 257064）
[摘 要] 为解决生产需求，某海上平台新增2×5井槽油井以及一个平台导轨。

新增井槽后，整个修井机底座受力情况与原设计变化较大，加之服役时间较长，本文使用有限元法对该平台修井机底座进行了强度和稳定性校核，计算结果表明：该平台修井机底座在分析工况下的最大UC值为0.97，满足强度要求；将底座滑动导轨与平台导轨固接处的螺栓改为M64×4，则底座能满足稳定性要求。

[关键词] 在役海洋修井机底座；外挂井槽；强度计算
作者简介：颜廷杰（1964—），男，山东曲阜人，硕士研究生，
高级工程师。

中石化胜利石油工程公司钻井职工培训中心专家。

海上油田修井作业时，底座承受各种不同工况下的修井作业载荷以及安装在其上的各种设备重量，其强度能否满足要求，对修井机的正常作业至关重要[1-3]。

某海上平台修井机底座由江汉石油第四机械厂2008年生产，由上底座、底座移动滑轨组成。

该修井机原作业区域的井槽数量为3列×5行，为应对生产需求，在2011年新增外挂2列×5行的井槽油井数量，对平台进行了扩建，并增加了平台导轨，修井作业范围增大，修井机整体结构不变。

按照新的井槽数量进行修井作业时，在进行最外端的第5列油井作业时，整个修井机底座长度方向的60%悬挂在平台舷外，受力情况与原设计变化较大，再加上服役时间较长，需要对其修井机底座的强度安全进行校核[4]。

由于现场加载困难，较难对修井机底座进行现场应力测试。

本文采用现场实地测绘和腐蚀检测的方法获取修井机底座真实结构尺寸及缺陷，并依此建立底座有限元模型，计算该型在役修井机底座在不同工况载荷作用下各构件的应力分布及支反力，最终获得该型在役修井机底座是否满足强度及稳定性要求。

1 平台改造概述
某海上平台原有3列×5行丛式油井以及两个平台导轨。

前后两列油井中心距离为2m ，左右两
行油井中心距离为2m 。

两个平台导轨前后平行布置于平台上，平台导轨间距离为9m 。

为了满足生产需要，现场采用外挂井槽技术在拓宽平台上新增2列×5行油井以及一个平台导轨。

改造后的平台井槽布置及平台导轨布置见图1。

新增的D 、E 两列油井的左右、前后中心距离与原油井中心距离一致，D 列油井与C 列油井前后中心距离为6m 。

新增平台导轨与平台原有的靠前平台导轨距离为8m。

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石油和化工设备2018年第21卷
表1 底座载荷工况
图2 底座含腐蚀杆件实物图
图3 底座有限元模型
2 修井机底座现场检测
对某海上平台修井机底座进行外观检查，发现该平台修井机底座杆件外表面防护漆保存基本良好，仅发现某杆件下翼板边沿存在部分油漆脱落和局部腐蚀坑，最大蚀坑深度为2.3mm ，该部位杆件腐蚀情况见图2。

通过底座现场测绘和超声
波测厚得到底座杆件实际外形尺寸和壁厚。

3 底座有限元分析3.1 有限元模型建立
海洋平台修井机底座是三维空间钢结构，其杆件长细比一般都大于30，工程上在对底座进行有限元分析时，将底座简化为三维空间梁单元进行有限元离散[5-6]，现场试验[7]表明使用梁单元对底座进行有限元分析得到的底座应力值与测试应力值相对误差很小。

本文所研究的修井机底座杆件最小长细比为56，杆件在荷载作用下将发生轴向变形、面内和面外的弯曲变形、剪切变形、扭转变形[7]，因此本文使用能承受拉伸、弯曲、扭转、剪切力的beam188单元模拟底座杆件。

以底座左右方向为x 轴，竖直方向为y
坐标，根据右手法则确定前后方
向为z 轴。

依据底座杆件现场测绘和腐蚀数据建立该在役底座几何模型，按照梁单元截面赋予方式对底座进行网格划分后得到底座有限元模型。

底座有限元模型见图3。

3.2 边界条件赋予
修井机井架、转盘、绞车、过道等设备固接在上底座上，不需要计算这些设备的强度，其对底座的作用通过均布力的方式施加在对应节点上。

上底座以及底座移动滑轨通过螺栓紧固件分别固定在底座移动滑轨、平台导轨上，通过节点耦合传递固定部位的作用力。

本文对该平台修井机底座进行静态分析，此时上底座及底座滑动导轨均移动到位且固定良好。

平台导轨与平台主梁固接，其可视为刚度、强度无穷大，因此约束住底座移动滑轨与平台导轨固接位置处节点的所有自由度[7]。

3.3 底座有限元分析工况
依据美国石油协会API 4F [8]和该平台修井机底座现场实际作业情况，确定最大钩载工况和最大转盘载荷工况为底座载荷工况，底座载荷工况情况见表1。

载荷工况载荷及载荷值
静载荷（各设备自重kN）
最大钩载（kN）
最大转盘载荷（kN）
最大钩载工况325900—最大转盘载荷工况
325
—
450
修井机在新增的D 列、E 列油井作业时，整个底座有约50%的结构在平台舷外，底座杆件以及底座与平台导轨固定位置支点处受力较大，本文对底座在这两列油井作业工况下进行有限元分析。

修井机井架大钩与图1中的D 列油井中心在同一竖直位置时，上底座与底座滑动导轨的相对位置称
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作工作位置1；修井机井架大钩与图1中的E列油井
中心在同一竖直位置时，上底座与底座滑动导轨
的相对位置称作工作位置2。

工作位置1和工作位
置2分别见图4和图5。

底座在每个工作位置上均会
承受最大钩载工况以及最大转盘载荷工况，因此
该底座共有4个有限元分析工况，分别为工况A、
工况B、工况C、工况D。

底座有限元分析工况见
表2。

图4 底座工作位置1图5 底座工作位置2
序号底座工作位置
载荷工况
最大钩载工况最大转盘载荷工况1工作位置1工况A工况B
2工作位置2工况C工况D
表2 底座有限元分析工况
3.4 修井机底座有限元分析
使用ANSYS软件对底座进行几何模型建立、
有限元模型建立、边界条件赋予，依据3.3节的有
限元分析工况对该平台在役海洋修井机底座进行
有限元计算，得到底座杆件在各有限元分析工况
下的应力分布以及底座移动滑轨和平台导轨固定
位置处的节点支反力，计算结果表明该底座杆件
主要受Z向弯矩作用。

底座移动滑轨和平台导轨固
定位置节点分布见图6。

底座在各有限元分析工况
下的Z向弯曲应力分布分别见图7至图10。

图6 底座滑动导轨和平台导轨固定位置节点分布
图7 修井机底座在工况A下的Z向弯曲应力分布云图
图8 修井机底座在工况B下的Z向弯曲应力分布云图
颜廷杰等 外挂井槽工况下在役HXJ90海洋修井机底座强度计算评估
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图11 52号节点位置处螺栓布置图
图10 修井机底座在工况D下的Z向弯曲应力分布云图
图9 修井机底座在工况C下的Z向弯曲应力分布云图
表3 52号节点支反力值
在所有有限元工况下，转盘承载梁及其固接的承载梁Z 向弯曲应力值较大，底座移动滑轨与平台导轨固接处（图6中的125号、151号、26号、52号节点附近）Z 向弯曲应力值较大；底座在工况A 下的Z 向弯曲应力值范围为-37.2MPa 至77.8MPa ，最大应力值出现在底座滑动导轨与平台导轨固接（52号节点附近）处；底座在工况B 下的Z 向弯曲
应力值范围为-81.8MPa 至53.3MPa ，最大应力值出现在转盘承载梁处；底座在工况C 下的Z 向弯曲应力值范围为-37.5MPa 至44.8MPa ，最大应力值出现在底座滑动导轨与平台导轨固接（52号节点附近）处；底座在工况D 下的Z 向弯曲应力值范围为-78.3MPa 至43.1MPa ，最大应力值出现在转盘承载梁处。

4 修井机底座强度校核
依据SY6326-2012[4]中的底座杆件强度因子UC 值计算公式校核底座杆件强度。

杆件UC 值大于1，则杆件不满足强度要求；杆件UC 值小于1，则杆件满足强度要求。

通过计算得到该平台修井机底座在所有有限元分析工况下的最大UC 值出现在52号节点附近，最大UC 值为0.972，小于1，因此底座在新增油井后满足强度要求。

5 修井机底座稳定性校核
如果底座移动滑轨与平台导轨固接用的螺栓强度不够，则整个底座有发生倾覆的危险，因此需要对底座进行稳定性校核。

由于篇幅所限，本文仅列出底座在承受工况A 的情况下，52号节点所受支反力，并对该位置处的螺栓进行强度校核示例。

表3列出了52号节点支反力值；图11为52号节
点位置处螺栓布置图。

节点号Fx（N）Fy（N）Fz（N）Mx（N•mm）My（N•mm）Mz（N•mm）1
6086.6
0.415e6
867.26
0.497e9
-0.739e7
10004
假设弯矩中的“负号”表示弯矩方向为顺时针，通过分析R3螺栓所受拉力最大，因此仅需要对R3螺栓进行强度校核。

R3螺栓所受拉力为N 1，N 1由式(1)
求得。

(1)
R3螺栓所受剪力为T 1，T 1由式(2)求得。

R3螺栓规格为M42，材料为35号钢，其屈服强度σs 为315MPa 。

根据机械设计手册[9]知，该螺栓许用拉伸应力安全系数为1.3
，许用剪切应
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第3期 ◆参考文献
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收稿日期：2017-12-07；修回日期：
2018-01-22
力安全系数为2.5，则可得R3螺栓许用抗拉伸力
，许用抗剪切力
由于N 1＞N 1b > ，因此螺栓校核不满足强度要求。

建议将螺栓尺寸改变为M64×4，通过计算得知在所有有限元分析工况下，底座移动滑轨与平台导轨固接处螺栓均满足强度要求，底座不会发生倾覆。

6 结论
本文对新增外挂井槽后的某海上平台型号为HXJ90的修井机底座进行了强度校核和稳定性校核。

得到如下结论：
(1)该平台底座在所有分析工况下的整体最大UC 值为0.972，小于1，该底座满足强度要求。

(2)该平台底座在各载荷工况下的轴向应力值较小，弯曲应力值是引起底座杆件破坏的主要因素。

(3)建议将底座滑动导轨与平台导轨固接处的螺栓尺寸更改为M64×4，底座不会发生倾覆。

（上接17页）
收稿日期：2017-12-12；修回日期：2018-01-13
[8] 巴依曼•买买提明. TORKBUSTER 扭力冲击器+PDC 钻头技术在玉北6A 井的应用[J].西部探矿工程，2013，(1)：61-62.[9] 薛文斌. 调节阀流量系数几种计算方法的比较[J].石油化工自动化，2014，50(5)：67-70.
[10] 王卫阳，万国强，韦欣法，等. 基于Fluent 的有杆泵固定阀流量系数模拟计算[J].石油钻采工艺，2015，37(3)：71-75.基金项目：国家科技重大专项“海上复杂地层安全快速钻完井关键技术”（编号：2016ZX05033004-002）部分研究内容，中石化油田部项目“液力谐振扭冲钻井工具先导试验”、中石化工程院院控项目“高频液力扭转冲击辅助破岩装置的研制”联合资助。

颜廷杰等 外挂井槽工况下在役HXJ90海洋修井机底座强度计算评估。