半潜式钻井平台上钻机井架振动分析.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 石 油机械 CHI NA P ET ROI EUM MAC HI NERY ． ． 专题研究 半潜式钻 井平台上钻 机井架振动分 析 胡 朋 齐明侠 中国石油大学 华东 摘要 以某半潜式钻井平台上钻机井架为实例，借助于 A B A Q U S非线性有限元分析软件对井 架结构进行简化，并建立有限元模型。通过对井架结构 的模 态分析和随机振 动分析 ，分别得到该 井架的 自振特性 包括 固有频率及阵型和井架结构在地震、波浪激励下的动态响应随时间、频 率的变化规律 ，分析结果有助于在设计井架结构时避开其共振频率范围，进而为选择平 台上有振 动特性的配套设备提供理论依据。 关键词 钻机井架A B A Q U S 模 态分析 地震激励 波浪激励 振动分析 0 引 言 半潜式钻井平 台工作于深海 ，受洋流、波浪、 风载及地震等恶劣海洋环境的影响，会引起钻井平 台及其上钻井设备的纵、横摇和升沉等运动 ，钻 机井架在工作中也伴随着平台的运动而不停地晃动。 目前，国内外关于 自升式钻井平 台和座底式钻井平 台上海洋井架动态特性已经有 了大量的研究，主要 集中在井架的模态分析 ，少量涉及到井架在地震 作用下的动态响应分析 ，而对半潜式钻井平台上 钻机井架的动态特性研究相对要少 ，尤其是波浪载 荷对平台冲击而导致井架晃动的研究。笔者主要研 究半潜式钻井平台上塔形井架的模态分析及井架在 平台受到地震 、波浪激励下的振动响应问题。 采用 A B A Q U S计算辅助工 程软件 对井架进 行分析 ，可以解决从相对简单 的线性分析到极富挑 战性的非线性模拟分析等各种问题。A B A Q U S具有 十分丰富的单元库和材料模型库，可以模拟任意的 实际 形 状 和 大 多 数 典 型 的 工 程 材 料 的 性 能。 A B A Q U S ／ A q u a模块可 以模 拟近海结 构 ，如波 浪、 风载及浮力等对海上钻井平台的影响等。对于大多 数模拟 问题 ，用户仅需要提供结构的几何形状 、材 料性能、边界条件和载荷工况等工程数据 ，使用十 分方便 。 1 有 限元模 型的建立 笔者采用的某半潜式钻井平台上钻机井架为瓶 颈式塔形井架 ，井架体是一个横截面为长方形的可 拆卸 、栓装封闭式钢结构 ，整个井架体 由4根立柱 和若干横 、斜腹杆经高强度螺栓连成整体 ，4根立 柱为箱形截面梁 ，其余横 、斜腹杆均为宽翼缘 H 型钢 。井架顶部平面尺寸为 5 ． 5 n l x 5 ． 5 m，井架 底部平面尺寸为 1 5 ． 8 1T I X 1 4 ． 0 1T I ，井架有效高度 为 6 3 ． 5 IT I ，各杆件材料均采用 Q 3 4 5 D钢 ，材料密 度 p 7 8 5 0 k g ／ 1T I ，弹性模量 E2 ． 11 0 M P a ， 剪切模量 G 0 ． 8 x 1 0 M P a 。由于井架 的结构较为 复杂 ，在使用 A B A Q U S建模时，结合井架 的特点 ， 对井架的实际结构进行简化 ，建立一个接近实际结 构的力学模型 。简化方法如下 1 将井架的主体结构简化为空间钢架结构， 采用三维细长三次梁 B 3 3 单元 ，杆件 问采用螺 栓连接 ，连接处其 自由度全部约束 ，视为刚性节点。 2 工作梯 、护栏 等附件对井架的刚度影响 较小 ，简化时全部忽略，而天车 ，游车 、升沉补偿 装置等视为集中载荷施加于井架的相应节点上。 3 简化 后 的井 架结构 由井 架基段 、 I段 、 Ⅱ段 、Ⅲ段 、Ⅳ段和 V段组成 ，井架下端固定在平 台上 ，相互之间不发生移动和转动。 基金项 目国家科技重大专项“ 大型油气田及煤层气 开发” 子课题“ 深水 钻机仿 真技术研 究及软件 开发 ” 1 1 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 井架有限元分析模型如图 1 所示 ，整个井架按 其结构划分为 2 5 7个节点 ，4 6 0个单元 ，井架整体 中的杆件共包括 1 1 种截面。 囤 } Y z 图 1 井架有限元 分析模型 2 结构动力响应分析 2 ． 1 模 态分析 模态分析用于确定结构 的固有频率 ，分析结果 有利于在设计时避开这些频率或者工作中最大限度 地减少对这些频率的激励 ，从而消除过度的振动和 噪声。由于结构的振动特性决定了结构对于其他各 种动力载荷的响应情况，所以在进行其他动力学分 析之前首先要进行模态分析。利用 A B A Q U S软件 计算得到井架前 3 0阶振动 同有频率和阵型。由于 井架结构具有低频振动特性 ，所以研究其低频特性 有实际意义。表 1列出 了前 1 0阶 自振频率 ，图 2 给出了前 5阶振型。 表 1 井架结构 的前 1 0阶自振频率 通过模态分析可以得到井架的固有频率特点为 1 第 1阶振型 2 ． 1 4 3 9 H z 井架主要表现 为整体的左右振动 ；第 2阶振型 2 ． 6 1 8 1 H z 井 架 主 要 表 现 为 整 体 的 前 后 振 动 ；第 3阶 振 型 3 ． 0 5 4 1 H z 井架主要表现为井架 中部横 、斜腹 杆的变形振动 ，左右侧横 、斜腹杆 向内振动 ，而前 后侧横 、斜腹杆 向外振动 ，井架 4立柱变形很小 ； 第 四阶振型 3 ． 6 9 4 6 H z 井架主要表现为整体沿 y轴顺时针方 向扭转振 动，且井架下端 向左侧倾 斜；第 5阶振型 3 ． 8 1 0 7 H z 井架主要表现为井 架基段内左右侧横 、斜腹杆向外变形 ，前后侧向内 变形，Ⅱ段 、Ⅲ段 内左右侧横 、斜腹杆 向内变形 ， 前后侧横 、斜腹杆向外变形。 2 井架的低 阶同有频率相差不大 ，且频率 值 比较小 ，在平台上各动力机械振动产生的频率应 尽量避免与井架固有频率接近 ，以免发生共振 ，损 伤井 架 第3 IN振 型 ≯ 、 第4 阶振 型 第5 阶 振型 图 2 井 架前 5阶 振 型 2 ． 2随机 振动 分析 钻机井架通过螺栓 固支在半潜式钻井平台上 ， 工作过程中受到多种随机激励 的作用，笔者只考虑 地震激励和波浪激励的作用。地震激励采用加速度 激励，在 时域 内研 究 井 架动 态 特 性；而 波 浪激 励[ 6 采用随机性 的方 法，即谱分析方法 ，在频域 内研究井架动态特性。 单 自由度线性系统的随机振动方程为 m c 戈 k x ．厂 t 1 式中m系统质量 ； c 系统 阻尼 ； 后 系统刚度； f t 随机激励力 ； 戈 系统加速度 ； 戈 系统速度； 系统位 移 。 系统的响应可由杜哈美积分公式求出，即 r t r t t I h t ～ 丁 d zf t 一 7 ． h 丁 d t J 0 a 0 2 式中h t 脉冲响应函数； 时问 ； ．r 时间差。 脉冲响应函数为 1 h 一e 一 s j n 0 9 d 3 一 ，蔗 隆 螽 r } } 瓣 馨一一 。 一 ． ． 靴 型 f r 一 ， ． 振 窭 _㈠潆 2 0 1 0年第3 8卷第1 1 期 胡 朋等半潜式钻井平台上钻机井架振动分析 式 中 。 、 系统 固有圆频 率和系统有 阻尼 固有频率 ； 阻尼 比。 而对于多 自由度线性系统的随机振动方程可由 矩阵和向量的形式来表示。 钻机井架的地震激励是通过对井架施加 向、 y向加速度激励来施加 的，其加速度时程曲线如图 3所示 。 、 ∞ ● 吕 ⋯ i ； I ’ } 1 ’ 时间／ b ． y 方向 图 3 X、Y方 向加 速 度 时 程 曲 线 由分析结果可知 ，井架在地震加速度激励下主 要是前后晃动和上下变形 ，而左右振动幅度极小。 取井架顶端 l 5号节点位移 ，如图 4所示 ，在 t 4 ． 3和 8 ． 0 s时 ， 方 向晃动位移最 大，而在 t 4 ． 5和 1 1 ． 0 S 时 ，l ， 方向的晃动位移最大。分析得 到在半潜式钻井平台受到地震激励时，钻机井架的 ／ 、 一 、、 向 √ ＼ ／功窍 ＼ l ／ 图 4 X、Y和 Z方 向的位移 1 5号节点位移 晃动幅度 比较大，甚至会影响钻机的正常工作 ，因 此应提高半潜式钻井平台的平稳性 。在此激励下的 井架前 2立柱与后 2立柱应力交替变化 ，并且立柱 下端应力较大 见图 5 ，但其值远小于材料 的屈 服极限，故井架强度富足。 a ． 前 立 柱 b． 后 立 柱 图5 井架前后立柱的应力分布 笔者在频域 内研究井架 时，以我 国 海港水 文规范 推荐使用 的文氏谱 作为激励谱 ，波浪力 功率谱密度 曲线 如 图6所示 ，横坐标为频率 、纵 坐标为波浪力功率谱密度 ，两 者均取对 数并利用 M a t l a b作图。由于波浪力作用于海洋平台上 ，它对 井架的影响可以转化为平台振动作用在井架上。目 前 A B A Q U S ／ C A E中还不 支持功 率谱密度 P S D 的直接输人 ，只能手动编辑关键词定义功率谱密度 函数 ，来计算井架结构的响应。 1 0 ∞ 10 -o 9 鬟 饕s 毒 7 7 ● l l ⋯． 图6波浪 力功率谱 密度 曲线 由于井架上部晃动位移 比较大 ，所以只对井架 顶端节点进行研究。在波浪力激励作用下 ，井架上 端 5号节点 、】 ， 和 Z 3个方向的加速度 、位移响 应 如图 7 、图 8所示 。 由分析结果 可以得出井架在此激励下 向 加速度 出现 3次峰值 ，分别位 于 2 ． 6 、5 ． 7和 8 ． 8 H z 处 ，由模态分析得到井架的第 2阶固有频率为 2 ． 6 1 8 0 H z ，第 1 3阶固有频率为 5 ． 7 2 8 9 H z ，第 2 9 阶固有频率为 8 ． 8 0 8 6 H z ，故峰值对应的频率与模 态分析的固有频率一致 ；Y向、z向加速度在 8 ． 5 H z 左右时达到最大值 ；X向位移在 2 ． 6 H z时达到 最大值 ，是由结构共振引起 的，而 y 、z向位移变 化幅度很小 ，可以忽略不计 。此波浪激励 的最大频 一 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 6 O 0 0 00 0 O 0 O 0 0 0 ＼ 二 二 二 二 二 二 一 _ ／ e e e e e e e e e e e e e ／ S 2 6 9 2 5 8 4 8 7 8 0 O ／ e 7 6 6 6 7 7 7 8 8 8 0 3 7 8 5 2 9 6 3 0 7 4 1 9 9 9 ● - 、 3 3 2 2 2 2_ _ _ 8 5 2 1 ●曩一I I 一 M 二 二 弛 ∞。 ∽ ￡433 3 I 222 222336 0 O O0 O 0 0 OO ， ＼ 一一 一 一 一一 一 一 一 e e e e e e e e e ／ 1 0 9 7 6 4 1 7 9 ／ 3 9 4 O 6 2 3 9 Z 73O7 3084● ． 一 匿隧 ■_ ■ 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1期 率小于井架的第 1阶固有频率，引起的平台振动对 井架影响较小。 - ∽ ● 兰 ＼ 锚 g 邑 ＼ 笾 t ● _ ， I ． ． } 频 率／ I t{ a 方 向 频 率／Hz a 方 向 3 结论 与建议 J ∽ ● g L l _ ● ● - ● 一 一 - 一 h ． 频 率／ Hz b y 方 向 图7 X、Y和 Z向加速度 图 8 、 Y和 Z向位 移 1 通过模态分析可 以得 出，井架 的固有频 率较低 ，低阶频率之间相差不大 ，在配套平台上其 他钻井设备 时，要避免 与井架固有频率 相同或相 近，以免发生共振。 2 在随机振动分析 中，由时域 内的地震激 励下计算结果可知，满足此激励下的强度条件，但 井架上端晃动幅度较大 ，应适当增大其刚度 ，南频 域 内波浪激励分析可以得到易发生共振 的频率值 ， 利用其结果 ，来减少该频率成分的激励对井架结构 的影响或者改善井架结构，尽量避开能量较大的波 浪力的冲击 。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 常 玉 连 ，刘 玉 泉 ．钻 机 井 架 、底 座 的设 计 计 算 [ M]． 北京石油工业出版社，1 9 9 4 1 5 5 2 1 0 ． 关晓晶 ，周 国强 ，郭奕珊 ．海洋石油钻机 井架动力 特性分 析 [ J ]．大庆石油 学 院学 报，2 0 0 5 ，2 9 3 5 3～ 5 4，6 9 ． S p a d a c c i n i O， Vi g n o l i A． S e i s mi c a n a l y s i s o f d ri l l i n g d 一 - 3 5 ，3 O {2 ．5 2 0 l 5 。 是 0 5 o 书 麟 o m 8 ● ● _ - _ 一 l 频 率／ H c Z方向 ● I | I 一 一 ● - ● O 2 0 4 ． 0 6．0 8 ． 0 1 0 0 频 率／ Hz c Z方 向 e r r i c k i n t h e d e s i g n o f o f f s h o r e p l a t f o r m s[ J ]． P r o c e e d i n g s o f t he I nt e r n a t i o n a l Of f s h o r e Me c h a n i c s a nd Ar c t i c E n g i n e e r i n g S y m p o s i u m，1 9 8 9 ，2 8 6 8 3 6 9 0 ． 庄茁，由小川，廖剑晖，等 ．基于 A B A Q U S的有 限元分析和应用 [ M]．北京清华大学 出版社 ， 2 00 9 1 2 9 1 5 0． 任杰 ， 吕 兰，王浚璞 ，等 ． I- I J 1 8 0海 洋钻机 井 架动 力 特 性 及 地 震 响 应 分 析 [ J ]．石 油 机 械 ， 2 0 0 9，3 7 6 3 53 8 ． O t s u k a K o j i， I k e d a Y o s h i h o， F u k u t o m i M i k i o， e t a 1 ． Dy n a mi c r e s p o n s e s o f a s p a rbu o y b o ring d e i c k i n w a v e s『 C] ． I n t e r n a t i o n a l O ffs h o r e a n d P o l a r E n g i n e e r i n g C o n f e r e n c e ，1 9 9 7 3 5 7 35 7 9 ． 周丹 ，肖盛燮 ，杜逢彬 ．波浪载 荷作用下施工 平 台随机动力响应分析[ J ]．重庆交通 大学学报 自 然科学版 ，2 0 0 8 ，2 7 3 3 7 0 4 1 2 ． 第一作者简介 胡朋 ，生于 1 9 8 4年 ，在读硕士研究 生，研究方向为石油机械设计及理论。地址 2 5 7 0 6 1 山东 省东营市 。电话 0 5 4 6 6 7 8 0 7 4 7 6 。Ema i l h u p e n g 0 5 0 7 1 63 ．c m。 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 4 本 文编辑刘锋 、 J、 j] 』]j