配筋方式对自升式钻井平台悬臂梁屈曲性能影响研究.pdf

2 0 1 7 年第4 6 卷石油矿场机械 第6 期第2 6 页 O I L F I E L D E Q U I P M E N T 2 0 1 7 ，4 6 ( 6 ) ：2 6 3 1 文章编号：1 0 0 1 3 4 8 2 ( 2 0 1 7 ) 0 6 0 0 2 6 0 6 7 E 8 E 9 配筋方式对自升式钻井平台悬臂梁 屈曲性能影响研究 肖文生1 ，王顶立1 ，王逢德1 ，张丽1 ，蒙占彬2 ( 1 中国石油大学机电工程学院，山东青岛2 6 6 5 8 0 ；2 胜利油田钻井工艺研究院，山东东营2 5 7 0 1 7 ) 摘要：自升式钻井平台悬臂梁的稳定性能是衡量其承载能力的重要指标。以某1 2 2m ( 4 0 0 英尺) 自升式平台悬臂梁为研究对象，采用有限元分析方法，研究了在不同的工况下主梁配筋方式和侧向 抗弯刚度比对悬臂梁线性屈曲性能的影响。使用弧长法得到了悬臂梁非线性屈曲过程的载荷一位 移曲线，校核了中国船级社海上移动平台入级规范中的屈曲安全系数，得出了规范中的屈曲安全系 数偏保守的结论。该结论可为悬臂梁的抗失稳设计提供理论依据。 关键词：自升式钻井平台；悬臂梁；配筋方式；侧向抗弯刚度比；屈曲 中图分类号：T E 9 5 l 文献标识码：Ad o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 7 0 6 0 0 6 I n f l u e n c eo fR e i n f o r c e m e n tM e t h o do nt h eB u c k l i n gB e h a v i o ro fJ a c k u pC a n t i l e v e r X I A OW e n s h e n 9 1 。W A N GD i n g l i l ，W A N GF e n g d e l ，Z H A N GL i l ，M E N GZ h a n b i n 2 ( 1 C o l l e g eo E Z F ( t r o m e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m ，Q i n g d a o2 6 6 5 8 0 ，C h i n a ； 2 D r i l l i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u d e ，S h e n g l iO i l f i e l d ，D o n g y i n g2 5 7 0 1 7 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h es t a b i l i t yp e r f o r m a n c eo ft h ej a c k u pp l a t f o r m Sc a n t i l e v e ri sa ni m p o r t a n ti n d e xt o e v a l u a t ei t sw o r k i n gc a p a c i t y I nt h i sp a p e r ，F E Ma r eu s e dt os t u d yt h er e i n f o r c e m e n tm e t h o da n d i n f l u e n c eo fl a t e r a lf l e x u r a ls t i f f n e s sr a t i oo nt h el i n e a rb u c k l i n gb e h a v i o ro fa4 0 0 f tj a c k u p Sc a n t i l e v e rb e a mc o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s B e s i d e s ，A r c I 。e n g t hm e t h o di su s e dt oo b t a i nt h e l o a d d i s p l a c e m e n tc u r v eo fc a n t i l e v e rn o n l i n e a rb u c k l i n g ，a n dt h ec a l c u l a t i n gs a f e t yf a c t o ri sc o r n p a r e dw i t ht h eb u c k l i n gs a f e t yf a c t o ro ft h eC C SM O D U T h ec o n c l u s i o nc a np r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sf o rs t a b i l i z a t i o nd e s i g no ft h ec a n t i l e v e rb e a m K e y w o r d s ：j a c k u p ；c a n t i l e v e r ；r e i n f o r c e m e n tm e t h o d ；l a t e r a lf l e x u r a ls t i f f n e s sr a t i o ；b u c k l i n g 一一- 4 - - + 一卜一+ 一卜- - 卜- 卜一卜一+ _ 一+ - 一+ 一- - 4 - 一+ “+ 一+ 一- 4 - - 4 - + 一+ 一+ - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ ”+ 一+ 一+ - + 张朝晖功率平衡法与电流平衡法在抽油机井平衡计 算中的对比分析 J 石油石化节能，2 0 1 4 ，4 ( 1 0 ) ： 4 5 - 4 6 杨胡坤，秦丽丰，卢玉等常规游梁式抽油机电流平衡 调整方法研究I - j 石油矿场机械，2 0 1 3 ，4 2 ( 6 ) ：1 6 曲志冬，刘振，孟翔扬，等电动机电流在抽油机平衡调 整中的理论研究E J 机械工程师，2 0 1 5 ( 5 ) ：1 2 4 1 2 5 1 0 1 1 1 2 张守秀，闫敬东，闫恩祥游梁式抽油机平衡度最小功 率法自动调节新方法E J 内江科技，2 0 1 6 ，3 7 ( 8 ) ： 3 3 3 4 钟功祥，蒋林，吕志忠，等抽油机自动平衡模块设计 与分析E J 机械设计与制造，2 0 1 6 ( 8 ) ：2 3 7 2 4 0 柯军游梁式抽油机功率平衡法调平衡方法研究E J 石化技术，2 0 1 6 ，2 3 ( 9 ) ：8 1 收稿日期：2 0 1 7 - 0 6 3 0 基金项目：国家工信部课题“自升式钻井平台品牌工程( 型) ” 作者简介：肖文生( 1 9 6 6 一) ，男，陕西西安人，教授，现从事海洋工程装备技术方面的研究工作，E - m a i l ：x i a o w s u p c e d u C n o 万方数据 第4 6 卷第6 期肖文生，等：配筋方式对自升式钻井平台悬臂梁屈曲性能影响研究 2 7 悬臂梁是现代自升式钻井平台的核心系统之 一 1 。悬臂梁作为钻台和井架的承载结构，它由两 条主梁及连接它们的横梁和堆场组成 2 。随着作业 水深和钻井载荷的增加，为满足悬臂梁的强度要求， 将悬臂梁主梁腹板设计的很高，而悬臂梁主梁腹板 的高厚比很大，则需要在腹板两侧配置合适间距的 加强筋以提高侧向抗弯刚度，防止悬臂梁主梁的侧 向失稳。若配置加强筋的间距过小，无疑会增加悬 臂梁的自重和加工难度，而配置加强筋的间距过大， 容易引发主梁的屈曲破坏，因此研究配筋方式对悬 臂梁加筋主梁的屈曲性能影响具有重要意义。 国内自升式钻井平台悬臂梁领域的研究多集中 于已设计完成的悬臂梁的性能研究。姜伟等 2 3 建立 了作业条件下悬臂梁的力学模型，得到了悬臂梁振 动频率的影响规律；刘蕊等口1 对悬臂梁进行实地加 载和监测，校核了悬臂梁不同工况下的强度；胡安康 等 4 1 结合数学模型方法和有限元方法评估了悬臂梁 的强度，绘制了载荷图谱；姬晓东等 5 】介绍了悬臂梁 称重原理和计算方法，并校核了悬臂梁的理论设计 载荷；程龙等 6 3 阐述了一种模拟加载方法，对无钻机 工况的悬臂梁进行了强度试验；汪怡等 7 。8 3 以某自升 式钻井平台为例，分析得到了悬臂梁载荷图表的编 制方法，并以理论分析和试验相结合的方法研究了 钻井工况下悬臂梁的强度。针对悬臂梁稳定性的研 究较少。本文以某1 2 2m ( 4 0 0f t ) 自升式钻井平台 悬臂梁为研究对象，采用有限元方法，考虑了悬臂梁 主梁不同工况和不同加强筋的配置方式等因素，分 析了不同侧向抗弯刚度比对悬臂梁主梁线性和非线 性屈曲性能的影响，为悬臂梁的稳定性设计提出一 些建议。 1 有限元分析 1 1 悬臂梁简介 本文以某1 2 2m ( 4 0 0f t ) 自升式钻井平台为例， 该平台选用X 型悬臂梁，悬臂梁结构主要由两条主 梁和连接二者的横梁和管子堆场组成。悬臂梁主梁 可以在甲板基座上纵向移动，最大外伸长度为2 2 8 6 m ( 7 5f t ) ，钻台底座可以在悬臂梁的横梁上横向移 动，最大横移距离为4 5 7m ( 1 5f t ) ，悬臂梁主梁长 5 6m ，左右两主梁腹板间距为2 1 6m ，悬臂梁主梁 截面为I 形，如图1 所示。悬臂梁主要采用E H 3 6 高强度钢，钢材的密度p = 78 5 0k g m 3 、泊松比v 一 0 3 、屈服强度c r 5 = 3 6 0M P a 。 悬臂梁主梁腹板两侧均布置加强筋，加强筋类 型为T 型材，为保证T 型材不会发生局部屈曲，根 据中国船级社( C C S ) 海上移动平台入级规范可 知 9 ，T 型材尺寸满足式( 1 ) 、( 2 ) 要求则可不必考虑 其本身的局部屈曲。 hr F 翼板： o 4 5 兰 ( 1 ) t fV 仃c 几 腹板：半1 4 兰 ( 2 ) W Vd rs 式中：b f 为T 型材翼板的半宽，m m ；t f 为T 型材翼 板的厚度，m m ；h 。为T 型材腹板的高度，m m ；t 。为 T 型材腹板的厚度，m m ；E 为弹性模量，E _ - - 2 0 6 1 0 N m m 2 ；d r 。为材料的屈服强度，N r a m 2 。 1 2 有限元模型 在A N S Y S 中建立悬臂梁的有限元模型，主梁 腹板建模选用S h e l l l 8 1 单元，该单元适合薄板、中 厚板结构的线性分析和非线性大变形分析；主梁两 侧的加强筋建模选用B e a m l 8 8 单元。为提高建模 效率，对复杂的钻台及堆场区域，建立其主要结构用 于对悬臂梁主梁传递工况载荷，并在有限元模型的 相应位置加载质量单元，以保证模型与实际结构的 重心更接近，悬臂梁结构的有限元模型如图2 所示。 边界条件的设定：4 个基座位置处的节点全 万方数据 石油矿场机械2 0 1 7 年1 1 月 约束。 载荷施加方式：悬臂梁的横梁施加4 个集中载 荷，模拟钻台4 个支座对横梁传递的载荷；管子堆场 处施加50 0 0k N 的均布载荷；考虑悬臂梁自重，重 力加速度g 一9 8m s 2 。 1 3 屈曲分析 屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定 时的临界载荷和屈曲模态形状的技术，对于受压结 构，当压力增大，弱化效应增加。当压力达到某个临 界载荷，弱化效应超过结构的固有刚度，此时失去了 净刚度，位移无限增加，结构发生屈曲。A N S Y S 的 线性屈曲分析使用特征值公式( 3 ) 计算造成结构失 去净刚度的应力刚度矩阵的比例因子。 ( I - K + A s ) I f ， 一O ( 3 ) 式中： K 为刚度矩阵；I s 为应力刚度矩阵； l f ， 为 位移特征矢量；A 为特征值( 也叫