半潜式钻井平台上钻机井架振动分析

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1、石油机械2010年第38卷第11期CHINAPETROIEUMMACHINERY．．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ABAQUS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ABAQUS模态分析地震激励波浪

2、激励振动分析0引言1有限元模型的建立半潜式钻井平台工作于深海，受洋流、波浪、笔者采用的某半潜式钻井平台上钻机井架为瓶风载及地震等恶劣海洋环境的影响，会引起钻井平颈式塔形井架，井架体是一个横截面为长方形的可台及其上钻井设备的纵、横摇和升沉等运动，钻拆卸、栓装封闭式钢结构，整个井架体由4根立柱机井架在工作中也伴随着平台的运动而不停地晃动。和若干横、斜腹杆经高强度螺栓连成整体，4根立目前，国内外关于自升式钻井平台和座底式钻井平柱为箱形截面梁，其余横、斜腹杆均为宽翼缘H台上海洋井架动态特性已经有了大量的研究，主要型钢。井架顶部平面尺寸为5．5nlx5．5m，井架集中在井

3、架的模态分析，少量涉及到井架在地震底部平面尺寸为15．81TIX14．01TI，井架有效高度作用下的动态响应分析，而对半潜式钻井平台上为63．5ITI，各杆件材料均采用Q345D钢，材料密钻机井架的动态特性研究相对要少，尤其是波浪载度p=7850kg／1TI，弹性模量E=2．1×10MPa，荷对平台冲击而导致井架晃动的研究。笔者主要研剪切模量G=0．8x10MPa。由于井架的结构较为究半潜式钻井平台上塔形井架的模态分析及井架在复杂，在使用ABAQUS建模时，结合井架的特点，平台受到地震、波浪激励下的振动响应问题。对井架的实际结构进行简化，建立一个接近实际结采用A

4、BAQUS计算辅助工程软件对井架进构的力学模型。简化方法如下：行分析，可以解决从相对简单的线性分析到极富挑(1)将井架的主体结构简化为空间钢架结构，战性的非线性模拟分析等各种问题。ABAQUS具有采用三维细长三次梁(B33)单元，杆件问采用螺十分丰富的单元库和材料模型库，可以模拟任意的栓连接，连接处其自由度全部约束，视为刚性节点。实际形状和大多数典型的工程材料的性能。(2)工作梯、护栏等附件对井架的刚度影响ABAQUS／Aqua模块可以模拟近海结构，如波浪、较小，简化时全部忽略，而天车，游车、升沉补偿风载及浮力等对海上钻井平台的影响等。对于大多装置等视为集中载荷

5、施加于井架的相应节点上。数模拟问题，用户仅需要提供结构的几何形状、材(3)简化后的井架结构由井架基段、I段、料性能、边界条件和载荷工况等工程数据，使用十Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段和V段组成，井架下端固定在平分方便。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”11)。石油机械2010年第38卷第11期井架有限元分析模型如图1所示，整个井架按第四阶振型(3．6946Hz)井架主要表现为整体沿其结构划分为257个节点，460个单元，井架整体y轴顺时针方向扭转振动，且井架下端向左侧倾中的杆件共包括11

6、种截面。斜；第5阶振型(3．8107Hz)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。囤(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}Y尽量避免与井架固有频率接近，以免发生共振，损z伤井架图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瓣f窭最馨r大限．一一，度。_．㈠．潆一靴型振第3IN振型第4阶振型第5阶振型地减少对这些频率的激励，从而消除过度的振动

7、和图2井架前5阶振型噪声。由于结构的振动特性决定了结构对于其他各2．2随机振动分析种动力载荷的响应情况，所以在进行其他动力学分钻机井架通过螺栓固支在半潜式钻井平台上，析之前首先要进行模态分析。利用ABAQUS软件r}：工}作过程中受到多种随机激励的作用，笔者只考虑计算得到井架前30阶振动同有频率和阵型。由于地震激励和波浪激励的作用。地震激励采用加速度井架结构具有低频振动特性，所以研究其低频特性激励，在时域内研究井架动态特性；而波浪激有实际意义。表1列出了前10阶自振频螽率，图2励[6采用随机性的方法，即谱分析方法，在频域给出了前5阶振型。内研究井架动态特性。表1

8、井架结构的前10阶自振频