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user: 3. 基本工况分析 根据2250KN海洋钻修机吊装、钻修井作业和拖航的载荷工况分析要求，井架和钻台钢结构的计算分析，应包括以下内容： 1) 静力分析 2) 地震分析 3) 拖航分析 4) 吊装分析 本文以钻修机平台钻台面处井口中心点为坐标原点，X轴正向指向井架正前方；Z轴正向指向为面对井架时，左手方向；Y轴正向指向井架正上方，建立全局直角坐标系及有限元模型如图2所示。 海洋钻修机模块工况分析时，需根据钻机和平台的设计制造所遵循标准规范、用户的要求确定钻修机静力分析时所需的工作载荷组合和各项载荷。 3.1. 静力分析 海洋钻修机静力分析时需根据相关规范确定工作载荷和环境载荷。 1) 工作载荷[ 2 ] 工作载荷如表1所示。 图1. 钻修机结构示意图 图2. 钻修机有限元模型 Table 1 Design loadings for drilling structure 状况 设计载荷条件 自重 (%) 钩载 (%) 转盘载荷 (%) 立根载荷 (%) 环境载荷 1a 工作 100 100 0 100 100%工作环境 1b 工作 100 TE 100 100 100%工作环境 2 预期 100 TE 100 0 100%预期风暴环境 3a 非预期 100 TE 100 100 100%非预期风暴环境 3b 非预期 100 适用时 适用时 适用时 100%地震 4 起升 100 适用时 适用时 0 100%起升环境 表1. 钻井结构设计载荷 2) 设计参考风速 如果用户协议或者规格书有明确规定，应选取用户规定设计风速值，且保证所有选取的风速不应小于API 4F (第四版)中表5规定风速。如果用户没有规定，则操作工况风荷载通常选取1年重现期，持续时间3 s的平均风速；极端风暴工况通常选取100年重现期，持续时间3 s的平均风速。 3) 设计参考风向 参考平台风媒图以及井架体受风面端面，确定风力方向应为典型的风力方向——即受风面积最大的方向。考虑钻修机结构对风的敏感程度，取井架主体部分横断面，并测量其对角线与背横梁之间夹角，该夹角即为危险风速角度。据此可以确定钻修机结构危险风速方向，见图3。 4) 活荷载 根据GB/T 29549.1-2013《海上石油固定平台模块钻机》规范中第6.6.5.3关于活荷载的规定：对于散货堆载及其它活荷载，应根据其所处位置及计算的需要，按照表2所列的值考虑。 根据GB/T 29549.1-2013《海上石油固定平台模块钻机》规范中第6.6.6结构计算分析关于在位分析的规定，极端风暴工况活荷载取75%。 5) 顶驱扭矩 顶驱扭矩分为钻井扭矩和卸扣扭矩两种。钻井扭矩由顶驱反扭矩梁承受，卸扣扭矩作业时，转盘卡瓦固定钻杆，利用顶驱进行卸扣，可视为钻修机内力。 顶驱扭矩加载方式根据顶驱导轨实际连接方式可分为两种：一是顶驱导轨顶部固定于天车底部，导轨下段通过反扭矩梁固定，则顶驱扭矩通过转化成力的形式加载在反扭矩梁上；二是顶驱导轨顶部固定于天车底部，导轨各段固定于井架背横梁上，则顶驱扭矩需分别在顶驱导轨行程的起始点和中点处分别加载以进行设计校核。 6) 许用应力 根据API Spec 4F ( 第四版)规范中关于许用应力的规定：对于操作及井架起升工况，许用单位应力不应增加，非预期风暴工况和预期风暴工况，许用单位应力增加1/3，即校核系数为1.33。 3.2. 地震分析 根据钻机和平台的设计制造标准规范要求，地震载荷[ 4 ] 分析可由以下方式确定： 1) 海洋平台上装置地震载荷的设计应遵循API RP 2A -WSD概述的强度水平分析指南，采用平台顶层甲板地震响应加速度，按照准静力法进行分析。 2) 地震工况下的井架钩载、转盘载荷以及立根载荷需根据作业条件以及环境特点与用户共同进行确定。 图3. 风速方向确认图 Table 2 Live loa 位置 活荷载(kN/m 2 ) 局部计算 整体计算 用于检查及维修的房顶/走道 3.0 1.5 走道，楼梯 5.0 2.5 甲板非设备区 5.0 2.5 卸货区，维修区，储藏区 10.0 5.0 叉车活动区 10.0 5.0 表2. 活荷载 3) 地震工况应参照API Spec 4F (第四版)表1中关于操作工况的规定，分别进行地震工况1a (钩载载荷 + 立根载荷)和地震工况1b (转盘载荷 + 立根载荷)分析计算。 4) 根据GB/T 29549.1-2013《海上石油固定平台模块钻机》规范中第6.6.6结构计算分析关于在位分析的规定，地震工况活荷载取75%。 5) API Spec 4F (第四版)规范以及AISC 335第一篇中均有规定，地震、重力和作业负荷联合作用时许用应力值增加1/3。 6) ANSYS计算采用等效静力分析时，地震工况下，以力的形式加载的设备需考虑地震的各向惯性力。 3.3. 拖航分析 2250KN海洋钻修机模块拖航分析时，需首先确定拖航时各结构和设备重心相对驳船浮心的位置和距离，并以此计算拖航惯性力，然后根据规范要求确定相应的载荷。 1) 拖航时钻修机结构及设备在驳船上位置的确定 2250KN海洋钻修机模块的甲板设备以及驳船设备结构布置[ 5 ] 如图4、图5所示。 2) 确定结构件、设备重心坐标以及驳船浮心坐标。 结构件重心坐标由设计方提供，设备重心坐标、驳船浮心坐标由用户提供。 3) 根据《GB 25428-2010-T石油天然气工业钻井和采油设备钻井和修井井架、底座》钻机拖航惯性 图4. 钻修机拖航甲板设备位置示意图 图5. 钻修机拖航驳船设备位置示意图 力的计算公式进行拖航惯性力计算。 通常，将拖航参数代入惯性力的计算公式，可以求得拖航时钻机所承受的惯性载荷，然后将惯性载荷可以转化成惯性加速度的形式加载在有限元模型中进行求解。 4) 一般情况下，拖航分析可按照“10˚~20˚”法则进行考虑，运动值选取见表3。如模块钻机固定在平台组块顶层甲板上拖航或拖航路线远离海岸，则需按照驳船实际运动参数进行拖航分析。该参数由用户提供。 5) 拖航分析时，应选取拖航路线中最恶劣海域重现期为10年，持续时间3 s的平均风速计算风荷载；风向至少应考虑0˚，90˚，180˚和270˚四个方向。如果用户没有明确数据，则根据API 4F (第四版)表5进行确定风速。 6) 根据API 4F中第8.1.2节规定：运输条件下，如果用户规定，许用单位应力可比基本许用应力增加三分之一(应力修改系数 = 1.33)。 7) 除非用户有特殊要求，否则拖航动力的组合应按照API 4F第8.4.1规定进行组合计算分析： ① 纵向动力，包括纵荡和纵摇，以及升沉； ② 横向动力，包括横荡和横摇，以及升沉； ③ 对角线动力与升沉组合。对角线动力应按纵向和横向力平方和的平方根确定，除非用户另有规定。 3.4. 吊装分析 2250KN海洋钻修机零部件从码头吊装上船，运至海洋平台组装场地分部组装，再吊至作业区完成组装成套。因吊装环节较多，风险较大，吊装分析至关重要。 1) 吊装分析应符合API RP 2A -WSD 2.4.2 节要求，并与GB/T 29549.1-2013《海上石油固定平台模块钻机》第6.6.6节规定一致。 a) 对于在遮蔽海域(包括码头吊装装船)进行的吊装，设计吊点以及与吊点直接相连的构件，动力放大系数取1.5，其余构件取1.15； b) 在开敞海域进行的吊装，设计吊点以及与吊点直接相连的构件，动力放大系数取2.0，其余构件取1.35。 2) 2250KN海洋钻修机底座部件在陆上制成并安装，根据API RP 2A -WSD 2.4.2c“对吊机和被吊装的结构或部件均在陆地上的典型的制造场内操作，不要求动力荷载系数。对于可能产生少见的动力荷载的特殊吊装过程，可以考虑适当的荷载系数”的要求，我们将吊装过程中的动力放大系数选取为：1.25。 3) 吊装分析中基本许用应力应符合API RP 2A -WSD3.1节规定，不应使用AISC对吊装载荷容许应力增加的规定，即校核系数不增加。 4) 吊装分析计算采用静力分析法进行计算。对于吊点与重心错位较大的构件模型，需要对构件模型增加弹簧模块，以保证模型的自平衡。 5) 吊装部件主体的重量通过对密度调整进行加载。 Table 3 The sportive parameter of barg 运动 角度或加速度(半幅值) 周期(全幅值) 横摇 20˚ 10 s 纵摇 10˚ 10 s 升沉 0.2 g - 表3. 驳船运动参数 6) 吊装部件附属设备的重量通过加载质量单元进行模拟。 7) 实际加载重量应包含质量系数。 8) 动载系数以重力加速度的形式进行加载。