HZJ70DB海洋模块钻机的安装与计算

仝兆盘　何军国　王祥伟　徐晓磊　苗治军　陈军鹏

摘 要：为确保海上石油固定平台模块钻机安装经济、方便、安全、可靠，结合海洋工程通常的操作方法及规范要求，提出黄岩1-1/黄岩2-2海上石油固定平台HZJ70DB型海洋模块钻机的模块划分方案，设计其装船、拖航与海上吊装方案，并运用有限元法，对海洋模块钻機安装过程进行基本计算与分析，计算结果满足规范要求，为海洋模块钻机现场安装与优化提供了指导。

关键词：海洋模块钻机；装船；拖航；吊装

中图分类号：TE951 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）06-0084-03

Hook up and Calculation to the HZJ70DB Offshore Modular Drilling Rig

Tong Zhaopan He Junguo Wang Xiangwei Xu Xiaolei Miao Zhijun Chen Junpeng

（RG Petro-machinery Group Co.， Ltd.，Nanyang Henan 473006 ）

Abstract： In order to meets for the following hook up requirements of the offshore modular rig on the fixed platform， such as economy， convenience， security， reliability， this paper combined with the traditional operation method and code at the present， designed the shipping， towing， and lifting scheme for the HZJ70DB offshore drilling rig on the fixed platform HY1-1/HY2-2. Using the FEA to the hook up of the offshore drilling rig， the analysis result meets for the code requirement， and ensured the design reliability.

Keywords： offshore modular rig；shipping；towing；lifting

1 研究背景

海上石油固定平台模块钻机（简称海洋钻机）是实现海上石油与天然气勘探和开发的关键装备。随着海洋石油开发力度不断加大和技术成熟，适应浅水作业环境的海上石油固定平台的作业水深在逐步加大，由早期30m以内水深，逐渐超过100m的水深，而海上石油固定平台模块钻机也呈现出大型化、重型化、综合型的趋势。

海上石油固定平台模块钻机安装方式，由于平台组块自身尺寸及重量均较大，海洋钻机需要单独进行海上运输和海上吊装。而对此种安装方式，海洋钻机需要单独装船、海运、进行海上吊装。海洋环境条件（包括水深、风、波浪、海流、海冰等海况条件）以及离岸远近[1]，影响海洋钻机的安装作业，需要对海洋钻机安装过程进行详细设计和计算，确保安装方案的可行性、安全性和可靠性。

通常依据“质量划分、结构相关性、功能完整性、移运性能”等原则来划分海洋钻修机模块[2]。然而，海洋钻机模块的划分并非一成不变，需要综合分析各种因素，在质量、结构、功能、移运、安装、成本等方面进行综合性分析。很多的时候，海洋钻机的运输安装方式决定其结构设计、质量分配、功能区重组。例如，浮吊的吊重能力、吊装高度及回转半径，决定了海洋钻机模块的大小，影响其模块的划分方式[3]。

海上石油固定平台模块钻机安装进行有限元分析，对于钻机结构模块来说，一般可直接用ANSYS等通用软件进行计算，然后结合规范分析要求，应用软件语言，编制二次程序，进行运算求解，得出相关规范值，如长细比、综合应力、稳定性判定值等[4]。

2 HZJ70DB海洋钻机简介

HZJ70DB海洋钻机主要由钻井设备模块（即DES，包括钻台、下移动底座）、井架及天车、绞车总成、转盘及驱动装置、顶驱、铁钻工、钻井支持模块（即DSM，包括发电机组与控制模块、泥浆池模块、空气压缩机模块等）、暖通设备、安全消防设备、电气设备、仪表及通讯设备、井控系统、灰罐系统等组成[5]。

在进行HZJ70DB海洋钻机模块划分与安装方案设计时，重点遵循如下原则：对于大的模块进行充分组合，减少浮吊次数，降低作业对气候窗口时间的要求；对于小型模块，进一步细分，充分利用平台吊机进行吊装作业，降低成本。

3 海洋钻机装船方案

海洋钻机装船方式的确定应综合考虑各模块或组合模块的重量和重心、总体尺寸、组装码头的前沿承载能力、运输驳船的有效甲板面积及其调载能力等多种因素。通常可采用吊装装船或滑移装船两种方式。

3.1 吊装装船

大型海洋钻机模块的吊装装船即通过起重船，把模块直接吊装到运输驳船上。通常适应小型的钻机模块，或者对大模块采用大型浮吊。当采用大型浮吊作业时，需要支出昂贵的租赁费用，且对吊装时的天气和潮汐要求苛刻，即需选择适宜的作业气候窗，否则吊装作业难以实施，甚至无法实施。

3.2 滑移装船

滑移装船技术是利用绞车系统将大型结构物平稳地牵引到驳船上[6]。在滑移装船过程中，当海洋钻机模块（例如钻井设备模块或支持模块）由码头滑道开始转移到驳船滑道时，需要通过驳船测控系统仔细地调节压载水舱的压载水量，动态调整驳船的姿态，以克服由于模块重心的移动和潮汐变化对驳船浮态、稳性的影响，保证模块顺利地被牵引到驳船上。

通过对HZJ70DB海洋钻机结构分析，其DES模块外形尺寸大于18.6m×23.2m×13.2m，干重超过850t；DSM模块外形尺寸大于29.8m×19.6m×10.7m，干重超过1 000t，决定采用滑移装船方式。

4 海洋钻机拖航方案

海洋钻机海上运输大多采取驳船加拖轮运输的方式，拖轮应具有足够的功率和吨位，在选定的海洋环境条件下能够保持适当的航速，包括所在海域条件下的设计风速，能抵抗波浪的作用力。

为提高海洋钻机拖航的可靠性，需要设计必要的工装，把海洋钻机与驳船进行装船固定。

对目前海洋工程常用的运输船及其船型和其载重能力进行分析（见表1），HZJ70DB海洋钻机设计采用梦娜公主进行海洋运输。

5 海洋钻机海上吊装方案

吊装作业计算的内容包括被吊装结构（即海洋钻机模块）、工装和吊索具等。吊装作业前应进行吊装作业安全风险分析。

5.1 平台吊机

对于轻型模块钻机，由于模块尺寸较小、重量较轻（例如，每橇小于18t），可用平台吊机进行安装（平台通常配有一台35t或40t柴油机作为动力的吊机）。对于大型模块钻机配套的设备模块，如HZJ70DB海洋钻机采用多段自升式海洋钻井井架，对井架模块进行小模块、轻型化设计，就可以通过平台吊机进行安裝。

5.2 海上浮吊

为减少海上吊装时间，为气候窗的选择提供便利，大型海洋钻机通常设计成几个大的模块，例如，钻机设备模块、钻井支持模块等，井深5 000m及以上海洋钻机结构模块通常较大，当支持模块采用整体设计时，其模块干重往往超过1 000t。当钻机设备模块，即下底座模块与钻台模块整体吊装时，其重量往往接近或超过1 000t，分开成两个模块时，单个模块重量也在500t左右。这些大而重的模块通常采用海上浮吊方案。

通过分析，HZJ70DB海洋钻机DES和DSM模块须采用海上浮吊方案，大部分钻井设备（如井架）采用平台吊机安装方案。

当采用海上浮吊方案时，起重船应满足吊装海况下模块钻机对吊重、跨距和吊高的要求。尤其要注意，吊装过程不能与平台组块结构碰撞，对可能出现碰撞的结构应提前采取防护措施，或在平台上设计安装加长滑道。

6 海洋钻机安装有限元计算

通过对东海黄岩HZJ70DB海洋模块钻机结构分析，海洋钻机在安装时可以分为钻井支持模块DSM、钻机下底座模块DES A、钻台模块DES B、井架模块共4个大的模块和其他小模块。

下底座模块结构吊装重量约600t，外形尺寸18.6m×23.2m×11.2m。综合考虑井口平台结构及安装方案、海洋钻机总体结构及重量分布、业主现有船舶及吊机资源、海洋钻机安装费用预算等，下底座模块基本设计时，采取单独滑移装船、拖航和海上吊装。

现在以此海洋钻机下底座模块安装过程为例，进行有限元计算及分析。其他大模块的安装及计算方法与此相同。下底座模块计算模型见图1。

6.1 滑移装船计算

下底座模块底部设计4个滑靴，前后两对滑靴互相平行，通过驳船绞车从建造场地牵引至驳船，前后两对滑靴分别同时上船。由于下底座模块为非均质结构，各部分重量不均，为保证下底座结构强度和驳船的安全，必须把码头与驳船间滑道的水平度控制在工程实践允许的范围内。

下底座模块装船分析中需要考虑不平衡拖力，轨道沉降和支点失效的影响。启动力以摩擦系数为基础来进行计算，并且施加在一对被拖拉的滑靴上。不平衡力以摩擦系数为基础来进行计算，并且施加在一对被拖拉的滑靴上。

6.2 拖航计算

海洋钻机拖航参数一般有两种情况，即内海拖航和大洋拖航。

海洋钻机设备提供方主要考虑模块本身的固定及拖航时的强度，至于驳船的强度和稳性分析一般由平台组块方设计考虑。

在拖航工况中，按照AISC 335规范，许用应力可以提高1/3。

HZJ70DB海洋钻机拖航分析选取10a重现期，持续时间3s的风速来计算风荷载，并作为环境荷载施加在结构模型上。计算驳船运动惯性荷载时，以驳船浮心作为横摇和纵摇的中心。横摇用R表示，纵摇用P表示，升沉用H表示。

HZJ70DB海洋钻机为内海拖航，不考虑实际海浪谱作用，在拖航过程中，驳船的运动参数按表2选取。

6.3 海上吊装计算

吊装分析假定吊钩位于下底座模块重心的正上方。

根据API RP 2A（WSD）中相关规定，对于海上安装，与吊点直接相连构件考虑2.0倍动力放大系数，其他构件考虑1.35倍动力放大系数。吊装分析中，许用应力不允许提高。

分析时，为使模型稳定，加快收敛速度，吊钩处边界条件为全约束，并使用3个弹簧元对水平方向运动进行约束。

7 结论

通过对HZJ70DB模块钻机所有单独安装模块的有限元计算分析，各个工况下的综合校验值（即UC值）均小于1，满足AISC 335[7]规范和API RP 2A规范计算要求。

参考文献：

[1]方华灿.海洋石油工程（上册）[M].北京：石油工业出版社，2010.

[2]冯定，杨成，王鹏，等.海洋钻修机模块划分研究[J].石油机械，2011（5）：75-78.

[3]杨英亮，张超，宫慧，等.海洋模块钻机利用不同浮吊安装的几种模块划分方案[J].机械工程师，2011（12）：158-160.

[4]李志刚，雍军.基于SAFI的海洋塔形井架的拖航计算分析[J].石油矿场机械，2011（5）：40-44.

[5]张建勇，徐田甜，王宁，等.番禺30-1气田钻机DES模块吊装强度分析[J].石油工程建设，2007（3）：46-49.

[6]张伟.大型结构物滑移装船过程仿真研究[D].天津：天津大学，2006.

[7]AISC 335-89，Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design[S].9th Edition.American Society for testing materials ， 2005.